人类手指抓取过程关节的运动规律研究

人类手指抓取过程关节的运动规律研究 杨庆华 张立彬 阮 健 胥 芳 鲍官军 沈建冰 浙江工业大学机械电子工程研究所 ,杭州 ,310032 摘要 :根据手指外科解剖学原理以及手指关节的运动特性 ,对单手指的抓 取运动进行了分析 ,讨论了两种常见的运动规律的角位移 、角速度和角加速度 的特点 。通过一个独特的实验 ,对手指运动过程的关节角位移进行了测定并 对单手指关节转角运动进行解析模拟和对比 ,结果明 ,关节转角的运动符合 一定的运动规律 。研究结果对手指的运动仿真和控制具有指导意义 。 关键词 :关节 ;运动特性 ;运动规律 ;手指关节运动 中图分类号 : TH112 . 2( ) 文章编号 : 1004 - 132 ?200413 - 1154 - 04 杨庆华 副教授 Investigation into the Motion La w of Human Finger Joint During Gra sping Yang Qinghua Zhang Libin Ruan J ian Xu Fang Bao Guanjun Shen J ianbing Zhejiang University of Technology , Hangzhou , 310032 Abstract :Based on the hand surgery anatomy and the kinematic characteristics of finger joints , the motion range of grasping objects for single finger was analyzed. Firstly , the characteristics of angular displacement , angular velocity and angular acceleration for two typical motion laws were discussed. And then , a special experiment was designed for describing the finger’s motion. The angular displacements of joints during the procedure of motion were measured . Finally , the movements of bending angles of single finger joint were analyzed and contrasted with two mo2 tions’laws. The results show that the motions of the bending angular of joints agree well with certain motion laws. The results possess guidline value for the imitation and control of robotic finger’s motion. Key words :joint ; kinematic characteristics ;motion law ;movement of finger joint 生确定的相对运动 。常见的运动副有转动副 、移 0 引言 ,它们的约束数分 动副 、螺旋副 、圆柱副和球面副 人手现已成为机器人学者进行机器人设计 ,别为 5 、5 、5 、4 和 3 ,相应的自由度数目为 1 、1 、1 、2 实现其灵活控制的思考源泉 。为了使机器人的末 和 3 。由于多指灵巧手各运动副中的运动变量都 端操作器对不同形状和不同性质的物体具有抓 、 要借助于各个驱动器来实现 ,而无论是转动的驱 动器或移动的驱动器又大多为一个自由度 ,所以 握 、夹 、拿等功能 ,目前越来越多的机器人学者对 在多指灵巧手中所采用的运动副类型 ,实际上只 多手指机械手感兴趣 。机器人多指手抓取和操作 有转动副 、移动副和螺旋副三种 。移动副和螺旋 的研究已经成为当今科技领域中一个重要的研究 副能够获得直线运动 。而在具有相同数目运动副 1 ,3 主。在多指手的设计 、抓取综合 、多指运动 的手指中 ,包含移动副或者螺旋副的手指 ,其灵巧 学 、感知及控制等领域已经取得了许多进展 。灵 性比完全由转动副所组成的手指明显要差 ,灵巧 4 性是多指灵巧手追求的目标 ,目前手指的运动副 巧手的研制得到了机器人学者的青睐。 多指5 ,7 全部是采用转动副。 灵巧手的机构与其他机构一样 ,由若干 我们所研究的问题是根据手功能外科解剖学 构件组成 ,构件之间则通过运动副彼此连接 ,以产 收稿日 期 :2003 - 12 - 15 2 Vladimir M V , Victor V L . Mathematical Modelling of Three - dimensional Electrochemical forming of Compli2 作者简介 :李志永 ,男 ,1976 年生 。