基于姿态解算的外肢体手指抓取增强量化分析和优化设计

作     者：刘源 闫哲 葛瑞鹏 程迁 明东 LIU Yuan;YAN Zhe;GE Ruipeng;CHENG Qian;MING Dong

作者机构：天津大学医学工程与转化医学研究院天津300072 脑机交互与人机共融海河实验室天津300392 先进医用材料与医疗器械全国重点实验室天津300072 

出 版 物：《机器人》 (Robot)

年 卷 期：2025年第47卷第1期

页      面：32-43页

核心收录：

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

基　　金：国家重点研发计划(2023YFC3603800,2023YFC3603802) 国家自然科学基金(62273251) 机械系统与振动全国重点实验室课题(MSV202418) 

主　　题：外肢体手指 抓取增强 姿态解算 优化设计 可穿戴机器人 

摘      要：外肢体手指是一种通过为人体增加额外的肢体实现运动增强的可穿戴机器人,但目前抓取增强效果有限。针对此问题,研究了基于外肢体手指和人手位姿的最大可抓取球体解算方法,通过对外肢体手指的量化分析,对其进行优化设计,从而增强抓取能力。首先,构建了人手和外肢体手指的D-H(Denavit-Hartenberg)运动学模型,使用蒙特卡洛法得到人手和外肢体手指位姿库,并基于该库提出一种半包络稳定抓取球体的解析方法。然后,基于外肢体手指与人手能够抓取的球体的最大半径定义并量化了外肢体手指的抓取增强能力,并基于该能力对外肢体在3个穿戴位置处的杆长尺寸进行优化。最后,根据受试者手部尺寸及3个穿戴位置处在优化前后的杆长系数,搭建了外肢体手指样机,并对半径2~12 cm的球体进行了抓取实验。实验结果表明,杆长系数优化后,3个穿戴位置处的抓取能力分别增强了42.4%、38.5%和7.91%,证明了解算方法的正确性和有效性。