CN108108560B - 一种多指灵巧手的手指位置布置方法 - Google Patents

Abstract

一种多指灵巧手的手指位置布置方法属于仿人多指灵巧手的结构参数优化技术领域，涉及的手指具有三个自由度，且每个手指的结构完全相同，步骤为：首先，建立具有相对运动的两手指“恰好”完全包络抓取圆柱物体的平面简图，两手指于手掌平面上的垂直距离为L，圆柱物体的直径为D；其次，分析平面简图中各参数间存在的几何关系，建立关于L和D的隐函数关系f(L，D)＝0，求解隐函数f(L，D)＝0的极值，选取各极值点中存在的最大值D，最大值D所对应的L即为两手指间相对布置的最优距离；最后，确定其他手指相对于第一步中手指的最优位置。本发明在手指具有相同结构尺寸的条件下，使得灵巧手能获得最大的包络抓取物体尺寸，提高灵巧手的应用范围。

Description

一种多指灵巧手的手指位置布置方法

技术领域

本发明属于仿人多指灵巧手的结构参数优化技术领域，提供一种多指灵巧手的手指位置布置方法。

背景技术

随着德国“工业4.0”、我国“智能制造2025”等国家政策的提出，机器人技术在世界范围内获得广泛的关注和飞速的发展，应用领域日益扩大。末端执行器是机器人在工作过程中与周围环境交互的执行部件，传统的机器人末端执行器是基于特定的任务而设计的，一般只有1～2个自由度，因而基本不具备通用性。随着机器人智能化水平的不断提高，需要作业的形式和内容呈多样化发展，如对不同形状物体的抓取、柔软物体的捏等，传统的末端执行器已经不能满足机器人的这类作业需求，因而具有多自由度、多关节的仿人多指灵巧手成为机器人末端执行器的发展方向。

仿人多指灵巧手具有广泛的应用领域：在家庭服务领域，可以作为老年人、残疾人等的辅助器具，为其日常生活提供方便；在工业生产领域，可用于柔性生产线上的复杂零件装配及通用性夹具等；在外太空及人类所不能直接接触的领域，可以作为人手的延伸，用于未知环境下的抓取作业；等等。因此，仿人多指灵巧手具有重要的研究意义，受到各国研究学者的重视，一大批各式各样的多指灵巧手被研制出来，二指手如KINOVA的KG2、ROBOTIQ的两指自适应夹爪，三指手如Barrett、iHY、ReFlex，四指手如DLR/HITⅠ、Utah/MIT hand，五指手如DLR/HITⅡ、GifuⅢ、Shadow。这些灵巧手的手指、手掌尺寸不尽相同，有的和人手相当，有的稍大于人手，手指结构基本有两指节和三指节两种形式。

在现有的灵巧手设计过程中，其手指位置的布置方式一般是基于仿人手指布置的思想，但仿人手指的布置方式与灵巧手抓取物体的尺寸范围并没有直接的关系，因此，设计出来的这类灵巧手在抓取物体的尺寸范围方面往往没有特别明显的优势。实际上，在手指结构和尺寸都确定的情况下，仿人多指灵巧手抓取物体的尺寸范围与手指的各指节长度，以及各手指在手掌上的位置布置方式密切相关，存在一个最优的各手指位置布置尺寸，使得灵巧手包络抓取物体的尺寸最大。除DLR/HITⅡ在设计过程中直接限定了拇指和中指合拢时抓取圆柱物体最大半径70mm外，其他灵巧手在设计过程中鲜有提及手指位置布置的问题。因此，针对提出的该问题，为获得最优的手指位置布置方式及最大的抓取物体范围，提出一种多指灵巧手的手指位置布置方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种多指灵巧手的手指位置布置方法，在仿人多指灵巧手的设计过程中，在手指的结构及尺寸等确定的情况下，本发明能够获得最优的手指位置布置方式及最大的抓取物体范围。

