操作感知一體化假手構(gòu)型優(yōu)化設計及虛擬訓練系統(tǒng)的研究.pdf

1、為了幫助新一代假手的使用者完成抓取動作的肌電控制訓練,輔助和指導新一代假手的設計調(diào)試、功能驗證和產(chǎn)品優(yōu)化,結(jié)合國家“973”課題“操作感知一體化靈巧假肢設計制造與性能評估(課題編號2011CB013306)”,基于形封閉理論探討了新一代假手構(gòu)型的優(yōu)化設計方法以及虛擬假手抓取穩(wěn)定狀態(tài)的判定規(guī)則,在此基礎(chǔ)上設計了一套集成了肌電信號采集、抓取動作意圖肌電解碼、抓取控制方法、碰撞檢測以及虛擬力矩-位置傳感器完整的高沉浸性操作感知一體化假手虛擬訓

2、練系統(tǒng)。并從肌電信號的解碼時間、肌電解碼成功率以及和人手運動性能對比三個方面完成了對虛擬假手的性能評估。
　　首先針對人手抓握多點接觸的特點,提出了一種基于形封閉理論的五指手構(gòu)型優(yōu)化設計方法。根據(jù)抓握動作要求確定出五指手構(gòu)型優(yōu)化設計所需要的參數(shù),并通過J判別函數(shù)方法判別多參數(shù)輸入下五指手強力抓取的形封閉性。引入范數(shù)域?qū)捫阅軆?yōu)化指標,在滿足形封閉前提下采用區(qū)間迭代算法實現(xiàn)的五指手構(gòu)型的可行區(qū)間最大化。以球形抓取為例,求出了拇指指骨長

3、度等5個重要參數(shù)的最佳設計結(jié)果,仿真試驗的結(jié)果表明,優(yōu)化后的性能指標較之前提高了16％。優(yōu)化的結(jié)果不僅可以指導假手的構(gòu)型設計,也可以用于虛擬假手抓取穩(wěn)定狀態(tài)的判別。
　　其次基于VC++和Open Inventor建立了假手虛擬訓練系統(tǒng),同時集成了虛擬假手的操作、感知兩大功能。虛擬假手的操作功能包括利用NI-DAQ采集肌電信號并完成與VC++的程序接口、引入與真實假手一致的抓取動作意圖的肌電解碼算法以及基于假手通用手指動力學的抓取

4、控制方法,而虛擬假手的感知功能則包括實現(xiàn)虛擬假手與虛擬物體的碰撞檢測、制定基于碰撞檢測與形封閉理論的抓取成功判定規(guī)則以及引入基于虛擬假手手指靜力學和真實假手力矩傳感器實驗結(jié)果的虛擬力矩-位置傳感器。
　　最后基于肌電信號的解碼時間、肌電解碼成功率以及虛擬假手與人手關(guān)鍵運動性能的對比三個方面完成了對假手虛擬訓練系統(tǒng)的性能評估。分析了虛擬訓練系統(tǒng)肌電解碼時間的組成和計算方法,設計并完成了虛擬假手抓取動作的肌電解碼實驗,得出了6種基本抓