假肢多自由度手腕设计及同步控制的研究
发布时间：2021-07-13 04:46
手在人的日常活动中起着非常重要的作用,在正常的抓握中,手腕更是不可或缺的。因此,研究用于残疾人的上肢假肢对于恢复残疾人的正常生活具有重要意义。目前商业化假肢手腕存在自由度少,灵巧性差的问题,因此研究质量轻、体积小的多自由度假肢手腕很有必要。作为国家重点研发计划项目“具有双向神经通路的智能上肢假肢”（项目编号为2018YFB1307200）的组成部分,本文针对多自由度假肢手腕的设计与控制开展了研究工作,主要包括以下内容:本文首先分析人体手腕的运动特点,包括人体手腕的运动范围、质量等指标,明确残疾人使用假肢的需求,从实际需求出发设计假肢手腕的指标。在机构设计与构型选择中,分析对比多种机构的优缺点,最终选择旋转运动配合差动齿轮机构的方案。从假肢手腕的设计指标出发,选择驱动源和传动机构,采用直线驱动器作为屈伸和侧偏关节的驱动源,并设计曲柄摇块机构进行传动,在旋转关节中选择直流无刷电机与谐波减速器进行驱动。配置传感器,使假肢手腕具有力和位置感知功能。然后针对设计的三自由度手腕进行正逆运动学分析以及传动机构的运动学和静力学分析。首先采用标准D-H参数法研究三自由度手腕机构的正逆运动学,建立D-H参...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Bebionic假手及其手腕[8]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3图1-2Michelangelo假手及其手腕[8]图1-3i-Limb假手及其手腕[8]目前的商业化假肢手腕多为被动手腕或单自由度旋转手腕，存在自由度少，灵巧性差的问题，并不能满足残疾人对高灵巧性手腕的需求。为了提高假肢手腕的运动能力，很多研究人员对多自由度手腕进行了研究。两自由度主动手腕是目前研究中较为常见的一种手腕。LUKEArm（又称DEKAArm）如图1-4a)所示，是美国DARPA革命性假肢计划中研制的一款假肢，共有10个主动自由度，包括肩部侧偏，肩部弯曲，肱骨旋转，肘部弯曲，前臂旋转，腕部弯曲，食指弯曲，中指、无名指和小指的弯曲、拇指弯曲和拇指侧偏，这10主动自由度中，上臂有6个自由度（肩3+肘1+腕2），手有4个自由度。LUKEArm的手腕有两个自由度，包括腕部旋转和屈伸。腕部运动为复合运动，挠骨与腕关节弯曲相结合，尺骨与腕关节伸展相结合[10]。两个自由度中芝加哥康复研究所研制的RIC假肢中的手腕比较典型[11]，如图1-4b)所示，可以实现屈伸和旋转运动，其中包括单级行星齿轮，非反向驱动离合器和摆线传动。屈伸关节最终的尺寸为35mm×45mm×58mm，两自由度手腕的质量为389g。a)LukeArm[12]b)RICArm[11]c)MPL[13]图1-4典型的假肢手腕两自由度手腕中，差动齿轮机构应用比较广泛。加拿大纽布伦斯威克大学的研究人员在2011年提出了一种两自由度手腕[14]，如图1-5a)所示，采用差动齿轮可以实现屈伸和旋转。如果电机旋转速度不同，则输出的运动则是两个运动的合成，因此输出的运动取决于两个电机的转速比。意大利比萨圣安娜大学的研究人员在
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3图1-2Michelangelo假手及其手腕[8]图1-3i-Limb假手及其手腕[8]目前的商业化假肢手腕多为被动手腕或单自由度旋转手腕，存在自由度少，灵巧性差的问题，并不能满足残疾人对高灵巧性手腕的需求。为了提高假肢手腕的运动能力，很多研究人员对多自由度手腕进行了研究。两自由度主动手腕是目前研究中较为常见的一种手腕。LUKEArm（又称DEKAArm）如图1-4a)所示，是美国DARPA革命性假肢计划中研制的一款假肢，共有10个主动自由度，包括肩部侧偏，肩部弯曲，肱骨旋转，肘部弯曲，前臂旋转，腕部弯曲，食指弯曲，中指、无名指和小指的弯曲、拇指弯曲和拇指侧偏，这10主动自由度中，上臂有6个自由度（肩3+肘1+腕2），手有4个自由度。