發(fā)布時間：2017-12-17 15:18

  本文關(guān)鍵詞：操作感知一體化靈巧假手機(jī)構(gòu)及滑動控制的研究

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【摘要】：假手是一個典型的生機(jī)電一體化系統(tǒng),研究生物體與機(jī)電裝置的物理集成和功能交互集成,是融合生物科學(xué)而形成的新興交叉學(xué)科。雖然近些年來,假手在外觀和功能等方面有了很大提升,但受驅(qū)動器和傳感器發(fā)展水平等限制,假手的靈巧性、感知能力和自主控制能力還十分有限。因此,本文研究仿人型靈巧假手的相關(guān)技術(shù),以期提高假手外觀、靈活性、感知能力、可控性和實用性。主要研究內(nèi)容包括:仿人型靈巧假手的構(gòu)型設(shè)計,操作感知一體化靈巧假手的機(jī)構(gòu)設(shè)計和仿人型靈巧假手的滑動控制等。本文首先從構(gòu)型設(shè)計方法的角度對仿人型靈巧假手進(jìn)行綜述。在此基礎(chǔ)上,提出一種適用于假手的構(gòu)型設(shè)計方法。該方法分為拇指構(gòu)型優(yōu)化和手指布局優(yōu)化兩部分。前者從人手解剖學(xué)結(jié)構(gòu)入手分析拇指功能,在對典型假手拇指構(gòu)型加以概述之后,以可操作性指標(biāo)對拇指構(gòu)型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。后者基于多指抓取的形封閉理論對手指布局參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。為了對假手構(gòu)型優(yōu)化進(jìn)行綜合考量,建立基于拇指可操作性指標(biāo)和多指抓取形封閉性判別的優(yōu)化函數(shù),并利用遺傳優(yōu)化算法進(jìn)行構(gòu)型參數(shù)全局優(yōu)化,通過多組抓取仿真驗證該方法的有效性�？紤]到擬人性、靈活性、感知能力、可控性及實用性,研制一種六自由度模塊化多感知仿人型靈巧假手。除拇指外的四指完全相同,其驅(qū)動器內(nèi)置于近指節(jié),傳動機(jī)構(gòu)、傳感器系統(tǒng)和手指控制系統(tǒng)全部集成于手指內(nèi)部,可獨立進(jìn)行感知和控制,且方便拆裝及維護(hù),高度集成化的技術(shù)也將假手的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到半掌手患者�；趶�(fù)合形算法對手指驅(qū)動鏈進(jìn)行優(yōu)選以適應(yīng)驅(qū)動器內(nèi)置于手指的需求,減輕手指質(zhì)量。手指采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu),實現(xiàn)斷電時仍然保持抓握力,降低能量損耗。拇指外展/內(nèi)收自由度的配置增強(qiáng)它與其他手指的對向性,提升抓取性能。手指配置豐富的傳感器,包括位置、力矩和觸覺傳感器,極大地提升假手對環(huán)境的感知能力。仿人形手套的設(shè)計在保護(hù)假手、增強(qiáng)美觀性的同時也有利于假手的推廣使用。針對假手在使用中易因外界擾動導(dǎo)致物體滑落的問題,研究基于觸覺信息反饋的假手滑動控制方法。該方法可分為初始穩(wěn)定抓取、滑動檢測和抓取力動態(tài)調(diào)整三個環(huán)節(jié)�；谌耸肿ト嶒灢杉煌瑒偠任矬w的抓取力,建立被抓物體及其抓取期望力之間的對應(yīng)關(guān)系;采用位置和觸覺信息融合的方式對物體剛度進(jìn)行辨識,并給予不同物體合適的抓取期望力。采用笛卡爾空間阻抗控制實現(xiàn)柔順接觸,基于擾動觀測器的PD魯棒控制器對系統(tǒng)未知擾動進(jìn)行補(bǔ)償,提高阻抗內(nèi)環(huán)的位置控制精度�；谀Σ琳駝釉�,利用離散小波變換對抓取的觸覺力信息進(jìn)行分析,實現(xiàn)準(zhǔn)確實時的滑動檢測。采用積分式抓取力增量的形式,通過對抓取力的實時動態(tài)調(diào)節(jié),在抑制滑動的同時,防止物體因發(fā)生過大變形而被抓壞。為了驗證假手的綜合性能進(jìn)行多組實驗。假手系統(tǒng)性能測試表明,佩戴手套后的假手仍具有較好的阻抗特性及其力跟蹤能力。防滑實驗表明,基于所提出的滑動控制方法,假手能準(zhǔn)確地辨識物體,并且能夠在保持一定柔順性的同時實現(xiàn)抓取力控制。當(dāng)發(fā)生滑動后,假手能快速抑制滑動,且物體變形量較小不會被抓壞。該方法具有實時性強(qiáng)的優(yōu)點。臨床應(yīng)用實驗表明,患者能夠使用所研制的假手進(jìn)行靈巧操作,較好地完成日常生活中的典型抓取姿勢,抓取成功率較高,抓取動作完成時間能夠滿足殘疾人的日常生活需求,證明該假手具有很好的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TH112;TP273

【參考文獻(xiàn)】

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前4條

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中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

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本文編號：1300601