南京航空航天大学机电学院博 士研究生 。主要研究方向为特种加工新技术和新工艺等 。朱 cated Surfaces. Journal of Materials Processing Technolo2 荻 ,男 ,1954 年生 。南京航空航天大学机电学院教授 、博士研究生 () gy , 2001 ,109 3:314,319 导师 。孙春华 ,女 ,1966 年生 。南京航空航天大学机电学院副教 Domanowski P , Kozak J . Inverse Problems of Shaping by 3 授 、博士后研究人员 。王 蕾 ,女 ,1977 年生 。南京航空航天大学 机电学院博士研究生 。 Electrochemical Generating Machining. Journal of Materi2 () al Technology ,2001 ,109 3:347,353 () 编辑 马尧发 , 可以得出手指运动时的指 根据图示坐标系 的手指构造 ,分析手指各关节与指骨之间的相互 [10 ] 位置关系与运动特点 ,从中找出手指在抓取物体 尖轨迹方程 θθθ0 cos - sin lcos x 111 1 过程中各个关节的运动规律 ,以求运用于多指灵 θθθy sincoslsin 0 111 1巧手的运动与控制 ,以便在机器人或其他领域中 = ? z 0 0 0 1 得到运用 。 1 0 0 1 0 θ θθθ- sin 0 1 手指关节的运动 coslcoslcos 222 23 3 θθθθsincos0 lsinlsin 222 23 31. 1 手指关节的运动范围 ()1 ? 0 0 1 0 0 根据手外科解剖学 ,我们来分析拇指和其余 0 0 1 1 0 4 指的各关节的屈伸范围 。 拇指掌指关节为双轴 向关节 ,但近似屈戌关 2 实验分析 节 ,主要作屈伸运动 。掌指关节的屈曲范围为 0?实验准备 2 . 1 ,20,?后伸为 5;?拇指指间关节为屈戌关节 ,可屈 伸 为了获取手指在抓取过程中的运动规律 , 我 0,?90;?拇指外展范围 0?,40。? 们设计了一个实验 , 实验过程如下 。 食指 、中指 、无名指 、小指的运动范围 ,即第 2手指的指骨长度及手指机构连杆长度的 2 . 1 . 1 ,5 指的掌指关节的主要运动是外展 、内收 、屈 、 测量伸和环转 ,还可作有限度的被动旋转活动 ,我们所 首先对食指进行 X射线拍片 , 目的是得到第 2 要研究的掌指关节屈伸为 0?,90;? 第 2,5 指的 近指各指骨段的大小尺寸 , 以及运动关节所处位置 侧指间关节屈伸 0,?100;? 远侧指间关节屈曲 特点 。通过拍 X 光片 ,可以看到食指的指骨位置情 8 ,9 0,?90?。况 , 并 测 得 实 验 手 指 掌 1. 2 单个手指关节的运动分析 指指 骨 、近 侧 指 指 骨 及我们把单个手指的掌指关节以上部分作为研 远侧指指骨的长度分别究对象 , 并对手指的 指 骨 和 关节用连杆和铰链为 44mm 、24mm 和 来进行简 17mm , 见图 3 。这样可以 化 ,建立手指抓取运动模型 。确定在图 3 所示手指机 单个手指抓取动作过程指骨 构中的连杆长度和铰链 与关 节 的 变 化 示 意 图 见 图 位置 , 通过测量得出 l、1 1 。以 食 指 为 例 , 方 便 起 见 ,图 3 实验食指的 X 光 l和 l的 长 度 分 别 为2 3 取指尖到达物体位置为与掌 位置照片 45mm 、27mm 和 23mm 。 指关节的运动中心平齐 。设 2 . 1 . 2 手指抓取动作的数据测量 图 1 单手指抓取 掌指 、近侧指及远侧 指 指 骨 动作示意图模拟用手指抓取某一物体 ,对这一过程用数 (实际为远侧指指骨延长到码相机的摄像功能对手指的整个抓取动作过程进 ) 指尖的距离到关节中心点的长度分别为 l、l和 1 2 行摄像 。我们在一个光线比较好的场地对手指动 l。l为掌指关节到抓取物体的距离 。根据 l的不3 0 0 作进行摄像 ,为防止图像抖动 ,把摄像机安装在三 同 , 我们来研究掌指关节 、近侧指关节和远侧指关 角架上 ,并通过水准尺进行调平 ,按每秒 24 幅图 θθθ节的转角 、、的变化 。 像进行拍摄 。通过摄像机自带软件取出拍摄的图 1 2 3 1. 3 手指的运动轨迹方程像并转存到影像格式 avi 文件 。随后用视频软件 按照食指机构的运动 , 建立的坐标系见图 2 。对其进行动作位置等时间分隔剪辑 ,保存为静态 图像格式 jpg 文件 ,并通过 Photoshop 对等时间间 隔的每幅图像进行处理并合成 。手指抓取动作影 像经剪辑处理后的图片合成各等时间位置图见图 4 。根据前面所测量的实验手指机构的各连杆长 度 ,绘出的手指运动过程的机构位置简图见图 5 。 同时测量出各剪辑图中掌指关节 、近侧指关节和 θθθ远侧指关节的转角 、、各位置的变化数据 , 见表 1 2 3 1 。 图 2 手指运动模型 刚性冲击又无柔性冲击 。比较符合手指关节运动 特点 。 按表 1 中的角位移实测值与摆线运动规律及 3 - 4 - 5 多项式运动规律形成 的 曲 线 图 进 行 对 比 。