LUKEArm的手腕有两个自由度，包括腕部旋转和屈伸。腕部运动为复合运动，挠骨与腕关节弯曲相结合，尺骨与腕关节伸展相结合[10]。两个自由度中芝加哥康复研究所研制的RIC假肢中的手腕比较典型[11]，如图1-4b)所示，可以实现屈伸和旋转运动，其中包括单级行星齿轮，非反向驱动离合器和摆线传动。屈伸关节最终的尺寸为35mm×45mm×58mm，两自由度手腕的质量为389g。a)LukeArm[12]b)RICArm[11]c)MPL[13]图1-4典型的假肢手腕两自由度手腕中，差动齿轮机构应用比较广泛。加拿大纽布伦斯威克大学的研究人员在2011年提出了一种两自由度手腕[14]，如图1-5a)所示，采用差动齿轮可以实现屈伸和旋转。如果电机旋转速度不同，则输出的运动则是两个运动的合成，因此输出的运动取决于两个电机的转速比。意大利比萨圣安娜大学的研究人员在
【参考文献】：
期刊论文
[1]2006年第二次全国残疾人抽样调查主要数据公报[J]. Leading Group of the Second China National Sample Survey on Disability, National Bureau of Statistics of the People’s Republic of China. 中国康复理论与实践. 2006(12)
[2]新型微直线驱动器的设计和控制[J]. 姜力,蔡鹤皋,刘宏. 哈尔滨工业大学学报. 2004(11)
[3]多级电机传动系统同步控制理论与应用研究[J]. 刘福才,张学莲,刘立伟. 控制工程. 2002(04)
[4]我国男性青年人体质量的分布[J]. 田宏,石岫昆,石秀权,王越. 第四军医大学吉林军医学院学报. 2001(03)
博士论文
[1]多指仿人机器人灵巧手的同步控制研究[D]. 兰天.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]基于运动功能复现方法的假手腕部机构研究[D]. 樊士冉.哈尔滨工业大学 2017
[2]仿人多指手逆运动学及协同运动控制的研究[D]. 孙冰倩.哈尔滨工业大学 2017
[3]一种7自由度生机电假肢手臂的结构设计及运动学分析[D]. 熊大柱.华中科技大学 2013
[4]基于同步控制的多指手操作控制方法的研究[D]. 孙金凤.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3281377
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Bebionic假手及其手腕[8]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3图1-2Michelangelo假手及其手腕[8]图1-3i-Limb假手及其手腕[8]目前的商业化假肢手腕多为被动手腕或单自由度旋转手腕，存在自由度少，灵巧性差的问题，并不能满足残疾人对高灵巧性手腕的需求。为了提高假肢手腕的运动能力，很多研究人员对多自由度手腕进行了研究。两自由度主动手腕是目前研究中较为常见的一种手腕。LUKEArm（又称DEKAArm）如图1-4a)所示，是美国DARPA革命性假肢计划中研制的一款假肢，共有10个主动自由度，包括肩部侧偏，肩部弯曲，肱骨旋转，肘部弯曲，前臂旋转，腕部弯曲，食指弯曲，中指、无名指和小指的弯曲、拇指弯曲和拇指侧偏，这10主动自由度中，上臂有6个自由度（肩3+肘1+腕2），手有4个自由度。LUKEArm的手腕有两个自由度，包括腕部旋转和屈伸。腕部运动为复合运动，挠骨与腕关节弯曲相结合，尺骨与腕关节伸展相结合[10]。两个自由度中芝加哥康复研究所研制的RIC假肢中的手腕比较典型[11]，如图1-4b)所示，可以实现屈伸和旋转运动，其中包括单级行星齿轮，非反向驱动离合器和摆线传动。屈伸关节最终的尺寸为35mm×45mm×58mm，两自由度手腕的质量为389g。a)LukeArm[12]b)RICArm[11]c)MPL[13]图1-4典型的假肢手腕两自由度手腕中，差动齿轮机构应用比较广泛。加拿大纽布伦斯威克大学的研究人员在2011年提出了一种两自由度手腕[14]，如图1-5a)所示，采用差动齿轮可以实现屈伸和旋转。如果电机旋转速度不同，则输出的运动则是两个运动的合成，因此输出的运动取决于两个电机的转速比。意大利比萨圣安娜大学的研究人员在
