基于肌电控制的柔性仿人灵巧手研究

发布时间：2017-12-25 10:40

本文关键词：基于肌电控制的柔性仿人灵巧手研究　出处：《中国科学技术大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：仿人灵巧手一直是机器人领域的研究热点方向之一。随着应用需求的提升和应用环境的拓展,近年来柔性仿人灵巧手逐渐引起广泛关注。柔性灵巧手与刚性灵巧手的差异主要体现材料结构、驱动方式、结构设计和适应性控制机制等方面。柔性灵巧手多选用智能材料或柔性材料作为主要组成部分,在应用中也会在整体结构中加入一些刚性骨骼增加支撑。这种复合结构不仅具有变形能力,还能够作为支撑结构和执行结构,与环境柔性交互,拥有更好的适应性。肌电信号的本质是众多肌纤维中运动单元动作电位在时间和空间上的叠加,可被用于人机交互领域,提供一种更自然、便捷和高效的控制方式,多应用在假肢控制、移动设备操控、手语识别等方面。本文设计了研制了一个基于肌电信号控制的大变形柔性仿人灵巧手,开展的主要研究内容和取得的成果如下:(1)柔性仿人灵巧手的仿生设计和制作工艺研究。对人手复杂结构进行分析,提出骨骼-筋腱-肌肉的仿人灵巧手结构模式,每个手指为独立的运动单元,包含刚性的掌骨结构和柔性复合指骨结构,尺寸参数依据仿生设计。柔性指骨结构包括了驱动层、恢复层和柔性层的复合结构,实现了基于形状记忆合金丝(简称SMA)驱动的连续变形体设计。根据人手关节运动特点设计铰链关节,实现指骨和掌骨的相对运动,由往复合金丝独立驱动,增强了柔性复合手指驱动器的运动能力。掌骨外骨骼设计根据满足能够实现对指动作的原则,使得抓握动作更加自然且有力。在柔性复合手指驱动器的制作过程中,提出模具成型和分层浇筑工艺,分层浇筑保证了手指驱动器的多层结构特性。系统集成通信单元、控制单元、电源和柔性仿人灵巧手,完成一体化设计。(2)柔性复合手指驱动器的运动分析和热动力学建模仿真。柔性复合手指驱动器作为一种连续变形体,其运动包括两个部分:铰链关节带动柔性复合指骨结构转动,柔性指骨变形实现两级弯曲。对其空间运动选用末端位移和弯曲角度作为描述量,建模分析得出位移、弯曲角度和驱动器弯曲SMA丝收缩量的变换关系,进而得出和往复SMA丝收缩量的变换关系。根据SMA丝的理论收缩变化,在MATLAB中实现柔性复合于指驱动器末端位移和弯曲角度分布点云图。对SMA丝的形状记忆效应和超弹性进行分析,对本文中所使用的的SMA丝进行DMA和DSC测试。采用Comsol对柔性复合手指驱动器进行热动力学分析,对复合结构进行建模,分析SMA丝通电加热时热影响,发现复合手指结构的热积累严重,随着加热时间上升,复合手指结构的变形能力下降。(3)柔性仿人灵巧手的运动性能和输出力实验及肌电控制手势实现研究。对于柔性复合手指驱动器的两级弯曲能力进行实验,分析柔性复合指骨结构能够达到的弯曲变形范围,采用对比法研究铰链关节和预紧力设置对驱动器运动能力的影响。搭建驱动器末端力测试平台,对各手指驱动器的输出进行分段测量,分析SMA丝长度、指骨掌骨长度、指骨掌骨长度比、铰链关节对柔性复合手指驱动器的输出力影响。完成肌电信号控制下的柔性仿人灵巧手的手势动作实验,保证了实时同步与连续,对手势动作中各手指进行运动状态和运动时序分解,使得灵巧手能够实现相似度高的手势,验证了肌电信号控制的手势实现和作为灵巧手假肢控制的可行性。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP242

【参考文献】