人类的每个手指(不包括拇指)具有三个指节，以及左右摆动和张开闭合两种运动方式，“左右摆动”具有一个自由度，“张开闭合”具有三个自由度。本发明的技术实施过程仅涉及到灵巧手指“张开闭合”的运动方式，且每个手指的结构完全相同。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种多指灵巧手的手指位置布置方法，该手指位置布置方法中仅涉及手指的“张开闭合”的运动方式，具有三个自由度，且每个手指的结构完全相同；具体步骤如下：

第一步：确定具有相对运动的两手指的最优位置。

步骤1：建立具有相对运动的两手指“恰好”完全包络抓取圆柱物体的平面简图，两手指于手掌平面上的垂直距离为L，圆柱物体的直径为D。所述的“‘恰好’完全包络抓取圆柱物体的平面简图”的含义是：两手指的指尖重合下所能包络的最大内切圆；具有相对运动的两手指可位于同一平面，亦可不在同一平面。相对运动指两手指具有相对“张开闭合”转动。

步骤2：分析平面简图中各参数间存在的几何关系，建立关于L和D的隐函数关系f(L，D)＝0，其实现过程为；

步骤2.1：手指的上、中、下三个指节长度顺次为L₁、L₂、L₃，每个指节与内切圆相切的切点与指节两端点的距离分别为l′₁、l″₁、l′₂、l″₂、l′₃、l″₃，每段距离所对应的内切圆的夹角分别为θ′₁、θ″₁、θ′₂、θ″₂、θ′₃、θ″₃；L与内切圆相切的切点与L₃位于手掌上的端点的距离为l′₄，l′₄所对应的内切圆的夹角为θ′₄；

首先找出各距离参数间存在的几何关系，如下：l″₁＝l′₂；l″₂＝l′₃；l″₃＝l′₄；

根据该几何关系，得到：

步骤2.2：找出各角度间存在的几何关系，如下：θ″₁＝θ′₂；θ″₂＝θ′₃；θ″₃＝θ′₄；

根据该几何关系，得到：π＝θ′₁+2θ′₂+2θ′₃+2θ′₄；

同时又存在如下几何关系：

步骤2.3：将步骤2.1和2.2中各式带入π＝θ′₁+2θ′₂+2θ′₃+2θ′₄中，得到：

令A＝2L₁-2L₂+2L₃，B＝2L₂-2L₃，C＝2L₃，通过求解反三角函数，化简得到：

其中，

L₁、L₂、L₃为已知的指节长度，即建立起关于L和D的隐函数f(L，D)＝0。

步骤3：求解隐函数f(L，D)＝0的极值，选取各极值点中存在的最大值D，最大值D所对应的L即为两手指间相对布置的最优距离。

第二步，确定其他手指相对于第一步中手指的最优位置

步骤1：对于一个手指布置方式确定的多指灵巧手，记垂直于L方向且位于同一侧的两相邻手指(即两手指具有相同方向的“张开闭合”运动)间距离为L′，垂直于L方向的各手指宽度为L″。

步骤2：根据各手指位置布置方式的不同，L′有两种取值方式，①L′＝L″+M，②L′＝2(L″+M)，M的取值一般为2～5mm；其中，L′＝2(L″+M)适用于手指呈等腰三角形方式布置的三指灵巧手。

至此，仿人多指灵巧手各手指的位置被确定下来。

上述手指位置布置方法中还适用于两指节的手指结构，取L₁＝0。

上述手指位置布置方法适用于二手指、三手指、四手指、五手指灵巧手，灵巧手的各手指结构完全相同。特别的，对于二指灵巧手，只需计算“第一步”即可。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在现有的灵巧手设计过程中，其手指位置的布置方式一般是基于仿人手指布置的思想，但仿人手指的布置方式与灵巧手抓取物体的尺寸范围并没有直接的关系，因此，设计出来的这类灵巧手在抓取物体的尺寸范围方面往往没有特别明显的优势。实际上，在手指结构和尺寸都确定的情况下，存在一个最优的各手指位置布置尺寸，使得灵巧手包络抓取物体的尺寸最大。本发明所提出的一种多指灵巧手的手指位置布置方法有效解决了该问题，在手指具有相同结构尺寸的条件下，使得灵巧手能获得最大的包络抓取物体尺寸，提高了灵巧手的应用范围。

