基于肌电信号的仿人型假手及其抓取力控制研究

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1、基于肌电信号的仿人型假手及其抓取力控制研究博士学位论文基于肌电信号的仿人型假手及其抓取力控制的研究RESEARCHONEMG-BASEDGRASPFORCECONTROLOFTHEANTHROPOMORPHICPROSTHETICHAND王新庆哈尔滨工业大学2012年4月国内图书分类号:TP241.3学校代码:10213国际图书分类号:681.5密级:公开工学博士学位论文基于肌电信号的仿人型假手及其抓取力控制的研究博士研究生:王新庆导师:刘宏教授申请学位:工学博士学科:机械电子工程所在单位:机电工程学院答辩日期:2012年4月授予学位单位:哈尔滨工业大学ClassifiedI

2、ndex:TP241.3U.D.C.:681.5DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONEMG-BASEDGRASPFORCECONTROLOFTHEANTHROPOMORPHICPROSTHETICHANDWangXinqingCandidate:Prof.LiuHongSupervisor:DoctorofEngineeringAcademicDegreeAppliedfor:MechatronicsEngineeringSpeciality:Affiliation:SchoolofMechatroni

3、csEngineeringApril,2012DateofDefence:HarbinInstituteofTechnologyDegree-Conferring-Institution:摘要摘要多自由度肌电假手是一种主要面向残疾人应用的仿生装置,它融合了生物医学、机器人学、计算机学以及控制学等多个学科,其发展趋势也朝着仿人化、智能化、控制自然化的方向转变。然而,不论是其结构本体还是控制方式仍然与自然人手存在较大差距,大大延缓了假手的实用化进程。因此,本文针对多自由度仿人假手的相关技术进行研究,以提高假手的外观、运动方式以及功能的仿人性为目标,以期通过一种自然的控制方法改善假

4、手的操作性能。主要研究内容包括:5自由度仿人假手的研制,假手连杆机构的运动学、静力学以及动力学分析,单指的柔顺控制研究,基于EMG的抓取力预测及实验等。本文首先从驱动、传动、感知、EMG控制方法等假手关键技术环节对国内外假手的研究现状进行了详细的分析。在此基础上立足于残疾人的实际需求,基于仿生机电一体化的思想研制了新颖的五自由度假手。该假手采用五指独立驱动方式,具有仿人形的外观以及运动方式,在人手大小的空间内实现了驱动、传动、控制、力/位感知等众多功能的集成。具体地,以人手掌型为依据,通过各手指位姿的特殊布置设计了一个弧形掌面;以人手的运动规律为基础,通过平面耦合连杆机构实现

5、了各手指的仿人形运动轨迹,特别地,针对拇指独特的空间锥面运动方式,通过抓取仿真与昀大化交截体积结合的方法设计了特殊构型的拇指,并通过空间连杆机构实现;以机械本体为依托,采用柔性走线方式将传感以及控制模块巧妙集成,通过仿人形的手皮昀终实现了功能仿人性与外观仿人性的融合。对假手的控制需要建立在其数学模型的基础上,因此,本文针对假手的连杆机构进行了运动学、静力学、以及动力学分析。不同于通常的串连机器人分析方法,针对闭链机构固有的运动规律,分别采用拆分杆组法以及回转变换张量法分析了平面以及空间耦合连杆机构的运动学,采用拆分杆组法分析了耦合连杆机构的静力学,在上述基础上采用虚拟弹簧法与

6、拉格朗日法相结合进行了动力学分析,从而能够获得完全解耦的动力学模型。上述分析一脉相承,既验证了预期的设计目标又为假手的控制奠定了基础。假手抓取能力的高低在一定程度上取决于单指的控制性能,本文采用阻抗力跟踪的控制方法以兼顾接触的柔顺性以及接触力控制的准确性。针对阻抗控制中接触力控制较差的问题引入间接自适应方法估计环境参数;基于假手传-I-摘要感器的配置,采用信号融合以及模糊PD方法提高位置控制精度;采用广义动量扰动观测器实现基于关节力矩的接触力估计,提高力信号的质量。通过假手接触不同硬度物体以及环境位置变化下的实验表明,该阻抗控制方法能够以较高的精度跟踪恒定的期望接触力。假手作

7、为人手的替代装置,其控制方式也必须尽可能地符合人的认知规律。本文首先提出了基于多通道EMG的抓取模式以及力信息提取方法,为假手控制提供更为丰富的信号源。重点针对抓取力信息的提取进行了研究,采用支持向量回归建立力预测模型,并采用多变量参数优化方法对模型参数进行优化,以提高力预测的准确性及快速性;通过离散卡尔曼滤波法削弱EMG信号畸变引起的精度降低,以提高控制系统的安全性。在此基础上采用静力平衡方法分配各指抓取力,通过骨骼算法计算接触点,三指抓取实验验证了各指抓取力可以根据预测力动态调整。关键词:仿人假手;