基于触觉传感器的仿人假手抓取控制研究

摘要

仿人假手作为残疾人重获人手功能的重要工具，对其进行研究具有重大意义。本文结合国家重点基础研究发展计划（973计划）项目“操作感知一体化灵巧假肢设计制造与性能评估”（课题编号：2011CB013306），在HITV仿人假手平台上，以更好的复现人手功能为目标，设计了仿人假手控制系统，并对单指阻抗控制和多指稳定抓取进行了研究。
　　仿人假手机械结构的设计为其拟人化提供了基本的运动能力，但如何使其完成拟人化的动作，关键在于控制系统的设计。本文设计了一种基于FPGA的模块化、集成化的控制系统。该控制系统由十个独立模块组成，主控芯片模块作为控制核心，生成控制算法，并与各模块间通讯，手指控制模块可实现自算自控，独立性强，并集成位置、力矩、触觉等多种传感器，肌电信号采集模块和电刺激模块提供了与人体的双向信息交换通道，使其更具人性化。各模块电路小型化，采用软硬板结合设计，完成了在假手内部的集成。
　　人手在抓取物体过程中，对抓取位置和抓取力都可以进行自如的控制。为了使仿人假手具有一定位置与力控制能力，本文研究了单手指的阻抗控制算法，并利用触觉传感器和关节力矩传感器分别进行阻抗控制实验，比较了两种传感器对单指控制性能的影响。同时，还在阻抗控制的基础上，通过自适应算法引入参考力，实现了阻抗控制对力跟踪的能力。对阻抗力跟踪控制策略进行实验，验证了其力跟踪效果。
　　当人手进行未知物体抓取时，可以通过调整抓取位姿和抓取力来平衡由于外部环境或物体重力变化造成的扰动，从而保证物体处于稳定状态。为了使仿人假手可以实现稳定抓取，本文通过对抓取滑脱过程中摩擦振动现象的研究，利用连续小波包变换理论，提出一种基于指尖作用力信号能量谱的稳定抓取判别条件，进而设计了稳定抓取控制策略，并通过与无稳定抓取控制策略时的对比实验验证了控制策略的实际效果和物体状态变化对控制有效性的影响。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 仿人假手及其控制系统研究现状与分析

1.3 阻抗控制综述

1.4 抓取稳定性研究综述

1.5 课题来源及主要研究内容

第2章 仿人假手控制系统设计

2.1 引言

2.2 仿人假手系统介绍

2.3 仿人假手电气控制系统设计

2.4 软件实现

2.5 小结

第3章 基于指尖触觉传感器的阻抗力跟踪

3.1 引言

3.2 单指运动学分析

3.3 单指动力学分析

3.4 单指阻抗控制研究

3.5 单指阻抗控制实验

3.6 小结

第4章 基于指尖触觉传感器的稳定抓取策略

4.1 引言

4.2 摩擦振动现象简介

4.3 基于触觉传感器的稳定抓取判别

4.4 稳定抓取控制策略

4.5 抓取稳定性实验

4.6 小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及其他成果

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