附图说明

图1是本发明实例所用的三指灵巧手手指的一种布置形式。

图2是本发明实例中所建立的具有相对运动的两手指“恰好”完全包络抓取圆柱物体的平面简图。

图3是本发明实例中所建立的隐函数f(L，D)＝0的图像。

图4是本发明两指手手指的一种布置形式。

图5是本发明中三指灵巧手手指的一种布置形式。

图6是本发明中四指灵巧手手指的一种布置形式。

图7是本发明中四指灵巧手手指的一种布置形式。

图8是本发明中四指灵巧手手指的一种布置形式。

图9是本发明中五指灵巧手手指的一种布置形式。

图10是本发明中五指灵巧手手指的一种布置形式。

图中，1第一手指；2第二手指；3第三手指。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

一种多指灵巧手的手指位置布置方法，以三手指三指节为例详细阐述本发明。

如图1所示，第一手指1、第二手指2、第三手指3的结构完全相同，第二手指2、第三手指3属于相邻手指，1和2以及1和3属于具有相对运动的手指，手指2和3距离为L＇，手指1和2在水平方向的垂直距离为L，竖直方向上的手指宽度为L″，竖直方向上的手指1和2的最小距离为M，竖直方向上的手指1和3的最小距离为M。

根据图1所示的手指布置形式，建立具有相对运动的1和2(或1和3)两手指“恰好”完全包络抓取圆柱物体的平面简图，如图2所示，由于手指结构相同，因而该简图左右对称。手指的上、中、下三个指节长度顺次为L₁＝35、L₂＝35、L₃＝56，每个指节与内切圆相切的切点与指节两端点的距离分别为l′₁、l″₁、l′₂、l″₂、l′₃、l″₃，每段距离所对应的内切圆的夹角分别为θ′₁、θ″₁、θ′₂、θ″₂、θ′₃、θ″₃，L与内切圆相切的切点与L₃位于手掌上的端点的距离为l′₄，l′₄所对应的内切圆的夹角为θ′₄，内切圆的直径为D。

首先找出各距离参数间存在的几何关系，如下：l″₁＝l′₂；l″₂＝l′₃；l″₃＝l′₄；

根据该几何关系，可以得到：

接着，找出各角度间存在的几何关系，如下：θ″₁＝θ′₂；θ″₂＝θ′₃；θ″₃＝θ′₄。

根据该几何关系，可以得到：π＝θ′₁+2θ′₂+2θ′₃+2θ′₄。

同时又存在如下几何关系：

将上述各式带入π＝θ′₁+2θ′₂+2θ′₃+2θ′₄中，可以得到：

通过求解反三角函数，化简得到：

其中，

求解隐函数f(L，D)＝0的极值，如图3所示，选取各极值点中存在的最大值D＝94.96，最大值D所对应的L＝85.04即为两手指间相对布置的最优距离。

根据各手指位置布置方式的不同，L′有两种取值方式，①L′＝L″+M，②L′＝2(L″+M)，M的取值一般为2～5mm。如图1所示，采取方式②来计算L′，L′′＝21，取M＝3，那么L′＝2×(21+3)＝48。

至此，各手指间的相对位置即确定了下来。

在上述实例分析计算过程中，取L₁＝0，即适用于两指节的手指结构形式。

该多指灵巧手的手指位置布置方法同样适用于其他二指、三指、四指、五指灵巧手，如图4～10所示；图4所示为两指手手指的一种布置形式，此种情况下的L′＝0，L的确定方式同上述实例；图5所示为三指灵巧手手指的一种布置形式，此种情况下需要采取方式①来计算L′，L的确定方式同上述实例；图6所示为四指灵巧手手指的一种布置形式，此种情况下需要采取方式①来计算L′，L的确定方式同上述实例；图7所示为四指灵巧手手指的一种布置形式，此种情况下需要采取方式①来计算L′，L的确定方式同上述实例；图8所示为四指灵巧手手指的一种布置形式，此种情况下需要采取方式①来计算L′，L的确定方式同上述实例；图9所示为五指灵巧手手指的一种布置形式，此种情况下需要采取方式①来计算L′，L的确定方式同上述实例；图10所示为五指灵巧手手指的一种布置形式，此种情况下需要采取方式①来计算L′，L的确定方式同上述实例。

