欠驱动假肢手抓握性能优化与抓握力控制研究

发布时间：2017-07-06 11:29

  本文关键词：欠驱动假肢手抓握性能优化与抓握力控制研究

  更多相关文章： 假肢手 欠驱动 动力学建模 抓握性能优化 抓握力控制

【摘要】：欠驱动假肢手具有拟人化的运动特点,能够自适应地抓握不同外形和尺寸的物体,其驱动器数目少于运动自由度数目,既保证了操作的灵活性,又减小了尺寸和重量,降低了控制难度,成为了多自由度假肢手研究的热点。然而,欠驱动假肢手由于其机构本身的特点,在抓握过程中会出现弹射现象,导致抓握不稳定。因此,本文对连杆式欠驱动假肢手抓握性能进行了优化,并针对欠驱动手指抓握特性提出了抓握力控制方法。 首先对欠驱动假肢手及其抓握特性进行了概述,详细介绍了欠驱动手指机构现有的抓握性能优化方法,并总结了其中的不足；分析了机器人力控制的主要方法和假肢手抓握力控制的发展现状。 针对本文所研究的多连杆欠驱动假肢手,采用虚功原理,建立了手指的静力学模型,得到了基关节驱动力矩、耦合杆弹簧内力与各指节抓握力之间的关系；针对欠驱动手指闭链机构,运用基于虚拟弹簧的拉格朗日方程,建立了手指机构的动力学模型,通过动力学仿真软件完成手指动力学模型的仿真验证。 对欠驱动假肢手指的抓握特性进行了分析,通过仿真分析了耦合杆弹簧刚度对欠驱动假肢手指抓握性能的影响；从自适应性、抓握稳定性以及指节抓握力分配三个方面制定优化准则,以耦合杆弹簧刚度为优化参数,对欠驱动手指的综合抓握性能进行了优化。 为了进一步减少抓握过程中欠驱动假肢手的弹射现象,通过分析手指弹射过程中运动特点,提出了防弹射抓握力控制方法。通过检测基关节位置变化来判断是否将发生弹射,从而对参考力进行修正,达到防弹射的效果；设计了模糊PI抓握力控制器,完成了假肢手抓握力跟踪控制和防弹射控制仿真,对该控制方法进行了初步验证。 最后,采用基于NI实时系统的假肢手物理实验平台,设计了假肢手传感器系统,完成了欠驱动假肢手抓握性能与抓握力控制实验。实验结果表明,采用优化后的耦合弹簧能在一定程度上提高手指的抓握性能,模糊PI力控制器和防弹射控制方法具有较好的控制效果。
【关键词】：假肢手 欠驱动 动力学建模 抓握性能优化 抓握力控制
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318.17
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 课题背景9-10
• 1.2 欠驱动假肢手抓握特性研究概述10-12
• 1.3 欠驱动假肢手抓握性能优化方法综述12-13
• 1.4 假肢手抓握力控制研究现状13-15
• 1.5 本文研究的目的及意义15
• 1.6 本文研究思路与主要内容15-17
• 2 欠驱动假肢手抓握力学分析17-37
• 2.1 引言17-18
• 2.2 欠驱动手指抓握静力学18-23
• 2.3 欠驱动手指动力学建模23-30
• 2.3.1 虚拟弹簧法23-24
• 2.3.2 欠驱动手指动力学建模24-30
• 2.4 驱动模型30-31
• 2.5 接触力模型31-32
• 2.6 欠驱动手指动力学模型仿真验证32-36
• 2.7 本章小结36-37
• 3 欠驱动假肢手抓握性能优化37-49
• 3.1 引言37
• 3.2 欠驱动手指抓握特性分析37-41
• 3.2.1 手指抓握位姿39
• 3.2.2 手指抓握仿真39-41
• 3.3 手指抓握性能优化41-46
• 3.3.1 人手抓握力分配实验42-43
• 3.3.2 优化准则43-44
• 3.3.3 优化结果44-46
• 3.4 欠驱动手指弹射现象分析46-47
• 3.5 本章小结47-49
• 4 欠驱动假肢手防弹射抓握力控制研究49-59
• 4.1 引言49
• 4.2 欠驱动假肢手防弹射抓握力控制研究49-53
• 4.2.1 欠驱动假肢手防弹射抓握力控制策略总体结构49-50
• 4.2.2 参考位置的确定50-51
• 4.2.3 力控制器设计51-53
• 4.3 假肢手抓握力控制仿真与分析53-58
• 4.3.1 参考位置计算参数确定54-55
• 4.3.2 抓握力跟踪控制仿真55-56
• 4.3.3 防弹射抓握力控制仿真56-58
• 4.4 本章小结58-59
• 5 欠驱动假肢手抓握性能与抓握力控制实验59-69
• 5.1 引言59
• 5.2 假肢手实验平台整体结构组成59-60
• 5.3 假肢手传感器系统60-63
• 5.3.1 基关节角位移传感器60-62
• 5.3.2 FSR压力传感器62-63
• 5.4 欠驱动假肢手单手指抓握性能实验63-65
• 5.5 欠驱动假肢手抓握力控制实验65-68
• 5.6 本章小结68-69
• 6 总结与展望69-70
• 参考文献70-75
• 附录75-78
• 攻读硕士期间的主要研究成果78-79
• 致谢79

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 骆敏舟,梅涛,卢朝洪,余永;多关节欠驱动机器人手爪包络抓取稳定性分析与仿真[J];光学精密工程;2004年05期

2 张庭;姜力;刘宏;;仿生假手抓握力控制策略[J];机器人;2012年02期

3 张文增,陈强,孙振国;拟人机器人手的设计与实现[J];机械工程学报;2005年05期

4 丛爽;冯先勇;;基于GA和单纯形法的直流电机参数辨识[J];控制工程;2009年01期

，

本文编号：526060