腱驱动假肢手抓握力控制系统的控制性能研究

摘要

假肢手稳定有效地抓取物体是穿戴者完成日常生活工作中的各种任务的前提，所以设计出结构简单、动态响应特性良好的假肢手抓握力控制系统对于假肢手的应用推广尤为重要。本文首先研究腱驱动假肢手的响应特性，分析假肢手恢复弹簧刚度与被抓物体刚度对动态响应的影响，并对力敏传感器(FSR)进行辨识建模，研究压力传感器FSR对控制性能的影响，根据分析结果设计适合的控制器，以期提高假肢手系统的响应特性。具体研究内容如下:
　　首先建立了腱驱动假肢手系统的模型，获得了假肢手恢复弹簧刚度与被抓物体刚度对假肢手系统动态响应的影响规律，分析了开环系统稳定性和响应特性。
　　通过实验得到压力传感器的响应特性，根据实验结果，采用近似最优辅助变量法，建立了不同阶次的压力传感器的动态数学模型，并通过实验对比选取合适的阶次作为压力传感器模型阶次。
　　选取PID控制器，分析了压力传感器、假肢手恢复弹簧刚度、被抓物体刚度及建模误差对假肢手抓握力控制性能的影响。
　　针对假肢手系统存在外部干扰、摩擦、间隙等非建模误差因素，传统PID无法获得预期控制目标，因此设计模糊PID控制器以改善假肢手系统响应特性。
　　最后通过搭建抓握力控制实验平台，实验研究假肢手控制性能。采用压力传感器FSR测量假肢手抓握力，利用NI-PXI虚拟仪器平台对假肢手进行实时控制，并在LabView中完成假肢手抓握力控制编程、数据采集等任务。通过在此平台上进行的假肢手抓握力控制实验，结果验证了控制系统的有效性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 假肢手抓握力控制

1．3 国内外研究现状

1．3．1 假肢手控制方法

1．3．2 传感器建模技术研究现状

1．3．3 PID参数整定方法研究现状

1．4 本文主要研究内容

2 腱驱动假肢手动态响应特性分析

2．1 引言

2．2 假肢手系统建模

2．2．1 假肢手手指建模

2．2．2 直流电机建模

2．3 假肢手响应特性分析

2．4 假肢手系统稳定性分析

2．5 本章小结

3 假肢手抓握力控制性能影响分析

3．1 引言

3．2 辨识建模方法研究

3．2．1 最小二乘法

3．2．2 近似最优辅助变量的四步算法

3．3 压力传感器FSR辨识建模

3．3．1 压力传感器标定

3．3．2 压力传感器辨识建模

3．4 假肢手抓握力控制性能分析

3．4．1 压力传感器动态模型对控制性能的影响分析

3．4．2 传感器响应延时对控制性能的影响分析

3．4．3 恢复弹簧刚度对控制性能的影响分析

3．4．4 物体刚度对控制性能的影响分析

3．4．5 建模误差对控制性能的影响分析

3．5 本章小结

4 假肢手抓握力模糊PD控制

4．1 引言

4．2 抓握力控制方案设计

4．3 模糊PID控制器初始参数整定

4．4 模糊逻辑系统设计

4．4．1 模糊逻辑推理系统原理

4．4．2 输入量与输出量的选择

4．4．3 输入输出变量的模糊化处理

4．4．4 量化因子及比例因子的选择

4．4．5 模糊控制查询表及输出量计算

4．5 模糊PID控制性能仿真研究

4．5．1 仿真计算及结果分析

4．6 本章小结

5 抓握力控制性能实验研究

5．1 引言

5．2 假肢手抓握力控制实验设备

5．3 模糊PID控制算法的程序实现

5．4 假肢手抓握力控制实验与分析

5．4．1 实验目的

5．4．2 实验方法

5．4．3 传感器特性对控制性能影响实验结果分析

5．4．4 模糊PID控制系统性能实验结果分析

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士期间的主要研究成果

致谢