手指運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)及對(duì)機(jī)械手的控制研究.pdf

1、手指運(yùn)動(dòng)姿態(tài)反映了手指的運(yùn)動(dòng)功能，手指運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)是評(píng)測(cè)手指運(yùn)動(dòng)功能，為醫(yī)療、體育仿生學(xué)等研究提供參考數(shù)據(jù)的重要手段。通過(guò)對(duì)手指運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的測(cè)量，分析、揭示手指的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以為康復(fù)醫(yī)學(xué)、運(yùn)動(dòng)仿生學(xué)、人-機(jī)工程學(xué)等領(lǐng)域?qū)κ种高\(yùn)動(dòng)的研究提供準(zhǔn)確、可靠的參考依據(jù)。
　　本文在了解國(guó)內(nèi)外關(guān)于手指運(yùn)動(dòng)姿態(tài)檢測(cè)方法的基礎(chǔ)上，采用加速度傳感器檢測(cè)手指的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。在對(duì)加速度傳感器角度測(cè)量原理分析的基礎(chǔ)上，為了驗(yàn)證傳感器測(cè)量動(dòng)態(tài)角度的可行性，設(shè)計(jì)了

2、靜態(tài)角度和動(dòng)態(tài)角度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示傳感器靜態(tài)測(cè)量絕對(duì)誤差小于1.5°，動(dòng)態(tài)測(cè)量的絕對(duì)誤差主要分布在1～2.5°之間，相對(duì)誤差主要分布在3％～6%之間；在此基礎(chǔ)上，利用傳感器測(cè)量食指做屈指運(yùn)動(dòng)時(shí)三個(gè)關(guān)節(jié)角度的變化，并結(jié)合動(dòng)態(tài)攝像系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，將傳感器所測(cè)手指關(guān)節(jié)的角度和動(dòng)態(tài)攝像所測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，誤差統(tǒng)計(jì)的結(jié)果表明測(cè)量的絕對(duì)誤差主要分布在0.5～3.5°，相對(duì)誤差主要分布在2%～4%；利用加速度傳感器又進(jìn)一步對(duì)食指在做屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)的角度、角

3、速度、角加速度等運(yùn)動(dòng)學(xué)信息進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明食指做屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)三個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)既表現(xiàn)出同步性，又具有差異性。利用加速度傳感器又對(duì)手指在敲擊鍵盤這一手指常見(jiàn)動(dòng)作進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道情況相一致。
　　在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，將傳感器所測(cè)結(jié)果用于手指模型的控制。利用步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的可控性，制作了以步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源的三自由度單指模型。利用DSPTMS320F2812內(nèi)部自帶的12位AD模塊采集食指在屈指過(guò)程中三個(gè)指節(jié)上的傳感器的

4、數(shù)據(jù)，在DSP內(nèi)部將傳感器的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成角度信息，根據(jù)此角度信息，利用DSP事件管理器（EV）模塊里的比較器發(fā)送與此該角度信息相對(duì)應(yīng)的控制脈沖，脈沖輸入到基于L297、L298芯片的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，控制三個(gè)指節(jié)模型使之轉(zhuǎn)動(dòng)當(dāng)次傳感器所檢測(cè)的角度。結(jié)合動(dòng)態(tài)攝像將人手運(yùn)動(dòng)的角度和模型運(yùn)動(dòng)的角度進(jìn)行對(duì)比，并統(tǒng)計(jì)誤差的大小及誤差分布情況，結(jié)果顯示測(cè)量的絕對(duì)誤差最大值為5.5°，且主要集中在0～3°。
　　本文根據(jù)人手指尺寸大小及運(yùn)動(dòng)范圍，

5、模仿人手比例設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易三指機(jī)械手模型。該機(jī)械手有三個(gè)手指（拇指、食指、中指），手指采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)手指有3個(gè)自由度，總共有9個(gè)自由度。驅(qū)動(dòng)方式采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)方式采用簡(jiǎn)易蝸輪蝸桿配和同步帶傳動(dòng)。在機(jī)械制圖軟件Pro/E里完成手指各個(gè)零部件的設(shè)計(jì)，再根據(jù)機(jī)械加工圖完成各零部件的實(shí)物加工和組裝。本文進(jìn)一步利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械手的控制。將四個(gè)傳感器分別放置在手掌、拇指、食指、中指相應(yīng)位置，利用DSP檢測(cè)三個(gè)手指在做抓取運(yùn)