操作感知一體化假手構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)及虛擬訓(xùn)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(dòng)作的肌電控制訓(xùn)練,輔助和指導(dǎo)新一代假手的設(shè)計(jì)調(diào)試、功能驗(yàn)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(shè)計(jì)制造與性能評(píng)估(課題編號(hào)2011CB013306)”,基于形封閉理論探討了新一代假手構(gòu)型的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)了一套集成了肌電信號(hào)采集、抓取動(dòng)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(xùn)

2、練系統(tǒng)。并從肌電信號(hào)的解碼時(shí)間、肌電解碼成功率以及和人手運(yùn)動(dòng)性能對(duì)比三個(gè)方面完成了對(duì)虛擬假手的性能評(píng)估。
　　首先針對(duì)人手抓握多點(diǎn)接觸的特點(diǎn),提出了一種基于形封閉理論的五指手構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。根據(jù)抓握動(dòng)作要求確定出五指手構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計(jì)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(qiáng)力抓取的形封閉性。引入范數(shù)域?qū)捫阅軆?yōu)化指標(biāo),在滿足形封閉前提下采用區(qū)間迭代算法實(shí)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(gè)重要參數(shù)的最佳設(shè)計(jì)結(jié)果,仿真試驗(yàn)的結(jié)果表明,優(yōu)化后的性能指標(biāo)較之前提高了16％。優(yōu)化的結(jié)果不僅可以指導(dǎo)假手的構(gòu)型設(shè)計(jì),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(xùn)練系統(tǒng),同時(shí)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(hào)并完成與VC++的程序接口、引入與真實(shí)假手一致的抓取動(dòng)作意圖的肌電解碼算法以及基于假手通用手指動(dòng)力學(xué)的抓取

4、控制方法,而虛擬假手的感知功能則包括實(shí)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(xué)和真實(shí)假手力矩傳感器實(shí)驗(yàn)結(jié)果的虛擬力矩-位置傳感器。
　　最后基于肌電信號(hào)的解碼時(shí)間、肌電解碼成功率以及虛擬假手與人手關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)性能的對(duì)比三個(gè)方面完成了對(duì)假手虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的性能評(píng)估。分析了虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)肌電解碼時(shí)間的組成和計(jì)算方法,設(shè)計(jì)并完成了虛擬假手抓取動(dòng)作的肌電解碼實(shí)驗(yàn),得出了6種基本抓