本文關(guān)鍵詞：基于手勢協(xié)同分析的欠驅(qū)動(dòng)假肢設(shè)計(jì)及其肌電控制方法

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【摘要】：肌電假肢手的誕生使人工假肢由“固定在人體上的器械”轉(zhuǎn)變成為能夠與運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)連接的功能替代裝置。然而現(xiàn)有的單自由度肌電假肢手與重建人手運(yùn)動(dòng)功能的目標(biāo)仍然相去甚遠(yuǎn)。為此各國相繼啟動(dòng)了生機(jī)電假肢手的研究計(jì)劃。肌電仿人假肢手向著多自由度、多功能化方向的發(fā)展是大勢所趨,其主要研發(fā)難點(diǎn)可歸結(jié)為“靈”與“活”兩字。所謂“靈”指假肢應(yīng)能復(fù)現(xiàn)人手的靈巧運(yùn)動(dòng)和操作功能;所謂“活”指假肢應(yīng)能無縫連接人體運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng),解讀出神經(jīng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)意圖并控制假肢,達(dá)到得心應(yīng)手的效果。上述兩點(diǎn)對假肢手本體的設(shè)計(jì)和肌電生機(jī)交互接口的性能提出了要求,本文就圍繞這兩方面展開了系統(tǒng)研究。神經(jīng)學(xué)研究表明,運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)通過控制肌群的協(xié)同運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜手姿,該協(xié)同運(yùn)動(dòng)的維度顯著小于人手的自由度數(shù)。基于手勢協(xié)同的假肢手是調(diào)和復(fù)雜手姿精確控制和生機(jī)接口帶寬限制這一矛盾的有效途徑。本文系統(tǒng)地研究了一種面向手勢協(xié)同、具有關(guān)節(jié)被動(dòng)順應(yīng)性的欠驅(qū)動(dòng)假肢手運(yùn)動(dòng)及抓取模型,深入分析了該類假肢手的準(zhǔn)靜態(tài)抓取過程,提出了相應(yīng)的抓取求解方法,又進(jìn)一步地提出了一種該類假肢手抓取質(zhì)量的評估方法,實(shí)現(xiàn)了針對不同物體的抓取規(guī)劃算法。基于上述假肢手運(yùn)動(dòng)和抓取模型的研究結(jié)果,本論文構(gòu)建了適用于該類假肢手的抓取仿真系統(tǒng)“SJT-GraspSim”。通過對具體仿真實(shí)例的分析和討論,進(jìn)一步闡述及驗(yàn)證了抓取建模及分析的準(zhǔn)確性及相比現(xiàn)有模型所構(gòu)建的仿真系統(tǒng)的優(yōu)勢。該仿真系統(tǒng)可用于該類假肢手的設(shè)計(jì)、仿真、分析和參數(shù)優(yōu)化,能大大提高設(shè)計(jì)效率、縮短研發(fā)周期。結(jié)合前述抓取模型,本研究又進(jìn)而設(shè)計(jì)了手勢協(xié)同欠驅(qū)假肢手原型樣機(jī)“SJT-5”。該假肢手具有18個(gè)自由度,其尺寸、外形與人手相仿。根據(jù)同型號全驅(qū)動(dòng)機(jī)械手上提取的手勢協(xié)同基,可使用SJT-GraspSim仿真系統(tǒng)對其抓取性能進(jìn)行評估和協(xié)同基修正,然后利用軟件控制方式模擬欠驅(qū)動(dòng)方案從而驗(yàn)證其可行性;進(jìn)而利用純機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)手勢協(xié)同驅(qū)動(dòng),將提取的手勢協(xié)同基直接作為假肢手傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的依據(jù)。原型樣機(jī)上的試驗(yàn)結(jié)果表明該假肢手能夠很好地實(shí)現(xiàn)日常生活中的各類抓取,初步復(fù)現(xiàn)了人手的運(yùn)動(dòng)功能。生機(jī)交互接口方面,針對目前基于模式分類的肌電控制接口的不足,本論文探究了一種肌電比例解碼的新方法,并對其相應(yīng)的控制接口技術(shù)進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果量化地評估了該新型控制接口的性能,在與已有的肌電交互接口的性能比較中優(yōu)勢明顯。最后在SJT-5假肢手上進(jìn)行了該肌電比例解碼接口的實(shí)際抓取控制實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明該接口能很好地與基于手勢協(xié)同的欠驅(qū)假肢手匹配,高效靈活地實(shí)現(xiàn)各類抓取。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH789

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 ;An Anthropomorphic Robot Hand Developed Based on Underactuated Mechanism and Controlled by EMG Signals[J];Journal of Bionic Engineering;2009年03期

2 茅一春;朱向陽;李順沖;揚(yáng)飛鴻;;一種新型欠驅(qū)動(dòng)擬人機(jī)械手的設(shè)計(jì)[J];機(jī)械設(shè)計(jì)與研究;2008年03期

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本文編號：1248343