一種適用于多余自由度的一種指紋靈敏度手設(shè)計

一種適用于多余自由度的一種指紋靈敏度手設(shè)計

結(jié)構(gòu)研究是機器人其他方面研究的基礎(chǔ)。只有在理想的結(jié)構(gòu)上研究基于機器人理論、手術(shù)理論、運動理論、控制理論和信息集成的方法是最有效和最重要的。因此，多臂手動結(jié)構(gòu)設(shè)計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)尺寸以及運動和動力傳遞方式等方面都存在一些問題.尤其是對于多指手結(jié)構(gòu)參數(shù)方面的優(yōu)化的研究還比較少,因此,有必要對多指靈巧手的結(jié)構(gòu)進行深入的分析,并引進優(yōu)化設(shè)計方法,從而設(shè)計出結(jié)構(gòu)上最優(yōu)化的多指靈巧手,為其實用化和其它方面的研究提供最理想的結(jié)構(gòu).文獻對多指靈巧手的結(jié)構(gòu)型式進行了綜合分析,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物體進行微細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.本文旨對在這種冗余自由度手指進行優(yōu)化設(shè)計的研究,并進一步完成整個靈巧手的具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計.1理想的優(yōu)化算法優(yōu)化設(shè)計方法是通過對優(yōu)化設(shè)計問題進行分析,建立起合適的數(shù)學(xué)模型,主要是選定設(shè)計變量,確定目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù),再選用理想的優(yōu)化算法編程上機計算,在獲得目標(biāo)函數(shù)的最小值時,同時得到設(shè)計變量的最優(yōu)化值.設(shè)計變量為:各桿長度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.參考人手的長度,取各桿長度范圍如下:各關(guān)節(jié)角度限制為2織物上位置變異面的計算目標(biāo)函數(shù)的建立是整個優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵.能充分表達手指的結(jié)構(gòu)性能、計算量小、使用靈活方便的多指手的評價指標(biāo)一直是人們追求的目標(biāo).文獻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),對單指進行了優(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為手指機構(gòu)位置奇異面的面積,S0為手指機構(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.目前對機器人多指靈巧手進行結(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)計的評價函數(shù)也就比較少.考慮到單個手指與不包含移動副的機器人操作機結(jié)構(gòu)上相似,因此可以選用機器人操作機的結(jié)構(gòu)評價指標(biāo)作為多指靈巧手的單個手指優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù).文獻提出以結(jié)構(gòu)長度系數(shù)QL作為機器人操作機的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的評價指標(biāo).上式中,L是各桿長度之和,V是工作空間體積,QL表示用最短的桿長之和,實現(xiàn)最大的工作空間.文獻用以下幾個指標(biāo)作為機器人操作機結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的評價指標(biāo):操作能力指數(shù)ε上式中的J是機器人操作機的雅可比矩陣.各桿長度之和L上式中的li是第i桿長度.各轉(zhuǎn)動關(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).實際優(yōu)化計算時,考慮到各目標(biāo)函數(shù)的數(shù)量級及收斂速度的差別,需要在各項前邊再乘以相應(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)點罰函數(shù)法,用VC++語言編制了優(yōu)化程序,在微機上進行了優(yōu)化計算.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)計時,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單個手指的結(jié)構(gòu)尺寸都可以參考這一優(yōu)化結(jié)果取值,考慮三個手指之間受力大小的差別可以在具體設(shè)計結(jié)構(gòu)時,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)計根據(jù)上述對冗余自由度手指優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果參考文獻對各手指之間結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的結(jié)論,對圖1的最優(yōu)結(jié)構(gòu)型式的多指手進行了具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計;該手爪定名為HIT801,圖5是其三維視圖.5冗余自由度實際應(yīng)用進展(1)提出了適用于多指靈巧手結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),給出了具體的計算公式;(2)編制了優(yōu)化程序,進行了具體的優(yōu)化計算,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)計結(jié)果的基礎(chǔ)上,進行了三指十二自由度多指靈巧手的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計,給出了其三維視圖.在進一步的工作中,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)計問題目前,國內(nèi)和國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