本文關(guān)鍵詞：基于肌電控制的柔性仿人靈巧手研究　出處：《中國科學技術(shù)大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：仿人靈巧手一直是機器人領(lǐng)域的研究熱點方向之一。隨著應(yīng)用需求的提升和應(yīng)用環(huán)境的拓展,近年來柔性仿人靈巧手逐漸引起廣泛關(guān)注。柔性靈巧手與剛性靈巧手的差異主要體現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式、結(jié)構(gòu)設(shè)計和適應(yīng)性控制機制等方面。柔性靈巧手多選用智能材料或柔性材料作為主要組成部分,在應(yīng)用中也會在整體結(jié)構(gòu)中加入一些剛性骨骼增加支撐。這種復合結(jié)構(gòu)不僅具有變形能力,還能夠作為支撐結(jié)構(gòu)和執(zhí)行結(jié)構(gòu),與環(huán)境柔性交互,擁有更好的適應(yīng)性。肌電信號的本質(zhì)是眾多肌纖維中運動單元動作電位在時間和空間上的疊加,可被用于人機交互領(lǐng)域,提供一種更自然、便捷和高效的控制方式,多應(yīng)用在假肢控制、移動設(shè)備操控、手語識別等方面。本文設(shè)計了研制了一個基于肌電信號控制的大變形柔性仿人靈巧手,開展的主要研究內(nèi)容和取得的成果如下:(1)柔性仿人靈巧手的仿生設(shè)計和制作工藝研究。對人手復雜結(jié)構(gòu)進行分析,提出骨骼-筋腱-肌肉的仿人靈巧手結(jié)構(gòu)模式,每個手指為獨立的運動單元,包含剛性的掌骨結(jié)構(gòu)和柔性復合指骨結(jié)構(gòu),尺寸參數(shù)依據(jù)仿生設(shè)計。柔性指骨結(jié)構(gòu)包括了驅(qū)動層、恢復層和柔性層的復合結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了基于形狀記憶合金絲(簡稱SMA)驅(qū)動的連續(xù)變形體設(shè)計。根據(jù)人手關(guān)節(jié)運動特點設(shè)計鉸鏈關(guān)節(jié),實現(xiàn)指骨和掌骨的相對運動,由往復合金絲獨立驅(qū)動,增強了柔性復合手指驅(qū)動器的運動能力。掌骨外骨骼設(shè)計根據(jù)滿足能夠?qū)崿F(xiàn)對指動作的原則,使得抓握動作更加自然且有力。在柔性復合手指驅(qū)動器的制作過程中,提出模具成型和分層澆筑工藝,分層澆筑保證了手指驅(qū)動器的多層結(jié)構(gòu)特性。系統(tǒng)集成通信單元、控制單元、電源和柔性仿人靈巧手,完成一體化設(shè)計。(2)柔性復合手指驅(qū)動器的運動分析和熱動力學建模仿真。柔性復合手指驅(qū)動器作為一種連續(xù)變形體,其運動包括兩個部分:鉸鏈關(guān)節(jié)帶動柔性復合指骨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動,柔性指骨變形實現(xiàn)兩級彎曲。對其空間運動選用末端位移和彎曲角度作為描述量,建模分析得出位移、彎曲角度和驅(qū)動器彎曲SMA絲收縮量的變換關(guān)系,進而得出和往復SMA絲收縮量的變換關(guān)系。根據(jù)SMA絲的理論收縮變化,在MATLAB中實現(xiàn)柔性復合于指驅(qū)動器末端位移和彎曲角度分布點云圖。對SMA絲的形狀記憶效應(yīng)和超彈性進行分析,對本文中所使用的的SMA絲進行DMA和DSC測試。采用Comsol對柔性復合手指驅(qū)動器進行熱動力學分析,對復合結(jié)構(gòu)進行建模,分析SMA絲通電加熱時熱影響,發(fā)現(xiàn)復合手指結(jié)構(gòu)的熱積累嚴重,隨著加熱時間上升,復合手指結(jié)構(gòu)的變形能力下降。(3)柔性仿人靈巧手的運動性能和輸出力實驗及肌電控制手勢實現(xiàn)研究。對于柔性復合手指驅(qū)動器的兩級彎曲能力進行實驗,分析柔性復合指骨結(jié)構(gòu)能夠達到的彎曲變形范圍,采用對比法研究鉸鏈關(guān)節(jié)和預(yù)緊力設(shè)置對驅(qū)動器運動能力的影響。搭建驅(qū)動器末端力測試平臺,對各手指驅(qū)動器的輸出進行分段測量,分析SMA絲長度、指骨掌骨長度、指骨掌骨長度比、鉸鏈關(guān)節(jié)對柔性復合手指驅(qū)動器的輸出力影響。完成肌電信號控制下的柔性仿人靈巧手的手勢動作實驗,保證了實時同步與連續(xù),對手勢動作中各手指進行運動狀態(tài)和運動時序分解,使得靈巧手能夠?qū)崿F(xiàn)相似度高的手勢,驗證了肌電信號控制的手勢實現(xiàn)和作為靈巧手假肢控制的可行性。
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP242

【參考文獻】

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2 樊紹巍;劉伊威;金明河;蘭天;陳兆們;劉宏;趙大威;;HIT/DLR HandⅡ類人形五指靈巧手機構(gòu)的研究[J];哈爾濱工程大學學報;2009年02期

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本文編號：1332512