智能机器人灵巧手的研究

介绍了过去几年DLR开发的一型和二型手．DLR－I手是一种多传感器4指手,它具有12个关节（每个手指具有3个关节）。这些关节集成在手指和手掌内,作为世界上最复杂的机械手之一的DLR－I手共具有112个传感器,大约1000个机械零件和1500个电子元件。手的关键部件是人工肌肉,这是一种小巧但动力很强的线性驱动器,它是首先实现替代液压和气压驱动器的机电驱动器之一,基于DLR－I手的实验结果研制的DLR－Ⅱ手具有以下4个明显的优点：（1）可重构的手掌;（2）易于维护的开放式结构;（3）采用了新的通讯结构,使得手的引出线从DLR－I手的400根减少到12根;（4）为实现手的精确操作,每个手指的指尖安装了一个微型6维力／力矩传感器,每个手指指尖的输出力从10N增加到了30N。DLR－Ⅱ手将在服务机器人领域发挥重要的作用。     

基于弹性铰链的仿人型肌电假手设计

截肢患者需要外形与人手相似、重量轻、体积小,并且具有人手大部分抓取功能和适当操作功能的假手,基于对人手骨骼结构和功能的分析,提出了一种仿人型肌电假手设计.该假手具有5只手指和4个自由度,分别由4个独立的驱动器进行控制;手指的关节基于弹性铰链进行设计,相邻的指骨间通过螺旋弹簧连接;除拇指外,每只手指均为单自由度,关节之间的运动通过腱驱动耦合实现;驱动系统设计安装在手掌内,具有紧凑的结构,对各个手指的运动灵活控制.通过对手指的运动学分析以及对假手功能的模拟证实,该假手能够实现日常生活中大部分的手势和抓取功能.     

气动人工肌肉驱动仿人灵巧手的结构设计

研究一种气动人工肌肉驱动的多指仿人灵巧手的结构设计. 通过分析正常人体解剖学,针对人类手掌的外形结构、驱动形式及运动规则,设计了一种5指仿人灵巧手. 该灵巧手有5个手指、19个自由度,在外观和功能上与人手接近;手指采用气动人工肌肉驱动,以柔索传动. 实验结果表明,该仿人灵巧手具有很好的柔顺性,并且整体外形和手指关节的运动范围均能达到拟人的效果.     

三指灵巧手的结构优化设计

对多指灵巧手结构形式进行了优化分析，对手指参数、三指灵巧手位姿进行了优化设计．得出了包括1个手掌、3个手指、9个回转关节的灵巧手结构，该结构既适合于抓取物体又具有较好机械特性，为以后灵巧手的控制研究提供基础．     

手指运动姿态检测及假肢手指动作实时控制

设计了一种通过实时检测手指关节弯曲角度控制假肢手指动作的实验系统.系统主要由手指运动姿态实时检测、关节角度分析、控制与驱动电路、欠驱动机电假肢手4部分组成,假肢手包含拇指、食指、中指3个独立动作的手指;利用加速度传感器ADXL330实时检测手指运动姿态信息,由DSPTMS320F2812微处理器实时检测手指关节运动的瞬时角度变化并进行PWM脉冲编码,控制步进电机运动以驱动假肢手指关节转动.并分别对加速度传感器检测手指运动和假肢手指动作实时控制进行了实验测试;实验结果表明,系统采用的加速度传感器ADXL330能实时检测手指运动姿态,利用手指关节角度信息能有效驱动假肢手指屈伸,并通过三指配合完成抓握动作.     

