手指运动姿态检测及对机械手地控制的研究

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1、手指运动姿态检测及对机械手的控制研究重庆大学硕士学位论文学生姓名：蔡全指导教师：侯文生教授专业：生物医学工程学科门类：工学重庆大学生物工程学院二O一一年四月DetectionofFingerMotionGestureandItsStudyontheControlofManipulatorAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDegreeofMasterofEngineeringByCaiQuanSupervisedbyProf.HouWenshengMajo

2、r:BiomedicalEngineeringCollegeofBiologicalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril,20112中文摘要摘要手指运动姿态反映了手指的运动功能，手指运动姿态检测是评测手指运动功能，为医疗、体育仿生学等研究提供参考数据的重要手段。通过对手指运动姿态的测量，分析、揭示手指的运动规律，可以为康复医学、运动仿生学、人-机工程学等领域对手指运动的研究提供准确、可靠的参考依据。本文在了解国内外关于手指运动姿态检测方法的基础上，采用加速度传感器检测手指的运动姿态。在对加速度传感器角度测量

3、原理分析的基础上，为了验证传感器测量动态角度的可行性，设计了静态角度和动态角度测量实验，结果显示传感器静态测量绝对误差小于1.5°，动态测量的绝对误差主要分布在1～2.5°之间，相对误差主要分布在3%～6%之间；在此基础上，利用传感器测量食指做屈指运动时三个关节角度的变化，并结合动态摄像系统进行验证，将传感器所测手指关节的角度和动态摄像所测结果进行对比，误差统计的结果表明测量的绝对误差主要分布在0.5～3.5°，相对误差主要分布在2%～4%；利用加速度传感器又进一步对食指在做屈伸运动时的角度、角速度、角加速度等运动学信息进行了检测，结果表明食指做屈伸运动时三个关节的运动既表现

4、出同步性，又具有差异性。利用加速度传感器又对手指在敲击键盘这一手指常见动作进行了检测，检测结果与相关文献报道情况相一致。在验证实验基础上，将传感器所测结果用于手指模型的控制。利用步进电机转动角度的可控性，制作了以步进电机作为驱动源的三自由度单指模型。利用DSPTMS320F2812内部自带的12位AD模块采集食指在屈指过程中三个指节上的传感器的数据，在DSP内部将传感器的电压信号转换成角度信息，根据此角度信息，利用DSP事件管理器（EV）模块里的比较器发送与此该角度信息相对应的控制脉冲，脉冲输入到基于L297、L298芯片的电机驱动模块，控制三个指节模型使之转动当次传感器所检

5、测的角度。结合动态摄像将人手运动的角度和模型运动的角度进行对比，并统计误差的大小及误差分布情况，结果显示测量的绝对误差最大值为5.5°，且主要集中在0～3°。本文根据人手指尺寸大小及运动范围，模仿人手比例设计了一个简易三指机械手模型。该机械手有三个手指（拇指、食指、中指），手指采用模块化设计，每个手指有3个自由度，总共有9个自由度。驱动方式采用步进电机驱动，传动方式采用简易蜗轮蜗杆配和同步带传动。在机械制图软件Pro/E里完成手指各个零部件的设计，再根据机械加工图完成各零部件的实物加工和组装。本文进一步利用加速度传感器实现了对机械手的控制。将四个传感器分别放置在手掌、拇指、食

6、I重庆大学硕士学位论文指、中指相应位置，利用DSP检测三个手指在做抓取运动时各个传感器的数据，分别检测出拇指、食指、中指相对于手掌的弯曲角度，将此角度信息作为控制信号，控制机械手使其模仿人手指的抓取运动，可通过改变控制脉冲的频率实现对机械手运动速度的调节。关键词：手指运动，加速度传感器，角度，数字信号处理器，机械手II英文摘要ABSTRACTThegestureofthefingermovementreflectsthemotorfunctionofthefinger.Thedetectionoffingermotiongestureisanimportantmeanstoe

7、valuatemotorfunctionofthefingerandprovidereferencedatafortheresearchonmedicalandsportsbionics.Thedetectionoffingermotiongestureandanalysingthedisciplineofthefinger’smotioncanprovideaccurateandreliablereferenceforthestudyonthemotionofthefingerinthefieldof