图 6 、图 7 为近侧指关节的实测值与上述两 种运动规律的对照图 。图中黑色的方框点代表实 测值 ,连续的线条代表这两种运动规律所描述的 图 4 剪辑图片 图 5 等时间运动 曲线 。 合成等时间位置图机构简化图 表 1 手指运动过程中各关节的等时间转角变化数据 ()θ()θ()θ序列 ? ? ? 1 2 3 1 14 . 1795 0 0 2 14 . 6274 2 . 5663 2 . 4716 3 16 . 4622 13 . 2522 10 . 9279 4 20 . 9274 38 . 2728 20 . 4977 5 25 . 4141 52 . 9879 35 . 8786 1 . 运动规律轨迹 2 . 实测值 6 34 . 1014 62 . 7974 38 . 9081 近侧指关节实测值与摆线运动规律对照图图 6 7 40 . 3536 70 . 7203 43 . 8508 8 42 . 8114 72 . 1086 45 . 1875 2. 2 角位移随时间变化分析 2. 2 . 1 角位移 、角速度及角加速度按摆线运动规 律运动的表达式 角位移 π t 1 2θ( ))(θ= - sin t2 i0 i πt 2t 0 0 角速度 θ? 1 . 运动规律轨迹 2 . 实测值 i0π 2))(cos t 3 θ(= 1 - i tt 00 图 7 近侧指关节实测值与 3 - 4 - 5 角加速度 多项式运动规律对照图 πθ2 i0π 2θ( ) 4 ?= sin ti 2 tt0 0 从各关节转角的实测值与运动规律曲线图的 式中 , i = 1 , 2 , 3 , 分别代表掌指关节 、近侧指关节和远侧 对比 ,可以看到 ,实测值基本上在运动规律曲线上 θ指关节 ;为三个关节转角所转过的角度 ; t 为时间变量 ; i0 下变动 ,比较符合所描述的运动规律 。因此 ,可以 t为整个运动用时 。0 用这两种运动规律来模拟手指抓取物体过程时关 角位移 、角速度及角加速度按 3 - 4 - 5 多 2. 2. 2 节转角的运动 。 项式运动规律运动的表达式 3 结论 角位移 t t t 3 4 5 通过上面的实验分析 ,我们认为 ,手指的运动 θ( ) θ( ) θ( ) θ()= 10- 15+ 6 5 ii0 i0 i0 t t t0 0 0 是由手指各关节的转动带动指骨的运动来完成 角速度 的 ;手指抓取物体时各关节的运动可以由一定的 θθθ? i0 i0 i0 t t t 运动规律来描述 ,研究表明摆线运动规律和 3 - 4 2 34 ( ) ( ) ( ) ( ) θ= 30 - 60 + 30 6 itttttt 0 00 00 0- 5 多 项 式 运 动 规 律 可 用 来 描 述 手 指 关 节 的 运 角加速度 动 ,因此 ,可以用一定的运动规律来控制柔性多指 θθθ i0 ti0 ti02 3 ( ) ( )()θ180 + 120 7 ?= 60 t -i 3 2 2 手的抓取运动过程 。这一结果对柔性人工手的进 t t tt0 0 t0 0 0 一步研究以及手功能康复的应用等其他领域具有 这两种运动规律的角速度轨迹和角加速度轨 积极的指导意义 。 迹均从 0 开始并以 0 结束 ,连续而无突变 ,故既无 一种计算 V 带当量摩擦系数的新方法 1112 郑大宇刘义翔申李瑰贤陈 1 . 哈尔滨商业大学轻工学院 ,哈尔滨 ,150076 2 . 哈尔滨工业大学机械工程系 ,哈尔滨 ,150006 摘要 :对现有 V 带当量摩擦计算公式做了更正 ,给出了新的 V 带当量摩 擦系数计算公式 。在公式中引入了一个新的参数 ———V 带当量摩擦系数影 响角 ,通过计算及分析可知该参数对 V 带当量摩擦系数的大小产生波动 ,但 波动的幅度较小 。在不计入随带拉力变化引起带宽改变对摩擦力影响 、相 对滑动等因素前提下 ,改进后的计算公式比现有公式更加完善 。 郑大宇 副教授 关键词 :V 带传动 ;当量摩擦系数 ;V 带轮槽角 ;V 带当量摩擦系数影响 角 () 中图分类号 : TH132 . 3 文章编号 :1004 - 132 ?200413 - 1157 - 03 A Ne w Method f or Calculating the Equivalent Friction Coeff icient of V- belt Drive 1 1 1 2Zheng DayuLiu YixiangChen ShenLi Guixian 1 . Harbin University of Commerce , Harbin , 150076 2 . Harbin Institute of Technology , Harbin ,150006 Abstract :The new formula of equivalent friction coefficient of V - belt drive has been presented to correct the traditional one . In the formula , a new