作为类人型机器人系统的末端执行机构,具有类人功能的机器人灵巧手是提高机器人系统的执行能力和智能水平的重要组成部分。如何设计外形和操作能力都类似人形的机器人多指灵巧手,并使其能够对所触及的任意形状物体都具有精确抓取能力一直是多指灵巧手研究领域的热点。本文结合国家“863”计划的主题项目“新一代五指仿人灵巧手的结构设计及抓取操作的研究”研制外形和操作能力都具有国际先进水平的类人型机器人五指灵巧手。本课题将设计重点集中在如何在现有的商业化器件基础上设计出指尖输出力大、集成度高、互换性强、外形尺寸同人手接近的且具有商业化价值的灵巧手。HIT/DLR Hand II灵巧手由5个手指及1个独立手掌构成,每个手指具有4个关节和3个自由度。灵巧手手指可被拆分为手指基关节单元和手指单元两个模块化部分,每个单元的驱动器、传动器、传感器和电气系统都采用内置式的设计方式。本设计采用新型的微型驱动器、同步齿形带结合谐波减速器的传动方式及手指末端关节的钢丝耦合机构以保证灵巧手的外形尺寸同人手相仿。集成式的设计思想不但体现在传感器同本体结构的有效集成,还融入到灵巧手的外观设计之中。灵巧手的多传感器系统使其具备丰富的感知能力,其内部集成的传感器(力/力矩传感器、位置传感器、温度传感器及触觉传感器)在保证测量精度和稳定性的同时,并不增加灵巧手的外形尺寸。同样在灵巧手的外观设计上,外骨架零件与包装件集成化的设计思想不但有效地克服上一代手的包装件单独设计带来的装配复杂等问题,更重要的是它能够保证灵巧手的手指外形尺寸并未因为类人型的外观设计而增大,从而实现灵巧手结构功能仿人型与外形仿人型的完美结合。人手的超强操作能力并不仅仅是因为5个手指具有较大的操作空间,而是由于人类手掌和对放的拇指具有随不同形状的物体自适应调节其构形的能力。基于此,利用解剖学领域对人手掌三个拱形的定义,优化设计一种类人型的弧面手掌;结合灵巧手手指的操作空间,利用拇指同其它手指间的交截性能指数对拇指在手掌中的位姿进行优化设计。基于上述手掌构形的结构特点,结合手指运动空间对多指灵巧手的抓持空间进行数学描述,并构建两指闭链抓持的运动学模型。在此基础上基于几何的方法描述手指指尖位置同物体质心的映射关系,并给出各指尖位置在全局坐标系下的运动学方程。智能机器人系统的操作空间具有不确定性。对于多指灵巧手而言,对未知的抓取操作首先要利用视觉或激光扫描等技术使其已知化,然后再利用相应的算法估算出抓取物体的数学模型,进而实现对物体的稳定抓取。本文以有摩擦的点接触抓取模型为研究对象,首先定义灵巧手的最佳抓握平面,然后基于该平面结合灵巧手的抓取任务,利用超椭圆方程构建抓取对象的数学模型。在此数学模型基础上,提出一个基于专家系统的自适应神经模糊推理系统(E-ANFIS)用于操作物体模型重构的模型。该模型在操作物体的位置和姿态确定的情况下,不需要任何视觉辅助,仅仅利用五指灵巧手同物体接触点的位置关系就可以自动重构出抓握物体的数学模型。利用专家规则对操作对象的边缘进行线型和非线性的分类,能够有效提高模型的精度,缩短在线估算时间。利用HIT臂/手系统结合虚拟现实技术采集的数据训练E-ANFIS模型后表现出较好的收敛性。同时进行的仿真和实际的抓取实验表明,仿真结果同实测结果吻合较好,且表现出一定的泛化能力。当抓取模型精确已知后,下一步就是如何确定满足力封闭性能的抓取点。针对HIT/DLR Hand II灵巧手步态操作的需求,提出一个基于平面抓取的四指力封闭算法。该算法的最大特点是,在大拇指同其他三指的接触点构建的力封闭抓取中,三个手指中的任何一个手指都可单独脱离接触点,而接触构型仍可满足力的封闭性。最后,构建一个机器人臂/手抓取操作实验系统及虚拟仿真操作环境。基于该仿真环境采集的模型训练数据,用于训练E-ANFIS模型的模糊规则。为了验证灵巧手本体机构的灵巧度及控制精度,采用基于抗积分饱和PID控制算法对手指关节位置及指尖笛卡尔空间的位置进行跟踪试验。利用基于位置的阻抗控制算法对手指进行自由空间和约束空间的柔顺性试验。基于上述构建的系统进行模型重构实验及力封闭抓取实验,用来验证E-ANFIS模型的重构能力及力封闭算法的合理性。