基于手势协同分析的欠驱动假肢设计及其肌电控制方法

发布时间：2017-12-03 10:16

  本文关键词：基于手势协同分析的欠驱动假肢设计及其肌电控制方法

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【摘要】：肌电假肢手的诞生使人工假肢由“固定在人体上的器械”转变成为能够与运动神经系统连接的功能替代装置。然而现有的单自由度肌电假肢手与重建人手运动功能的目标仍然相去甚远。为此各国相继启动了生机电假肢手的研究计划。肌电仿人假肢手向着多自由度、多功能化方向的发展是大势所趋,其主要研发难点可归结为“灵”与“活”两字。所谓“灵”指假肢应能复现人手的灵巧运动和操作功能;所谓“活”指假肢应能无缝连接人体运动神经系统,解读出神经系统的运动意图并控制假肢,达到得心应手的效果。上述两点对假肢手本体的设计和肌电生机交互接口的性能提出了要求,本文就围绕这两方面展开了系统研究。神经学研究表明,运动神经系统通过控制肌群的协同运动实现复杂手姿,该协同运动的维度显著小于人手的自由度数。基于手势协同的假肢手是调和复杂手姿精确控制和生机接口带宽限制这一矛盾的有效途径。本文系统地研究了一种面向手势协同、具有关节被动顺应性的欠驱动假肢手运动及抓取模型,深入分析了该类假肢手的准静态抓取过程,提出了相应的抓取求解方法,又进一步地提出了一种该类假肢手抓取质量的评估方法,实现了针对不同物体的抓取规划算法。基于上述假肢手运动和抓取模型的研究结果,本论文构建了适用于该类假肢手的抓取仿真系统“SJT-GraspSim”。通过对具体仿真实例的分析和讨论,进一步阐述及验证了抓取建模及分析的准确性及相比现有模型所构建的仿真系统的优势。该仿真系统可用于该类假肢手的设计、仿真、分析和参数优化,能大大提高设计效率、缩短研发周期。结合前述抓取模型,本研究又进而设计了手势协同欠驱假肢手原型样机“SJT-5”。该假肢手具有18个自由度,其尺寸、外形与人手相仿。根据同型号全驱动机械手上提取的手势协同基,可使用SJT-GraspSim仿真系统对其抓取性能进行评估和协同基修正,然后利用软件控制方式模拟欠驱动方案从而验证其可行性;进而利用纯机械方式实现手势协同驱动,将提取的手势协同基直接作为假肢手传动装置设计的依据。原型样机上的试验结果表明该假肢手能够很好地实现日常生活中的各类抓取,初步复现了人手的运动功能。生机交互接口方面,针对目前基于模式分类的肌电控制接口的不足,本论文探究了一种肌电比例解码的新方法,并对其相应的控制接口技术进行了研究。实验结果量化地评估了该新型控制接口的性能,在与已有的肌电交互接口的性能比较中优势明显。最后在SJT-5假肢手上进行了该肌电比例解码接口的实际抓取控制实验,结果表明该接口能很好地与基于手势协同的欠驱假肢手匹配,高效灵活地实现各类抓取。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH789

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 ;An Anthropomorphic Robot Hand Developed Based on Underactuated Mechanism and Controlled by EMG Signals[J];Journal of Bionic Engineering;2009年03期

2 茅一春;朱向阳;李顺冲;扬飞鸿;;一种新型欠驱动拟人机械手的设计[J];机械设计与研究;2008年03期

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本文编号：1248343