欠驱动假肢手抓握性能优化与抓握力控制研究

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。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 欠驱动假肢手抓握特性研究概述

1．3 欠驱动假肢手抓握性能优化方法综述

1．4 假肢手抓握力控制研究现状

1．5 本文研究的目的及意义

1．6 本文研究思路与主要内容

2 欠驱动假肢手抓握力学分析

2．1 引言

2．2 欠驱动手指抓握静力学

2．3 欠驱动手指动力学建模

2．3．1 虚拟弹簧法

2．3．2 欠驱动手指动力学建模

2．4 驱动模型

2．5 接触力模型

2．6 欠驱动手指动力学模型仿真验证

2．7 本章小结

3 欠驱动假肢手抓握性能优化

3．1 引言

3．2 欠驱动手指抓握特性分析

3．2．1 手指抓握位姿

3．2．2 手指抓握仿真

3．3 手指抓握性能优化

3．3．1 人手抓握力分配实验

3．3．2 优化准则

3．3．3 优化结果

3．4 欠驱动手指弹射现象分析

3．5 本章小结

4 欠驱动假肢手防弹射抓握力控制研究

4．1 引言

4．2 欠驱动假肢手防弹射抓握力控制研究

4．2．1 欠驱动假肢手防弹射抓握力控制策略总体结构

4．2．2 参考位置的确定

4．2．3 力控制器设计

4．3 假肢手抓握力控制仿真与分析

4．3．1 参考位置计算参数确定

4．3．2 抓握力跟踪控制仿真

4．3．3 防弹射抓握力控制仿真

4．4 本章小结

5 欠驱动假肢手抓握性能与抓握力控制实验

5．1 引言

5．2 假肢手实验平台整体结构组成

5．3 假肢手传感器系统

5．3．1 基关节角位移传感器

5．3．2 FSR压力传感器

5．4 欠驱动假肢手单手指抓握性能实验

5．5 欠驱动假肢手抓握力控制实验

5．6 本章小结

6 总结与展望

参考文献

附录

攻读硕士期间的主要研究成果

致谢