一種適用于多余自由度的一種指紋靈敏度手設(shè)計(jì)

一種適用于多余自由度的一種指紋靈敏度手設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)研究是機(jī)器人其他方面研究的基礎(chǔ)。只有在理想的結(jié)構(gòu)上研究基于機(jī)器人理論、手術(shù)理論、運(yùn)動(dòng)理論、控制理論和信息集成的方法是最有效和最重要的。因此，多臂手動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究具有重要意義。已經(jīng)制造出來的這些多指靈巧手在結(jié)構(gòu)型式、結(jié)構(gòu)尺寸以及運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞方式等方面都存在一些問題.尤其是對(duì)于多指手結(jié)構(gòu)參數(shù)方面的優(yōu)化的研究還比較少,因此,有必要對(duì)多指靈巧手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的分析,并引進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,從而設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)上最優(yōu)化的多指靈巧手,為其實(shí)用化和其它方面的研究提供最理想的結(jié)構(gòu).文獻(xiàn)對(duì)多指靈巧手的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行了綜合分析,提出了一種結(jié)構(gòu)型式上最優(yōu)的多指靈巧手,如圖1所示.該靈巧手的單個(gè)手指采用了具有冗余自由度的結(jié)構(gòu)型式,如圖2所示,這種手指具有更大的靈巧性對(duì)物體進(jìn)行微細(xì)操作及抓取特殊形狀物體的能力也比非冗余自由度手指強(qiáng).本文旨對(duì)在這種冗余自由度手指進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究,并進(jìn)一步完成整個(gè)靈巧手的具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).1理想的優(yōu)化算法優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是通過對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題進(jìn)行分析,建立起合適的數(shù)學(xué)模型,主要是選定設(shè)計(jì)變量,確定目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù),再選用理想的優(yōu)化算法編程上機(jī)計(jì)算,在獲得目標(biāo)函數(shù)的最小值時(shí),同時(shí)得到設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)化值.設(shè)計(jì)變量為:各桿長(zhǎng)度L0、L2、L3;(θ0,θ1,θ2,θ3作為中間變量)約束函數(shù)主要有各設(shè)計(jì)變量的取值范圍限制、各手指之間不能相互干涉、單指各桿之間不能相互碰撞、各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍限制、避免結(jié)構(gòu)奇異等.參考人手的長(zhǎng)度,取各桿長(zhǎng)度范圍如下:各關(guān)節(jié)角度限制為2織物上位置變異面的計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的建立是整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.能充分表達(dá)手指的結(jié)構(gòu)性能、計(jì)算量小、使用靈活方便的多指手的評(píng)價(jià)指標(biāo)一直是人們追求的目標(biāo).文獻(xiàn)中選用了工作空間體積比最大、位置奇異面密度比最小和工作姿態(tài)最佳作為目標(biāo)函數(shù),對(duì)單指進(jìn)行了優(yōu)化.上式中,k1為工作空間體積比,k1=V/V0,V為手指工作空間體積,V0為手指工作空間最大體積;k2為位置奇異面密度比,k2=S/S0,S為手指機(jī)構(gòu)位置奇異面的面積,S0為手指機(jī)構(gòu)位置奇異面;k3為工作姿態(tài)最佳指標(biāo);ui(i=1,2,3)為加權(quán)因子.目前對(duì)機(jī)器人多指靈巧手進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究開展得還比較少,純粹用于多指手優(yōu)化設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)函數(shù)也就比較少.考慮到單個(gè)手指與不包含移動(dòng)副的機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)上相似,因此可以選用機(jī)器人操作機(jī)的結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)作為多指靈巧手的單個(gè)手指優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù).文獻(xiàn)提出以結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度系數(shù)QL作為機(jī)器人操作機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的評(píng)價(jià)指標(biāo).上式中,L是各桿長(zhǎng)度之和,V是工作空間體積,QL表示用最短的桿長(zhǎng)之和,實(shí)現(xiàn)最大的工作空間.文獻(xiàn)用以下幾個(gè)指標(biāo)作為機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的評(píng)價(jià)指標(biāo):操作能力指數(shù)ε上式中的J是機(jī)器人操作機(jī)的雅可比矩陣.各桿長(zhǎng)度之和L上式中的li是第i桿長(zhǎng)度.各轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍之和上式中,λi是加權(quán)系數(shù),i是第Φi關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍.3內(nèi)點(diǎn)罰函數(shù)優(yōu)化采用多目標(biāo)函數(shù)法.將前述的目標(biāo)函數(shù)中適合于多指靈巧手的工作空間體積比k1、位置奇異面密度比k2、工作姿態(tài)最佳指標(biāo)k3、結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度系數(shù)QL、操作能力指數(shù)ε的加權(quán)后的綜合目標(biāo)函數(shù)作為手指優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù).實(shí)際優(yōu)化計(jì)算時(shí),考慮到各目標(biāo)函數(shù)的數(shù)量級(jí)及收斂速度的差別,需要在各項(xiàng)前邊再乘以相應(yīng)平衡系數(shù)ωi(i=1,2,…,5).取加權(quán)系數(shù)λ1=λ2=λ3=λ4=λ5=1,平衡系數(shù)ω1=ω2=1,ω3=ω4=ω5=0.1.采用內(nèi)點(diǎn)罰函數(shù)法,用VC++語言編制了優(yōu)化程序,在微機(jī)上進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算.最后得出的結(jié)果如下:從所得結(jié)果來看,l0得出的是其可取值的下邊界,表明在設(shè)計(jì)時(shí),在結(jié)構(gòu)允許的情況下,應(yīng)將其取得盡量小.將其它桿的結(jié)果與人類手指的長(zhǎng)度做一下比較,可見該結(jié)果還是比較理想的.圖1所示的最優(yōu)結(jié)構(gòu)型式的多指靈巧手的三個(gè)單個(gè)手指的結(jié)構(gòu)尺寸都可以參考這一優(yōu)化結(jié)果取值,考慮三個(gè)手指之間受力大小的差別可以在具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí),略做調(diào)整,也可以按比例放大縮小.圖3(a)至圖3(d)分別是l0,l1,l2,l3與目標(biāo)函數(shù)F的關(guān)系曲線,圖4是l0=10.00mm,l1=48.75mm,l2=35.00mm,l3=13.75mm時(shí)手指的工作空間截面圖.4結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)根據(jù)上述對(duì)冗余自由度手指優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果參考文獻(xiàn)對(duì)各手指之間結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的結(jié)論,對(duì)圖1的最優(yōu)結(jié)構(gòu)型式的多指手進(jìn)行了具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);該手爪定名為HIT801,圖5是其三維視圖.5冗余自由度實(shí)際應(yīng)用進(jìn)展(1)提出了適用于多指靈巧手結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),給出了具體的計(jì)算公式;(2)編制了優(yōu)化程序,進(jìn)行了具體的優(yōu)化計(jì)算,得出了滿意的結(jié)果;(3)在得出的冗余自由度手指優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了三指十二自由度多指靈巧手的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),給出了其三維視圖.在進(jìn)一步的工作中,將探討由冗余度手指組成的多指靈巧手的全手的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題目前,國(guó)內(nèi)和國(guó)外都有一些非常有代表性的多指靈巧手被制造出來,如日本的O