仿人型假手指尖三维力触觉传感器及动态抓取研究

摘要

仿人型假手是一种主要面向残疾人应用的仿生装置，它融合了生物医学、机器人学、计算机学以及控制学等多个学科，其发展趋势也朝着仿人化、智能化、控制自然化的方向转变。然而，不论是其机械结构、控制系统、感知系统还是控制方式仍然与人手存在较大差距，大大延缓了假手的实用化进程。因此，本文针对多自由度仿人型假手的相关技术进行研究，以提高假手的触觉感知以及稳定抓取功能为目标，以期通过一种基于触觉传感器信息反馈的动态抓取控制方法改善假手的操作性能。主要研究内容包括：仿人型假手嵌入式控制系统的研制、指尖三维力触觉传感器以及静态性能、假手自适应阻抗力跟踪控制、基于触觉传感器信息反馈的动态抓取等。
　　本文首先从机械结构、控制系统结构、传感器配置、控制方法等假手关键技术对国内外假手的研究现状进行了详细的分析。在此基础上立足于残疾人的实际需求，基于模块化、分布式控制系统结构设计思想研制了仿人型假手嵌入式控制系统。本文研制了基于DSP&FPGA结构的模块化嵌入式控制系统，分为手指控制系统和手掌控制系统，成功地将手指驱动系统、传感器系统和控制系统集成在手指内部；采用Rs-485总线实现了手指控制系统与手掌控制系统的四线电气连接；为了实现与PC机的实时、高速通信，设计了USB3.0通信接口；嵌入式控制系统中集成了多路肌电信号采集系统，用于实时采集肌电信号控制假手运动。
　　以实现假手丰富触觉感知以及假手局部自主控制为目标，研制了指尖柔性三维力触觉传感器。该触觉传感器具有13个触觉单元，每个触觉单元可以同时检测法向力和两个方向的切向力。通过对触觉单元进行力学分析和有限元仿真分析，建立了触觉传感器的三维力检测模型。针对假手的多种抓取模式，对指尖进行了区域划分，设计了特殊形状的指尖机械结构和触觉传感器本体。针对阵列式触觉传感器的回路干扰问题，设计了基于零电势法的扫描电路，实现了触觉传感器阵列信号的高速采集和回路干扰问题的解决。为了测试该传感器的性能，设计了触觉传感器性能测试系统。采用支持向量机回归分析对传感器进行了静态标定，并且针对静态性能进行了实验研究。指尖三维力触觉传感器系统的成功研制为仿人型假手在抓取任务中获取接触位置信号、接触力矢量信息提供了必要保障。
　　假手的抓取能力在一定程度上取决于单指位置和力控制性能，本文研究了假手自适应阻抗力跟踪控制以兼顾接触的柔顺性和抓取力控制的准确性。基于触觉传感器检测的接触位置信息对手指运动学和力学模型进行修正，并且与力矩传感器信息融合获得接触点处的精确接触力信息。针对阻抗控制中接触力控制较差的问题，将力误差信息引入阻抗控制中，采用自适应离散滑模阻抗控制方法实现了阻抗力跟踪控制。引入间接自适应方法估计环境参数，实时调整阻抗控制参数和对参考轨迹进行实时调整以适应假手对未知物体的抓取。通过假手接触不同刚度物体的实验表明，阻抗力跟踪控制方法能够以较高的精度跟踪期望抓取力以兼顾接触的柔顺性，这为后续的动态抓取研究奠定了基础。
　　针对假手在抓取未知物体时可能受到外界干扰以及物体质量发生变化导致抓取不稳定而无法完成期望抓取任务的问题，研究基于三维触觉信息反馈的动态抓取。在抓取过程中，采用变论域模糊控制算法实时调整抓取力保证切向力与法向力的比值保持在安全阈值内，避免手指与物体发生滑动和分离。该稳定抓取策略需要的计算量小，可以保证假手控制系统的实时性，同时可以避免各个手指力控制动态性能不一样而导致的因某个手指瞬间抓取力太大而引起物体产生动量，破坏稳定抓取。为了检测和控制滑动，提出采用累计叠加估计方法判断滑动发生时摩擦系数由最大静摩擦系数到动摩擦系数的突变信息进行滑动检测，进而增大手指抓取力控制滑动。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 仿人型假手及其控制系统综述

1.3 机器人多指手触觉传感器综述

1.4 阻抗力跟踪控制综述

1.5 基于触觉信息反馈的多指手动态抓取综述

1.6 本文的主要研究内容

1.7 本文结构

第2章 仿人型假手嵌入式控制系统研制

2.1 引言

2.2 生机电一体化假肢系统结构

2.3 仿人型假手系统总体

2.4 假手嵌入式控制系统硬件结构

2.5 基于USB3.0接口的假手测控系统

2.6 本章小结

第3章 指尖三维力触觉传感器及其静态性能研究

3.1 引言

3.2 触觉传感器的技术要求

3.3 触觉传感器结构设计及原理分析

3.4 指尖三维力触觉传感器集成化设计

3.5 触觉传感器信号采集系统

3.6 指尖电气系统集成

3.7 触觉传感器静态特性研究

3.8 本章小结

第4章 假手自适应阻抗力跟踪控制研究

4.1 引言

4.2 触觉与力矩传感器信息融合

4.3 自适应阻抗力跟踪控制

4.4 实验及结果

4.5 本章小结

第5章 基于三维触觉信息反馈的动态抓取研究

5.1引言

5.2 基于三维触觉信息反馈的动态抓取

5.3 基于三维触觉信息反馈的滑动检测

5.4 实验及结果

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历