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3图1-2Michelangelo假手及其手腕[8]图1-3i-Limb假手及其手腕[8]目前的商业化假肢手腕多为被动手腕或单自由度旋转手腕，存在自由度少，灵巧性差的问题，并不能满足残疾人对高灵巧性手腕的需求。为了提高假肢手腕的运动能力，很多研究人员对多自由度手腕进行了研究。两自由度主动手腕是目前研究中较为常见的一种手腕。LUKEArm（又称DEKAArm）如图1-4a)所示，是美国DARPA革命性假肢计划中研制的一款假肢，共有10个主动自由度，包括肩部侧偏，肩部弯曲，肱骨旋转，肘部弯曲，前臂旋转，腕部弯曲，食指弯曲，中指、无名指和小指的弯曲、拇指弯曲和拇指侧偏，这10主动自由度中，上臂有6个自由度（肩3+肘1+腕2），手有4个自由度。LUKEArm的手腕有两个自由度，包括腕部旋转和屈伸。腕部运动为复合运动，挠骨与腕关节弯曲相结合，尺骨与腕关节伸展相结合[10]。两个自由度中芝加哥康复研究所研制的RIC假肢中的手腕比较典型[11]，如图1-4b)所示，可以实现屈伸和旋转运动，其中包括单级行星齿轮，非反向驱动离合器和摆线传动。屈伸关节最终的尺寸为35mm×45mm×58mm，两自由度手腕的质量为389g。a)LukeArm[12]b)RICArm[11]c)MPL[13]图1-4典型的假肢手腕两自由度手腕中，差动齿轮机构应用比较广泛。加拿大纽布伦斯威克大学的研究人员在2011年提出了一种两自由度手腕[14]，如图1-5a)所示，采用差动齿轮可以实现屈伸和旋转。如果电机旋转速度不同，则输出的运动则是两个运动的合成，因此输出的运动取决于两个电机的转速比。意大利比萨圣安娜大学的研究人员在
【参考文献】：
期刊论文
[1]2006年第二次全国残疾人抽样调查主要数据公报[J]. Leading Group of the Second China National Sample Survey on Disability, National Bureau of Statistics of the People’s Republic of China. 中国康复理论与实践. 2006(12)
[2]新型微直线驱动器的设计和控制[J]. 姜力,蔡鹤皋,刘宏. 哈尔滨工业大学学报. 2004(11)
[3]多级电机传动系统同步控制理论与应用研究[J]. 刘福才,张学莲,刘立伟. 控制工程. 2002(04)
[4]我国男性青年人体质量的分布[J]. 田宏,石岫昆,石秀权,王越. 第四军医大学吉林军医学院学报. 2001(03)
博士论文
[1]多指仿人机器人灵巧手的同步控制研究[D]. 兰天.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]基于运动功能复现方法的假手腕部机构研究[D]. 樊士冉.哈尔滨工业大学 2017
[2]仿人多指手逆运动学及协同运动控制的研究[D]. 孙冰倩.哈尔滨工业大学 2017
[3]一种7自由度生机电假肢手臂的结构设计及运动学分析[D]. 熊大柱.华中科技大学 2013
[4]基于同步控制的多指手操作控制方法的研究[D]. 孙金凤.哈尔滨工业大学 2008
本文编号：3281377
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