基于特征点集的五指灵巧手主从映射方法

　　近二十几年来,由于工程应用的迫切需要,多指灵巧手的各项研究工作得到了迅速的发展,这其中手指的运动规划是进行灵巧手轨迹规划、抓持操作规划和控制的基础,其重要性不言而喻。对于灵巧手的主从映射问题,目前主要有两种解决的方法:一种是指尖位置的映射,它将人手指尖在其手掌坐标系的位置映射为灵巧手指尖在其手掌坐标系位置,然后利用运动学反解得到灵巧手关节的角度,进而实现指尖的位置控制。文献[1]利用灵巧手指尖到指尖的映射,保证了抓持过程中灵巧手指尖位置的精确性,文献[2]进一步研究了通过主从手指尖位置增量的线性比例映射方法,使得运动映射更加简单直观,符合人的直觉,人手容易控制。但是它们都没有解决主从手位姿相似性的问题。为了能够应用这种方法,求得灵巧手的运动学反解,大部分研究都将灵巧手的近端指间关节和远端指间关节进行线性耦合,本身这种耦合方式就与人手的运动状态存在较大的差异,并且由于要计算灵巧手反解的问题,尤其是在无法得到解析解得情况下,使得灵巧手的控制周期大大加长。第二种方法是将人手的关节运动直接通过一定的关系映射为灵巧手关节的运动,这种方法简单高效,不需要涉及运动学反解,但是它要求主从手在结构上具有一定的相似性,并且对于如何评价主从映射参数的好坏,目前还没有明确的指标。在主从操作系统中,因为人手不需要直接抓持物体,只需要通过观察灵巧手相对物体的位置,凭经验做出下一个动作,从而实现灵巧手的动作,所以相对来讲,直接对灵巧手指尖位置的精确控制显然并不那么重要,而使人手能够容易地判断下一步动作就显得实际得多。因此,能够使主从手运动具有最大的相似性在主从控制中就具有十分重要的实际意义。

　　下面所论述的灵巧手机构采用了超声电机作为驱动元件,利用其低速大转矩的特性,避免了齿轮减速装置。不仅使得整个灵巧手的结构紧凑而小巧,而且可以省出空间放置足够的驱动电机,实现手指各关节驱动的相互独立,在机构上完全符合人手指的生理机构,同时文中利用特征点集的概念,将求取广义距离的最小值作为主从映射参数好坏的评定指标,完成了优化算法,实验表明了方法的有效性和可行性。

　　1　机械结构

　　从工程的角度而言,人手抓持物体时,手指关节的转动速度是较低的。超声电机的特性之一是在低速时能提供大的扭矩,这是传统的电磁电机所不能比拟的。因而,采用超声电机可以实现直接驱动,无需减速齿轮装置。

　　图1所示为利用超声电机设计的五指灵巧手。它由一个大拇指和结构完全相同的其它四指构成,每根手指有四个自由度,这样整个灵巧手共有20个自由度,与人手结构相仿,所有关节都采用南京航空航天大学精密驱动研究所研制的TRUM-30型超声电机驱动,手指关节和电机之间采用线驱动的方式,图1中黑色部件就是用于关节驱动的超声电机。其详细结构可参考文献[3]。