假手交互控制系統(tǒng)及基于壓力分布的多動作模式識別研究.pdf

1、近年來,假手在外形、結構、靈活度等方面實現(xiàn)了對人手的高度模仿,出現(xiàn)了眾多外形逼真、重量接近人手、具有多關節(jié)多自由度的新型仿生假手。然而,在假手與人體間的雙向信息交互方面的研究相對滯后,仍不具備從人體準確識別多種手部動作模式和向人體反饋可靠、細致的手部感覺的能力。本文針對多自由度假手的交互控制問題,以建立假手與人體間的雙向信息交互控制系統(tǒng)為目標,并基于該系統(tǒng)研究多種手部動作模式的識別方法。主要研究內容包括:高性能、集成化假手控制系統(tǒng)的研制

2、,基于壓力分布和電刺激的人機交互接口研制,基于壓力分布的手部多動作模式特征獲取方法和識別方法的研究,以及相關的實驗研究等方面。
　　本文首先對國內外新型的仿生型多自由度假手、典型假手交互控制系統(tǒng)和方法進行了細致的綜述。隨后建立了假手交互控制系統(tǒng)總體結構,將其劃分為假手控制系統(tǒng)和人機交互接口兩部分。具體地,假手控制系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)組成,其中傳感器系統(tǒng)由關節(jié)力矩傳感器、關節(jié)位置傳感器和電機編碼器組成,用于向運動控制系統(tǒng)和

3、人機交互接口提供所需的傳感信息。運動控制系統(tǒng)基于高性能DSP和集成電路芯片設計,用于實現(xiàn)對假手各手指的運動控制、傳感器信息采集以及實時通訊等功能。通過集成化設計,最終實現(xiàn)了將假手控制系統(tǒng)完全集成在僅有人手體積90％的假手內部。
　　以實現(xiàn)假手與人體間的雙向信息交互為目標,設計了基于壓力分布與電刺激的人機交互接口。該接口采用壓力傳感器陣列采集前臂表面壓力分布信號作為人體對假手動作的控制信號。通過壓力傳感器的選擇、傳感器陣列的配置以及

4、信號采集單元的設計獲得了信號穩(wěn)定、幅值高、可識別性好的壓力分布信號。另外,基于經皮電刺激原理,經過電刺激波形及參數(shù)選擇、電刺激器硬件設計、刺激電極的選擇等設計步驟,實現(xiàn)了向人體安全、清晰、舒適的反饋握力感覺。通過脫離視覺抓取和易碎物抓取實驗表明,所研制的交互接口顯著增強了假手的操作性和可靠性。
　　為了實現(xiàn)基于壓力分布信號對多種手部動作模式進行識別,本文提取了包括各手指單獨彎曲/伸展和多指抓取/伸展在內的17種手部動作模式的壓力分

5、布信號組成識別特征,實現(xiàn)了良好的可分辨性。針對原始壓力分布特征維度高的問題,提出了基于主成份分析(PCA)、離散量子粒子群(DQPSO)以及DQPSO結合PCA的特征獲取方法,用于從原始壓力分布信號中獲取維度低、可分性高的壓力分布特征。比較實驗和可分性分析表明, PCA法和DQPSO法在獲得了明顯的降維效果的同時,保證了良好的可分性。
　　進一步的,為了實現(xiàn)對所獲得的多種手部動作模式特征準確可靠的識別,本文提出基于KNN算法、SV