操作感知一体化灵巧假手机构及滑动控制的研究

发布时间：2017-12-17 15:18

  本文关键词：操作感知一体化灵巧假手机构及滑动控制的研究

  更多相关文章： 假手 构型 触觉 滑动检测 滑动控制

【摘要】：假手是一个典型的生机电一体化系统,研究生物体与机电装置的物理集成和功能交互集成,是融合生物科学而形成的新兴交叉学科。虽然近些年来,假手在外观和功能等方面有了很大提升,但受驱动器和传感器发展水平等限制,假手的灵巧性、感知能力和自主控制能力还十分有限。因此,本文研究仿人型灵巧假手的相关技术,以期提高假手外观、灵活性、感知能力、可控性和实用性。主要研究内容包括:仿人型灵巧假手的构型设计,操作感知一体化灵巧假手的机构设计和仿人型灵巧假手的滑动控制等。本文首先从构型设计方法的角度对仿人型灵巧假手进行综述。在此基础上,提出一种适用于假手的构型设计方法。该方法分为拇指构型优化和手指布局优化两部分。前者从人手解剖学结构入手分析拇指功能,在对典型假手拇指构型加以概述之后,以可操作性指标对拇指构型参数进行优化。后者基于多指抓取的形封闭理论对手指布局参数进行优化。为了对假手构型优化进行综合考量,建立基于拇指可操作性指标和多指抓取形封闭性判别的优化函数,并利用遗传优化算法进行构型参数全局优化,通过多组抓取仿真验证该方法的有效性。考虑到拟人性、灵活性、感知能力、可控性及实用性,研制一种六自由度模块化多感知仿人型灵巧假手。除拇指外的四指完全相同,其驱动器内置于近指节,传动机构、传感器系统和手指控制系统全部集成于手指内部,可独立进行感知和控制,且方便拆装及维护,高度集成化的技术也将假手的应用范围扩展到半掌手患者。基于复合形算法对手指驱动链进行优选以适应驱动器内置于手指的需求,减轻手指质量。手指采用蜗轮蜗杆机构,实现断电时仍然保持抓握力,降低能量损耗。拇指外展/内收自由度的配置增强它与其他手指的对向性,提升抓取性能。手指配置丰富的传感器,包括位置、力矩和触觉传感器,极大地提升假手对环境的感知能力。仿人形手套的设计在保护假手、增强美观性的同时也有利于假手的推广使用。针对假手在使用中易因外界扰动导致物体滑落的问题,研究基于触觉信息反馈的假手滑动控制方法。该方法可分为初始稳定抓取、滑动检测和抓取力动态调整三个环节。基于人手抓取实验采集不同刚度物体的抓取力,建立被抓物体及其抓取期望力之间的对应关系;采用位置和触觉信息融合的方式对物体刚度进行辨识,并给予不同物体合适的抓取期望力。采用笛卡尔空间阻抗控制实现柔顺接触,基于扰动观测器的PD鲁棒控制器对系统未知扰动进行补偿,提高阻抗内环的位置控制精度。基于摩擦振动原理,利用离散小波变换对抓取的触觉力信息进行分析,实现准确实时的滑动检测。采用积分式抓取力增量的形式,通过对抓取力的实时动态调节,在抑制滑动的同时,防止物体因发生过大变形而被抓坏。为了验证假手的综合性能进行多组实验。假手系统性能测试表明,佩戴手套后的假手仍具有较好的阻抗特性及其力跟踪能力。防滑实验表明,基于所提出的滑动控制方法,假手能准确地辨识物体,并且能够在保持一定柔顺性的同时实现抓取力控制。当发生滑动后,假手能快速抑制滑动,且物体变形量较小不会被抓坏。该方法具有实时性强的优点。临床应用实验表明,患者能够使用所研制的假手进行灵巧操作,较好地完成日常生活中的典型抓取姿势,抓取成功率较高,抓取动作完成时间能够满足残疾人的日常生活需求,证明该假手具有很好的应用前景。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH112;TP273

【参考文献】

中国博士学位论文全文数据库 前4条

1 张元飞;机器人灵巧手指尖柔性触觉传感器研制及操作研究[D];哈尔滨工业大学;2012年

2 王新庆;基于肌电信号的仿人型假手及其抓取力控制的研究[D];哈尔滨工业大学;2012年

3 杨大鹏;仿人型假手多运动模式的肌电控制研究[D];哈尔滨工业大学;2011年

4 兰天;多指仿人机器人灵巧手的同步控制研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 黄琦;仿生假手双向生机接口系统及交互控制的研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

，

本文编号：1300601