国创项目机械手文献综述

基于机器视觉的仿人三指放书机械手

文献综述

1、引言

随着科技的发展，机器人技术是未来科技的发展方向,尤其是仿人机器人。但是仿人机器人目前还只停留在实验室阶段，还无法成为一种大规模生产的产品为大家服务。特别是仿人五指灵巧手，还只是实现了摆出各种动作，而正常的握持物体仍存在困难[1]。基于此点，我们想设计制作一种多自由度仿人三指取书机械手，一取书动作简单，三指即可实现，而且图书重量并不大，拟实现仿人三指手的稳定握持；二实用性强，特别是此机械手可以帮助残疾人或手部不便利的老人取书架上的图书，制作成服务型机器人可投入量产服务大众。为此，我们搜集了近几年的文献资料，为该项目的设计提供可行的方案。

机械手是指能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。而仿人多指灵巧手是指模仿人类具有多个手指关节的可按照指令完成人手可以完成的动作的机械装置。在研究仿人多指灵巧手的时候，会涉及机械设计、机电控制、控制系统、测试系统、材料力学等多个领域多个学科。本文将从仿人多指灵巧手和机器视觉两个方面介绍当前的研究状况。

2、机械手研究发展概况

目前，在日本和欧美等发达国家的工厂和企业中，工业机械手已经被广泛地运用来代替工人完成各类简单和重复性的工作。这类工业机械手基本上是限定在特定的环境中完成单一的操作。对于一些在繁重、危险、恶劣、极限或一般的环境下需要人手才能完成的复杂作业而言，例如捏、夹、推、拉、按、剪、切、敲等，普通的工业机械手则显得无能为力。由于和人手一样带有五个手指和手掌及分布触觉机能的五指形灵巧手具有极强的功能和很高的通用性，它完全可以代替或帮助人类在各种场合下灵巧地完成各类复杂的作业。例如，机械制造、化工生产、核电维修、军事战备、医疗手术扥。因此，各发达国家的工厂正迫切地希望研制出高性能的通用型五指灵巧手来完成上述作业[2]。

据目前的资料，最早的多指形机械手出现于1962年[3]。当时美国制造出来一种类似多指形机械手的手爪，由于该手仅仅是装配有多指的手抓，不能完成灵巧操作，因此它并不能算真正意义上的多指形灵巧手。真正的多指灵巧手出现于1974年，当时日本研制出了名叫Okada的三指形机械手[4]。Okada三指形手是多指灵巧手研究的开端。

20世纪80年代以来，日本、欧洲、美国等都积极地开展了多指灵巧手机械手的研究和试验，已经有一些非常有代表性的多指灵巧手研制成功。比较著名的有1982年美国斯坦福大学Salisbury和Craig等研制的Stanford/JPL手[5]；1984年，美国MIT和犹太大学Jacobsen、Wood、Knutti等联合研制了Utah/MIT手[6]；1992年，Jau等研制了用于航空和航天的JPL 四指形灵巧手等。

我国开展多指灵巧手的研制工作始于20世纪80年代，北京航空航天大学和哈尔滨工业大学在这方面的研究具有代表性。北京航空航天大学和哈尔滨工业大学在这方面的研究具有代表性。北京航空航天大学机器人研究所于1993年研制成功了我国第一个三指机器人手—

—BUAA-Ⅰ手，后来又研制了改进型的BUAA-Ⅱ和BUAA-Ⅲ手[7]

。1998年，以BUAA-Ⅲ和PUMA560成功构建了臂手集成系统进行了相关集成性实验。2001年，研制成功了四指灵巧手——BUAA-4手[8]。该灵巧手具有4个模块化的手指，每个手指有4个自由度。

以上的三指或四指机械手都具有一定的灵活性，能够完成相对复杂的操作，但是还是存在一些问题。首先是驱动问题，由于它们大多都是通过较长的腱连接远距离放置的执行器驱动的，在支撑机械手的机器臂前进中，机械手会被长的腱缆拉动，接触到手臂时机器臂的运动就会受阻；而且由于腱缆的弹性，会导致关节转角控制不精准；还有，他们的机械结构过于复杂，难以维护。作为商业应用，这些手还存在一定的问题，所以都只能用于实验室进行各种研究。尽管如此，这些三指、四指形机械手的设计思想、机械结构及控制系统的研究对于五指形灵巧手具有很大的借鉴意义。 3、多指灵巧手抓取规划

3.1机器人运动学[9]

一个中心位于参考坐标系原点的坐标系由三个向量表示，通常这三个向量相互垂直，称为单位向量,,n o a ，分别表示法线（normal ）、指向（orientation ）和接近（approach ）向量（如图所示）。每一个单位向量都由它们所在参考坐标系的三个分量表示。这样，坐标系F 可以由三个向量以矩阵的形式表示为：

x x x y y y z z z n o a F n o a n o a ⎡⎤⎢⎥=⎢

⎥⎢⎥⎣⎦

图3.1 坐标系在参考坐标系原点的表示

如果一个坐标系不再固定参考坐标系的原点（实际上也可包括在原点的情况），那么该坐标系的原点相对于参考坐标系的位置也必须表示出来。为此，在该坐标系原点与参考坐标系原点之间做一个向量来表示该坐标系的位置（如图3.1所示）。这个向量由相对于参考坐标系的三个向量来表示。该坐标系就可以有三个表示方向的单位向量以及第四个位置向量来表示。

0001x x x x y y y y z z z z n o a p n o a p F n o a p ⎡⎤⎢⎥⎢

⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦

图3.2一个坐标系在另一个坐标系中的表示

3.2机器人静力学[9]

在静力学上我们使用雅可比矩阵(Jacobian matrix)来讨论机器人的速度和静力学。

数学上雅可比矩阵(Jacobian matrix)是一个多元函数的偏导矩阵。

假设有六个函数，每个函数有六个变量，即：

⎪⎪

⎩⎪⎪⎨⎧===),,,,,(),,,,,(),,,,,(65432166

6543212265432111x x x x x x f y x x x x x x f y x x x x x x f y 可写成：

Y ＝F(X)

将其微分，得：

⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪

⎪⎨⎧∂∂++∂∂+∂∂=∂∂++∂∂+∂∂=∂∂++∂∂+∂∂=66622

6116666222211

226612211111d d d d d d d d d d d d x x f x x f x x f y x x f x x f x x f y x x f x x f x x f y 也可简写成： X X F

Y d d ∂∂=

上式中的(6×6)矩阵X F

∂∂叫做雅可比矩阵(Jacobian matrix)

机器人的速度：对于n 个自由度的工业机器人，其关节变量可以用广义关节变量q 表示，q ＝[q1 q2 … qn]T ，当关节为转动关节时，qi ＝ i ，当关节为移动关节时，qi ＝di dq ＝[dq1 dq2 … dqn]T 反映了关节空间的微小运动。工业机器人手部在操作空间的运动参数用X 表示，它是关节变量的函数，即X ＝X(q)，并且是一个6维列矢量（因为表达空间刚体的运动需要6个参数，即三个沿坐标轴的独立移动和三个绕坐标轴的独立转动）。因此，dX ＝[dx dy dz x y z]T 反映了操作空间的微小运动，它由工业机器人手部微小线位移和微小角位移(微小转动)组成，d 和 没差别，因为在数学上，dx= x 。于是，写出类似的方程式，即：

dX ＝J(q)dq

对式左、右两边各除以dt ，得：

t t d d )(d d q

q J X

=