高灵敏度离子皮肤手指关节角度传感器的设计

为解决柔性传感器监测手指关节运动时灵敏度、测量范围及阈值有限的问题,设计并制备了一种多介电层(3层)结构形式的离子皮肤手指关节角度传感器。该传感器由多个硅橡胶薄膜和高保水性的离子凝胶电极构成,当穿戴传感器的手指关节弯曲时,根据应变引起其电容信号的变化,可测得手指关节弯曲角度。构建多介电层结构形式的离子皮肤应变传感理论模型;推导多介电层离子皮肤手指关节角度传感器的角度传感理论模型;测试传感器输出与手指关节角度关系。实验结果表明,传感器角度传感理论模型与测试结果吻合较好;传感器灵敏度为单介电层离子皮肤手指关节角度传感器的3.5倍,测量范围囊括手指关节从展平到完全弯曲状态角度,阈值小于1°,具有灵敏度高、测量范围广和阈值低的特性。离子皮肤多介电层的结构形式及理论模型对康复训练患者及微操纵机械手的精准测量具有较好应用前景。     

高欠驱动的拟人机器人多指手

为改进清华大学研制的TH-1型拟人机器人手的传动机构,设计了一种欠驱动手指机构。该手指机构可用于拟人机器人手上,以较少的驱动器获得较多的关节自由度,同时获得较好的自适应抓取功能,降低装置对控制系统的要求。以该欠驱动手指机构为基础,设计了一种高欠驱动的拟人机器人多指手——TH-2手。研究结果表明:TH-2手具有高度拟人化、高欠驱动和高集成度,以及实时控制容易、体积小、质量轻、抓取功能较强等优点;TH-2手适合安装在拟人机器人上使用。     

微直线驱动器位置模糊控制

由于传统机器人末端夹持器的局限性,近十几年来,仿人多指灵巧手得到很大的发展.针对用于手指关节驱动的微直线驱动器的位置控制,提出一种变结构模糊控制方法,解决了在负载变化较大情况下的控制问题.仿真与实际应用的结果证明了该方法的有效性.     

用于手部康复的热塑性聚氨酯软体驱动器研究

针对软体康复训练手套制作流程复杂和辅助力低等问题，文章基于热塑性聚氨酯(thermoplastic polyurethane, TPU),借助3D打印技术，研制具有单、双向软关节的分段式气动软体驱动器。通过有限元软件建立TPU材料超弹性本构模型，仿真分析软体驱动器弯曲特性，试验测试研究软体驱动器弯曲角度、运动轨迹和握力，结果表明，软关节特性满足人手关节最大弯曲角度120°需求，软体驱动器弯曲状态与人手运动轨迹相符，最高握力达11.5 N。直接3D打印的软体驱动器制作简单，辅助力强，满足手指康复训练需求，为手功能损伤患者提供一种更加安全有效的康复训练设备。     

欠驱动灵巧手的优化设计及仿真分析

传统欠驱动机械手的运动空间相对固定、操作功能单一,对抓取物没有较强的自适应性,为此设计一种新的连杆式欠驱动灵巧手机构,并进行设计优化和仿真抓取实验。阐述了该灵巧手的整体机构设计及工作原理,其可实现包络和指尖两种抓取模式。根据手指的几何尺寸采用协同耦合方式设计手掌尺寸,利用可变手掌协同手指抓取,提高了灵巧手在抓取形状复杂和不同尺寸物体时的自适应性。基于虚功原理建立灵巧手单指各关节的接触力模型,针对抓取过程中存在的抓取力不足及抓取不稳等问题,使用NSGA-II优化算法对单指机构的杆长进行尺度综合。利用建立的虚拟样机进行仿真抓取实验,结果表明,该灵巧手具有较强的自适应性,能够稳定抓取多种形状和尺寸的物体。     

一种曲柄滑块机构型机械手的设计

提出一种曲柄滑块机构型机械手,它具有结构简单,操作灵巧,控制容易。两手指仅用一个电机驱使手指开闭操作。文中描述了机械手的结构设计与手指位移分析,与现有的多指灵巧手和欠驱动多指杆机器人手相比,这种机械手的结构更为简单、紧凑,且能减少控制的复杂性。     

