仿人型假手指尖三維力觸覺傳感器及動態(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、機器人學、計算機學以及控制學等多個學科，其發(fā)展趨勢也朝著仿人化、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用化進程。因此，本文針對多自由度仿人型假手的相關(guān)技術(shù)進行研究，以提高假手的觸覺感知以及穩(wěn)定抓取功能為目標，以期通過一種基于觸覺傳感器信息反饋的動態(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、基于觸覺傳感器信息反饋的動態(tài)抓取等。
　　本文首先從機械結(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)對國內(nèi)外假手的研究現(xiàn)狀進行了詳細的分析。在此基礎(chǔ)上立足于殘疾人的實際需求，基于模塊化、分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計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；為了實現(xiàn)與PC機的實時、高速通信，設(shè)計了USB3.0通信接口；嵌入式控制系統(tǒng)中集成了多路肌電信號采集系統(tǒng)，用于實時采集肌電信號控制假手運動。
　　以實現(xiàn)假手豐富觸覺感知以及假手局部自主控制為目標，研制了指尖柔性三維力觸覺傳感器。該觸覺傳感器具有13個觸覺單元，每個觸覺單元可以同時檢測法向力和兩個

4、方向的切向力。通過對觸覺單元進行力學分析和有限元仿真分析，建立了觸覺傳感器的三維力檢測模型。針對假手的多種抓取模式，對指尖進行了區(qū)域劃分，設(shè)計了特殊形狀的指尖機械結(jié)構(gòu)和觸覺傳感器本體。針對陣列式觸覺傳感器的回路干擾問題，設(shè)計了基于零電勢法的掃描電路，實現(xiàn)了觸覺傳感器陣列信號的高速采集和回路干擾問題的解決。為了測試該傳感器的性能，設(shè)計了觸覺傳感器性能測試系統(tǒng)。采用支持向量機回歸分析對傳感器進行了靜態(tài)標定，并且針對靜態(tài)性能進行了實驗研究。指

5、尖三維力觸覺傳感器系統(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、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確性?；谟|覺傳感器檢測的接觸位置信息對手指運動學和力學模型進行修正，并且與力矩傳感器信息融合獲得接觸點處的精確接觸力信息。針對阻抗控制中接觸力控制較差的問題，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現(xiàn)了阻抗力跟蹤控制。引入間接自適應(yīng)方法估計環(huán)境參數(shù)，實時調(diào)整阻抗控制參數(shù)和對參考軌跡進行實時調(diào)整以適應(yīng)假手對未知物體的抓取。通過假手接觸不同剛度物體的實驗表明，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)的動態(tài)抓取研究奠定了基礎(chǔ)。
　　針對假手在抓取未知物體時可能受到外界干擾以及物體質(zhì)量發(fā)生變化導致抓取不穩(wěn)定而無法完成期望抓取任務(wù)的問題，研究基于三維觸覺信息反饋的動態(tài)抓取。在抓取過