仿人机械手的姿态同步和力反馈设计及其算法研究

发布时间：2020-09-18 10:09

【摘要】：随着机器人的智能化和应用的普及化,人机交互成为机器人领域的研究重点。带有力反馈的数据手套是人机交互的重要实现方式,基于动作捕捉技术研制的数据手套可以实现对人手手指和手臂的姿态采集,将采集到的手指弯曲角度和手臂姿态数据转换为机械手驱动电机的旋转角度,从而实现对机械手姿态的远程同步控制。利用力反馈装置将机械手与环境的交互力复现到人手,给操作者产生一种身临其境的虚拟感受,实现将人的主观意志结合到机械手控制上,从而降低机械手的控制难度,提高控制效率。本文根据力反馈数据手套和动作捕捉技术的国内外研究现状,针对目前力反馈数据手套存在的作用点单一的问题,提出了双平行四边形的力反馈结构,通过单电机驱动实现同时在两个指节上产生相等的拉力,从而增加操作者的临场感体验。力反馈系统通过电机拖动刚性拉绳在手指端产生指定的拉力,并将电机和驱动装置等硬件设备置于手掌,从而减小力反馈结构对手指的约束力。根据人手手指运动的不同状态,设计了三闭环负反馈PID控制器实现电机精确的位置控制,从而在人手手指做伸展运动时及时收绳;设计了参数自整定的模糊PID控制器实现电机快速、灵敏的力矩控制,从而及时将机械手与环境的交互力复现到人手。通过九轴姿态传感器实现了手臂和手腕的姿态采集,基于卡尔曼滤波的姿态融合算法结合多传感器各自的优势,实现了姿态的精确采集。由于连杆结构具有确定的运动规律,通过角度传感器测量力反馈结构中连杆的角度信息,从而间接测量人手手指的运动角度。通过姿态解算算法将手臂、手腕和五根手指的姿态信息转换为机械手11个电机的运动角度,通过无线串口将其打包发送给远端机械手并驱动其运动,从而实现机械手实时跟随人手运动。根据功能需求,设计了上下两层嵌入式硬件PCB板,上下两层板通过板连接器连接,其中电机驱动、姿态解算、电源管理等核心功能的硬件电路设计在下层板,系统与外界的所有通信接口设计在上层板,后期需要更换与系统的交互设备时,直接更新上层板即可,有利于系统的二次开发,同时通过上下两层板的设计方式,减小了PCB板占用的空间,更加符合可穿戴设备微型化的设计需求。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q811;TP241
【图文】：

图 1-1 LRP 力反馈数据手套据手套反馈数据手套是 1999 年由美国，CyberGrasp 是目前商业化的 CyberGlove 数据手套配合使每个手指添加阻力反馈。Cybe立控制一根手指的阻力反馈，马力，而且该系统可使手部在整个索作为中间驱动，电机和驱动器轻了佩戴者手背的负荷，有利于泛使用于虚拟现实设备中[12-13]

图 1-1 LRP 力反馈数据手套据手套 力反馈数据手套是 1999 年由美国 V展，CyberGrasp 是目前商业化最成发的 CyberGlove 数据手套配合使用为每个手指添加阻力反馈。CyberG独立控制一根手指的阻力反馈，马达力，而且该系统可使手部在整个运绳索作为中间驱动，电机和驱动器与减轻了佩戴者手背的负荷，有利于增广泛使用于虚拟现实设备中[12-13]，C。

电子科技大学硕士学位论文隆大学研究了一种通过佩戴者的肌肉部矫正外骨骼装置。图 1-3 为 CMU 机械结构由安装在手背上的铝制硬板定一个铝带，铝带设计可根据不同的力由压缩气缸拉动连接在每个铝带上簧在手指弯曲时产生回弹拉力，当手状态。MCP 指节的弯曲推力由压缩推动时，产生导致 MCP 指节弯曲的MCP 指节伸展的拉力。大拇指有一个抓握物体时，其他拇指向内弯曲产生的作用。该装置主要用于帮助有手指

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 蒋钰;谌海云;岑汝平;;基于四元数的四旋翼飞行器姿态解算算法[J];制造业自动化;2015年23期

2 付立华;周洪;;基于变论域模糊PID的锅炉汽包水位控制系统仿真研究[J];河南工程学院学报(自然科学版);2015年03期

3 符秀辉;赵茂鑫;周文俊;;基于互补滤波算法的移动机器人姿态检测[J];测控技术;2015年06期

4 刘春阳;徐军领;程洪涛;王东方;薛玉君;;MPU9250传感器的姿态检测与数据融合[J];河南科技大学学报(自然科学版);2015年04期

5 边群星;陈锟;陈郑洲;;基于互补滤波器的两轮平衡车姿态角度测量[J];电子设计工程;2014年18期

6 杨凌霄;李晓阳;;基于卡尔曼滤波的两轮自平衡车姿态检测方法[J];计算机仿真;2014年06期

7 梁锋;周卫东;马荟;;基于四元数的舰船捷联惯导粗对准方法研究[J];舰船科学技术;2013年08期

8 曲秋江;于连胜;;模糊pid控制器在复杂控制中的应用[J];电子世界;2013年13期

9 宋爱国;;力觉临场感遥操作机器人(1):技术发展与现状[J];南京信息工程大学学报(自然科学版);2013年01期

10 王坚;王爱民;曹阳;;基于力反馈的手部康复训练装置研究进展[J];测控技术;2013年02期

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 余乐;六轴机械臂对人手臂动作模仿的研究[D];华侨大学;2018年

2 肖云茂;基于模糊PID的步进电机控制技术研究[D];浙江工业大学;2009年

本文编号：2821509