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1、人手抓取特性与机械手神经网络抓取策略陈 辉 宋爱国 黄惟一摘 要 分析了人手抓取的各种姿态,提出了3种基本的抓取姿态结构,并举例说明了人手的姿态可分解为3种基本姿态的组合.基于人手的灵巧性,机械手的抓取可模仿人手的抓取特性,根据姿态、物体、任务之间的关系提出了神经网络规划的抓取方法,并设计了相应的神经网络.关键词 手;抓取;姿态;虚拟手指;神经网络分类号 TP249HumanGraspPropertyandRobotHandGraspTacticsaboutNeuralNetworksChenHui S
2、ongAiguo HuangWeiyi(DepartmentofInstrumentScienceandTechnology,SoutheastUniversity,Nanjing210096)Abstract: Thehumanhandisverydexterousintheoperation.Accordingtodemandoftask,humancandomanycomplextasksusingdifferentposture.Thispaperanalysesvariousofpostures
3、,putsforwardthreebasicpostures,andexplainsthathumanhandpostureismadeofthreebasicpostures.Becauseofthedexterityofhumanhand,robothandcanimitatehumanhand.Inthelast,wedesignneuralnetworksaccordingtotherelationshipofposture,objectandtask.Keywords: hand;grasp;p
4、osture;virtualfinger;neuralnetworks 人手是非常灵巧的,根据任务要求,人手能完成各种各样的任务,既可进行有力量的抓取,如搬运重物,又可进行各种精细的工作,如机械零件装配等.人手的5个手指中,每个手指都有几个关节,人手操作时通常有多达25个自由度［1］,因此操作比较灵活,利用5个手指的相互协调动作,可以完成复杂的任务.由于人手的许多优点,机器人设计者往往模仿人手去设计机械手. 在人类学和医学文献中,有许多关于人手抓取姿态的分类.这些分类方法分别是从某一种角度对姿态进行
5、分类,没有将手、任务和物体结合起来考虑.Iberall和Lyons［2］根据手、物体和任务的关系提出了虚拟手指的概念,并定义了3种基本的抓取姿态,即掌抓取、指面抓取和指侧面抓取.利用这3种抓取姿态,可以将人手的各种抓取姿态分解为这3种基本姿态的组合形式,下节将详细讨论. 在机械手进行抓取时,可以模仿人手的抓取特性,根据抓取对象和任务的要求进行判断,来选择合适的姿态.根据这一指导思想,作者建立了神经网络模型,并根据人类的抓取特性对其进行训练,从而使机械手在抓取操作时,利用训练好的神经网络模型模仿人的判断进
6、行抓取姿态决策,使其具有人的智能性.1人手抓取特性的分析1.1人手的基本抓取姿态人手的抓取姿态千变万化,根据力的平衡原理,抓取物体时要使其稳定至少有2个相对的力作用于物体上,或者说物体上必然产生大小相等方向相反的力于手上.根据人手的结构特点以及物体的反作用力作用于手的部位情况,可分为如下3种基本姿态:1)指面抓取(padopposition).这种抓取姿态中,被抓取物体位于拇指指面(称为虚拟手指1,用VF1表示)与其余一个或几个手指构成的指面(称为虚拟手指2,用VF2表示)之间,如图1(a)所示.这种抓取
7、姿态,手指只能施加较小的力于物体上,但手指可对物体进行微小运动的调节,因此,这种抓取姿态在操作中有较大的灵活性,但稳定性较差.对于较轻、尺寸较小的物体,需要灵活操作时,采用这种抓取姿态.如抓取一个小球时的情况就为这种抓取.2)掌抓取(palmopposition).被抓取的物体位于手掌(虚拟手指1)和由几个手指(除拇指外)构成的指面(虚拟手指2)之间,如图1(b)所示.这种抓取姿态,两虚拟手指能产生较大的力于物体上,而且由于两虚拟手指与物体的接触面较大,因此抓取的稳定性较好,但操作的灵活性较差,对于尺寸较
8、大、移动距离较远的物体通常采用这种抓取姿态.如抓取一个铁锤子时,铁锤的手柄位于手掌和四指之间,就属于这种情况的抓取.3)指侧面抓取(sideopposition).被抓取的物体位于拇指的指端面(虚拟手指1)和食指或其它手指的指侧面(虚拟手指2)之间,或其它手指指侧面之间,如图1(c)所示,这种抓取姿态,其抓取的稳定性和操作的灵活性位于前两者之间,根据任务的要求,如果既要一定的操作灵活性,又要求施加一定的力于物体上,可采取这种姿
