多指灵巧手作为机器人的末端执行器,是机器人的重要组成部分,具有高度的灵巧性和操作性,一直是机器人领域的研究热点之一。目前对多指灵巧手的研究大多集中在灵巧手结构的开发和抓取运动的规划,对于抓取之后的精细操作运动和重定位分析等方面的研究尚未完全展开。建立一定的操作运动规划可以实现多指灵巧手像人手一样灵巧的操作不同形状的物体,因此,研究手指精细操作的指态过程和运动模型对多指灵巧手的开发和灵活性运用具有重要意义。本课题针对多指灵巧手的操作运动规划问题进行了分析与研究,设计了手指操作的运动指态,建立了手指操作运动学模型,并通过基于Open GL自主研发的仿真模拟平台仿真和实验验证了理论模型的正确性。本文主要的研究内容如下:(1)研究了人手抓取操作目标物体过程的规律和操作策略。人手作为灵巧多指手的灵感来源,可以完成很多复杂的操作运动,分析人手操作过程习惯模式和存在的规律性,提出了适合机械手操作的运动指态,推导出符合的理论模型。对具体工作任务进行降维分析,细化为许多子任务,将整体运动过程“积木化”,拆分成多个动作模块,作为操作不同目标物体时的运动基础。(2)建立多指灵巧手操作物体的数学模型。分析灵巧手本身的结构特点,研究多指灵巧手操作物体时手指指尖与手指关节角位置之间的关系,包括正、逆运动学模型和手指可达空间,为后续的操作规划研究提供理论依据。对多指灵巧和目标物体的操作建模作了简化和抽象,将人手的操作习惯和指态融入多指灵巧手模型中,针对不同外形的目标物体设计指尖运动轨迹,建立理论模型。(3)讨论了手指的操作性指标,生成不同指态模式下的算法。考虑到指尖完全脱离物体表面做操作运动的前提条件,基于评价指标以及物体和关节的速度映射关系,针对于不同的起始指态,生成了两种不同指态模式下的算法。(4)用自主研发的仿真平台对手指建模并对运动过程进行了仿真分析。实验结果和理论分析基本吻合,验证了三指操作目标物体运动模型的有效性和准确性。上述研究的结果表明,本文建立的操作指态和基本理论模型能够比较准确地描述简单目标的手内精细操作过程,本文的研究成果为多指灵巧手的进一步开发和精细操作复杂物体提供了初步的理论基础。