coefficient ———slope angle has been introduced. Through calculation and analysis it has been reached that the slope angle produces numerical fluctuation of the equivalent friction coefficient of V - belt drive , although the fluctuation range is limited. In case that the influences such as belt relative sliding , belt width shrinking etc . have not been taken into consideration , the new formula is more perfect than ever . Key words :V - belt drive ;equivalent friction coefficient ;wedge angle ; slope angle 1 擦系数计算为基础,并由此得到便于比较和计0 引言 算的当量摩擦系数计算公式 。通常 ,带与带轮的 V 带摩擦系数计算公式的建立是以平带摩 摩擦过程可看成沿着带从紧边进入带轮 ,并从松 收稿日期 :2003 - 06 - 06 边离开 。在此过程中 ,根据带与带轮的接触位置 () 系统仿真学报 ,1997 ,9 2:76,82 参考文献 : 徐达传 . 手功能修复重建外科解剖学. 北京 : 人民 1 Yun Yung Hwan , Eoh Hong J un ,Cho J anghyeon. A two - 8 卫生出版社 ,1996 dimensional Dynamic Finger Modeling for the Analysis of 汤健. 骨科临床测量. 合肥 :安徽科学技术出版社 , 9 Repetitive Finger Flexion and Extension. International 2002 () ,248 Journal of Industrial Ergonomics ,2002 , 294: 231 蔡自兴 . 机器人学 . 北京 :清华大学出版社 ,2000 Lim Mee - Seub ,Oh Sang - Rok , Son J aebum. A Human 2 10 ()编辑 马尧发 - like Real - time Grasp Synthesis Method for Humanoid Robot Hands. Robotics and Autonomous Systems , 2000 , () 30 5:261,271 作者简介 :杨庆华 ,男 ,1964 年生 。浙江工业大学机械电子工程研 Chan J C ,Liu Yunhui . Dynamic Simulation of Multi - fin2 究所副所长 、副教授 、博士研究生 。主要研究方向为机电一体化 、 3 机器人及智能控制 、气体传动 。发表论文 20 余篇 。张立彬 , 男 , gered Robot Hands Based on a Unified Model . Robotics 1955 年生 。浙江工业大学常务副校长 , 机械电子工程研究所所 () and Autonomous Systems ,2000 , 323: 185,201 长 、教授 、博士研究生导师 。阮 健 ,男 ,1963 年生 。浙江工业大 Pennock G R , Squires C C. Velocity Analysis of Two 3 - 学机械电子工程研究所教授 、博士研究生导师 。胥 芳 ,女 ,1964 4 年生 。浙 江 工 业 大 学 机 械 电 子 工 程 研 究 所 教 授 。鲍 官 军 , 男 , R Robots Manipulating a Disk. Mech. Mach. Theory , 1979 年生 。浙江工业大学机械电子工程研究所博士研究生 。沈 () 1998 , 33 1: 71,86 建冰 ,男 ,1978 年生 。浙江工业大学机械电子工程研究所硕士研 究生 。 杨洋 ,张启先. 多指灵巧手的最佳灵巧性设计. 机 5 () 械设计 ,2001 ,18 1:22,26 6 张永德 ,刘廷荣. 机器人多指灵巧手的结构参数优 () 化分析 . 机器人 ,1999 ,21 3:234,240 卢江舟 ,熊有伦 ,赵东波. 多指手抓取操作的仿真 . 7 file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt df机及ov及ojxlkvjlkxcmvkmxclkjlk;jsdfljklem,.xmv/.,mzxlkjvolfdjiojvkldf file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt2012/8/2 16:09:56