仿人型假手指尖三維力觸覺(jué)傳感器及動(dòng)態(tài)抓取研究.pdf

1、仿人型假手是一種主要面向殘疾人應(yīng)用的仿生裝置，它融合了生物醫(yī)學(xué)、機(jī)器人學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)以及控制學(xué)等多個(gè)學(xué)科，其發(fā)展趨勢(shì)也朝著仿人化、智能化、控制自然化的方向轉(zhuǎn)變。然而，不論是其機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)還是控制方式仍然與人手存在較大差距，大大延緩了假手的實(shí)用化進(jìn)程。因此，本文針對(duì)多自由度仿人型假手的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，以提高假手的觸覺(jué)感知以及穩(wěn)定抓取功能為目標(biāo)，以期通過(guò)一種基于觸覺(jué)傳感器信息反饋的動(dòng)態(tài)抓取控制方法改善假手的操作性能。主要研究

2、內(nèi)容包括：仿人型假手嵌入式控制系統(tǒng)的研制、指尖三維力觸覺(jué)傳感器以及靜態(tài)性能、假手自適應(yīng)阻抗力跟蹤控制、基于觸覺(jué)傳感器信息反饋的動(dòng)態(tài)抓取等。
　　本文首先從機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、傳感器配置、控制方法等假手關(guān)鍵技術(shù)對(duì)國(guó)內(nèi)外假手的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的分析。在此基礎(chǔ)上立足于殘疾人的實(shí)際需求，基于模塊化、分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想研制了仿人型假手嵌入式控制系統(tǒng)。本文研制了基于DSP&FPGA結(jié)構(gòu)的模塊化嵌入式控制系統(tǒng)，分為手指控制系統(tǒng)和手

3、掌控制系統(tǒng)，成功地將手指驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和控制系統(tǒng)集成在手指內(nèi)部；采用Rs-485總線實(shí)現(xiàn)了手指控制系統(tǒng)與手掌控制系統(tǒng)的四線電氣連接；為了實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的實(shí)時(shí)、高速通信，設(shè)計(jì)了USB3.0通信接口；嵌入式控制系統(tǒng)中集成了多路肌電信號(hào)采集系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)采集肌電信號(hào)控制假手運(yùn)動(dòng)。
　　以實(shí)現(xiàn)假手豐富觸覺(jué)感知以及假手局部自主控制為目標(biāo)，研制了指尖柔性三維力觸覺(jué)傳感器。該觸覺(jué)傳感器具有13個(gè)觸覺(jué)單元，每個(gè)觸覺(jué)單元可以同時(shí)檢測(cè)法向力和兩個(gè)

4、方向的切向力。通過(guò)對(duì)觸覺(jué)單元進(jìn)行力學(xué)分析和有限元仿真分析，建立了觸覺(jué)傳感器的三維力檢測(cè)模型。針對(duì)假手的多種抓取模式，對(duì)指尖進(jìn)行了區(qū)域劃分，設(shè)計(jì)了特殊形狀的指尖機(jī)械結(jié)構(gòu)和觸覺(jué)傳感器本體。針對(duì)陣列式觸覺(jué)傳感器的回路干擾問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于零電勢(shì)法的掃描電路，實(shí)現(xiàn)了觸覺(jué)傳感器陣列信號(hào)的高速采集和回路干擾問(wèn)題的解決。為了測(cè)試該傳感器的性能，設(shè)計(jì)了觸覺(jué)傳感器性能測(cè)試系統(tǒng)。采用支持向量機(jī)回歸分析對(duì)傳感器進(jìn)行了靜態(tài)標(biāo)定，并且針對(duì)靜態(tài)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。指

5、尖三維力觸覺(jué)傳感器系統(tǒng)的成功研制為仿人型假手在抓取任務(wù)中獲取接觸位置信號(hào)、接觸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決于單指位置和力控制性能，本文研究了假手自適應(yīng)阻抗力跟蹤控制以兼顧接觸的柔順性和抓取力控制的準(zhǔn)確性?；谟|覺(jué)傳感器檢測(cè)的接觸位置信息對(duì)手指運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)模型進(jìn)行修正，并且與力矩傳感器信息融合獲得接觸點(diǎn)處的精確接觸力信息。針對(duì)阻抗控制中接觸力控制較差的問(wèn)題，將力誤差信息引入阻抗控制中，采用自適應(yīng)離散

6、滑模阻抗控制方法實(shí)現(xiàn)了阻抗力跟蹤控制。引入間接自適應(yīng)方法估計(jì)環(huán)境參數(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)整阻抗控制參數(shù)和對(duì)參考軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整以適應(yīng)假手對(duì)未知物體的抓取。通過(guò)假手接觸不同剛度物體的實(shí)驗(yàn)表明，阻抗力跟蹤控制方法能夠以較高的精度跟蹤期望抓取力以兼顧接觸的柔順性，這為后續(xù)的動(dòng)態(tài)抓取研究奠定了基礎(chǔ)。
　　針對(duì)假手在抓取未知物體時(shí)可能受到外界干擾以及物體質(zhì)量發(fā)生變化導(dǎo)致抓取不穩(wěn)定而無(wú)法完成期望抓取任務(wù)的問(wèn)題，研究基于三維觸覺(jué)信息反饋的動(dòng)態(tài)抓取。在抓取過(guò)