变胞多指灵巧手手掌尺度综合

分析新型的变胞多指灵巧手,设计一个能完成3种指尖抓持姿态的手掌.多指灵巧手变胞功能增强了机器手的灵巧度并增大了其工作空间,当手掌杆件静止时,每个手指都在一个平面内运动.由此提出手指操作平面的概念,从而将研究抓取姿态的问题转化为研究手指操作平面单位法向量的问题.建立球面变胞手掌的全局坐标系,得到3个手指平面的单位法向量在此全局坐标系下的表示,将抓取姿态映射成为姿态直纹面.分析3种常用指尖抓持姿态,得到实现抓持姿态时手掌需要满足的条件,并转化为非线性方程组的求解问题,得到满意的数值解.最后利用三维造型软件进行仿真,验证了计算的正确性.     

基于手指骨架提取的手形识别方法

针对使用非接触式手形采集仪采集手形时,手掌图像的指根处轮廓会因手掌张开幅度不同而出现不同程度的变形,增加手形精确定位和手形识别的难度这一问题,提出一种不受指根处轮廓变形影响的手形识别算法。该算法首先提取出细化的手指骨架,其次拟合手指骨架并定位手指中线,然后提取与指根部无关的指形特征,最后,计算注册样本与待识别样本的差异特征统计值并进行判别决策。研究结果表明:本文提出的手形识别算法对指根处轮廓变形有着较强的鲁棒性,识别率可达99.62%。     

一种丝杆螺母机构型机械手的设计

文章提出一种丝杆螺母机构型机械手,它具有结构紧凑,操作灵巧,控制容易的特点。多指手仅用一个电机驱使手指的开闭操作。文中描述了机械手的结构设计与手指的运动分析与力分析,与现有的多指灵巧手和欠驱动多指杆机器人手相比,这种机械手的结构更为紧凑,且能减少控制的复杂性。     

采用表面肌电信号的手指关节角度精确感知方法

针对目前采用肌电信号的手指关节角度连续解码误差较大,导致肌电假肢手运动效果较差的情况,提出了一种应用表面肌电信号、深度回归森林模型和人工神经网络相结合的手指关节角度连续精确感知方法。首先,应用基于滑动时间窗的特征提取器从前臂8个通道的肌电信号中各提取7种肌电信号特征(肌电信号的平均绝对值、积分肌电值、均方根、波形长度、对数特征、过零点数、斜率符号变化数),输入深度森林回归模型得到具有较大波动的掌指关节估计角度;然后,采用人工神经网络对这些掌指关节估计角度进行优化,以创建一种深度森林回归模型与人工神经网络相结合的综合回归模型;最后,利用该综合回归模型对采集到的表面肌电信号进行连续精确解码,得到肌电假手掌指关节角度控制量,其余手指关节角度可通过比例控制得到。采用所提方法进行实验验证,结果表明：所提方法的平均轨迹跟踪精度比传统高斯过程方法提高了42%,达到82.12%,证明所提方法对基于肌电信号的手指关节角度估计具有非常优良的效果。     

LRMTS（3v）和LRDTS（3v）的构作

本文给出了构造ＬＲＭＴＳ（３ｖ）及ＬＲＤＴＳ（３ｖ）的一种途径，其中ｖ≡１（ｍｏｄ３）。特别，利用这一方法，我们得到了ＬＲＭＴＳ（１２）和ＬＲＤＴＳ（１２）的存在性。这一阶数是关于不相变可分解Ｍｅｎｄｅｌｓｏｈｎ（及Ｄｉｒｅｃｔｅｄ）三元系大集的最小未知阶数。     

钢琴演奏中的手指技巧

成功的钢琴演奏，首先必须明确认识钢琴这一乐器所具有的可能性与局限性，从而确定自己的活动范围，然后必须探索并发现钢琴内部所蕴藏的音质的表现力的全部能量。但是，这种能量的体现又必须以手指的技巧为基础，通过某些看来作用很小，不受注意的法则来取得。我们在刚开始接触钢琴并要用手指在其上弹奏时，就必须注意一个很基本的问题———手型的正确性：它是钢琴弹奏的一个重要的环节，是手指技巧的先决条件。手型的姿式，关键就是轻松自如地使手指略向里弯曲，拍掌关节处呈半圆形。为何要保持这样的状态呢？我们可以试验一下，当一个人…     