本发明的适用范围包括但不局限于上述所列举的多指灵巧手的手指布置形式。

Claims (3)

1.一种多指灵巧手的手指位置布置方法，其特征在于，所述的手指位置布置方法中仅涉及手指“张开闭合”的运动方式，具有三个自由度，且每个手指的结构完全相同；具体步骤如下：

第一步：确定具有相对运动的两手指的最优位置；

步骤1：建立具有相对运动的两手指“恰好”完全包络抓取圆柱物体的平面简图，两手指于手掌平面上的垂直距离为L，圆柱物体的直径为D；所述的“‘恰好’完全包络抓取圆柱物体的平面简图”的含义是：两手指的指尖重合下所能包络的最大内切圆；具有相对运动的两手指可位于同一平面，亦可不在同一平面；

步骤2：分析平面简图中各参数间存在的几何关系，建立关于L和D的隐函数关系f(L，D)＝0，其实现过程为；

步骤2.1：手指的上、中、下三个指节长度顺次为L₁、L₂、L₃，每个指节与内切圆相切的切点与指节两端点的距离分别为l′₁、l″₁、l′₂、l″₂、l′₃、l″₃，每段距离所对应的内切圆的夹角分别为θ′₁、θ″₁、θ′₄、θ″₂、θ′₃、θ″₃；L与内切圆相切的切点与L₃位于手掌上的端点的距离为l′₄，l′₄所对应的内切圆的夹角为θ′₄；

首先找出各距离参数间存在的几何关系，如下：l″₁＝l′₂；l″₂＝l′₃；l″₃＝l′₄；

根据该几何关系，得到：

步骤2.2：找出各角度间存在的几何关系，如下：θ″₁＝θ′₂；θ″₂＝θ′₃；θ″₃＝θ′₄；

根据该几何关系，得到：π＝θ′₁+2θ′₂+2θ′₃+2θ′₄；

同时又存在如下几何关系：

步骤2.3：将步骤2.1和2.2中各式带入π＝θ′₁+2θ′₂+2θ′₃+2θ′₄中，得到：

令A＝2L₁-2L₂+2L₃，B＝2L₂-2L₃，C＝2L₃，通过求解反三角函数，化简得到：

其中，

L₁、L₂、L₃为已知的指节长度，即建立起关于L和D的隐函数f(L，D)＝0；

步骤3：求解隐函数f(L，D)＝0的极值，选取各极值点中存在的最大值D，最大值D所对应的L即为两手指间相对布置的最优距离；

第二步，确定其他手指相对于第一步中手指的最优位置

步骤1：对于一个手指布置方式确定的多指灵巧手，记垂直于L方向且位于同一侧的两相邻手指，即两手指具有相同方向的“张开闭合”运动，间距离为L′，垂直于L方向的各手指宽度为L〞；

步骤2：根据各手指位置布置方式的不同，L′有两种取值方式，①L′＝L″+M，②L′＝2(L″+M)，M取2～5mm；其中，L′＝2(L″+M)适用于手指呈等腰三角形方式布置的三指灵巧手；

至此，确定仿人多指灵巧手各手指的位置。

2.根据权利要求1所述的一种多指灵巧手的手指位置布置方法，其特征在于，所述的手指位置布置方法还适用于两指节的手指结构，取L₁＝0。

3.根据权利要求1或2所述的一种多指灵巧手的手指位置布置方法，其特征在于，所述的手指位置布置方法适用于二手指、三手指、四手指、五手指灵巧手，灵巧手的各手指结构完全相同；对于二指灵巧手，只需计算“第一步”即可。

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