基于可重构虎克铰链副的仿人变胞手设计与分析

三指手能够模仿人手的大拇指、食指和中指的姿态,从而实现仿人手的动作.变胞手掌的引入,更加提升了机械手的工作空间以及抓取可适应性.着眼于对手掌的仿生设计,基于可重构虎克铰链副(r T铰链副),设计出一款新型的仿人变胞手,使机械手可以部分模拟出人手的真实动作,从而增强机械手在空间中的抓取能力.将含有r T铰链副的六杆机构作为机械手的手掌,基于r T铰链副的可重构特性,使机械手的手掌在r T铰链副的不同构态下呈现出不同的运动方式,变胞手的手掌操作平面与Oxy平面的倾角以及手掌工作空间的大小也可以呈现不同的变化.因为当手指长度固定时,若要获得最大操作空间,机械手手掌的半径与物体半径有近似正比例对应关系,因此机械手掌半径的较大变化有利于提高机械手的抓取灵活性.此外,此机械手掌在非奇异构型下的单自由度特性也有利于机械手的控制,提高其工作稳定性.运用旋量系分解与基于公共约束和冗余约束的活动度扩展准则分析了该手掌在其工作空间内两个奇异位姿及其过渡姿态的活动度,并计算了新型变胞手在不同工作模式下手掌的工作空间大小及手掌工作平面位置,同时给出了手指操作平面倾角的变化与手掌半径的变化,展示了采用此变胞机构作...     

绿泥石中α=102°的规则一层多型之实际发现

Bailey等从理论上已推导出绿泥石中共有 12种不同的规则一层多型。其中 2种多型的轴角α =10 2° ,其余 10种则均为α =90° .迄今在自然界已发现的仅有α =90°的 3种规则一层绿泥石多型 (Ⅱb - 2 ,Ⅱb - 4和Ⅰa - 4型 ) .根据透射电镜观察 ,在采自山东泗水圣水峪作为镁普通角闪石蚀变产物的辉绿泥石中 ,发现了由两种不同的规则一层绿泥石多型构成的体衍交生体 ,并确认了其中一种为属于α =10 2°的Ⅰb - 3或Ⅱab - 4的规则一层多型 ;另一种则为α =90°的一种未确定的多型。根据对 [10 0 ]晶带选区电子衍射花样测定的结果 ,该Ⅰb - 3(或Ⅱab - 4 )多型的晶胞参数为c0 =1.4 6 0nm ,b0 =0 .92 6nm及α =10 2° ;此外 ,并可推定其 β≈ 90° ,γ≈ 90°以及a0 ≈ 0 .5 35nm ,空间群为C1或C1.     

适用于力反馈数据手套的被动力觉驱动器

为了克服目前力反馈数据手套存在的安全性差、力再现范围小等不足,提出了一种磁流变液被动力觉驱动器实现方法.利用液体智能材料磁流变液在磁场作用下毫秒级时间内能连续、可逆地由牛顿流体状态转变为类似固体状态的特殊性能,设计了一种被动力觉驱动器;介绍了该驱动器的结构和实现原理,利用电磁场有限元分析方法分析了驱动器的电磁特性,在此基础上建立了驱动器的动力学模型,讨论了输出力的动态范围并进行初步实验验证.最后利用研制的驱动器原型构建了单手指力反馈数据手套并进行了初步实验.实验结果证明,基于磁流变液的被动力觉驱动器利用流体传递力,增加了输出力的稳定性,多旋转片结构使输出力增大2倍,并具有安全性好、力再现范围大等优点.