基于肌電控制的柔性仿人靈巧手研究.pdf

1、仿人靈巧手一直是機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)方向之一。隨著應(yīng)用需求的提升和應(yīng)用環(huán)境的拓展，近年來(lái)柔性仿人靈巧手逐漸引起廣泛關(guān)注。柔性靈巧手與剛性靈巧手的差異主要體現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和適應(yīng)性控制機(jī)制等方面。柔性靈巧手多選用智能材料或柔性材料作為主要組成部分，在應(yīng)用中也會(huì)在整體結(jié)構(gòu)中加入一些剛性骨骼增加支撐。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅具有變形能力，還能夠作為支撐結(jié)構(gòu)和執(zhí)行結(jié)構(gòu)，與環(huán)境柔性交互，擁有更好的適應(yīng)性。
　　肌電信號(hào)的本質(zhì)是眾多肌纖

2、維中運(yùn)動(dòng)單元?jiǎng)幼麟娢辉跁r(shí)間和空間上的疊加，可被用于人機(jī)交互領(lǐng)域，提供一種更自然、便捷和高效的控制方式，多應(yīng)用在假肢控制、移動(dòng)設(shè)備操控、手語(yǔ)識(shí)別等方面。
　　本文設(shè)計(jì)了研制了一個(gè)基于肌電信號(hào)控制的大變形柔性仿人靈巧手，開展的主要研究?jī)?nèi)容和取得的成果如下:
　　(1)柔性仿人靈巧手的仿生設(shè)計(jì)和制作工藝研究。對(duì)人手復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出骨骼-筋腱-肌肉的仿人靈巧手結(jié)構(gòu)模式，每個(gè)手指為獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)單元，包含剛性的掌骨結(jié)構(gòu)和柔性復(fù)合指骨

3、結(jié)構(gòu)，尺寸參數(shù)依據(jù)仿生設(shè)計(jì)。柔性指骨結(jié)構(gòu)包括了驅(qū)動(dòng)層、恢復(fù)層和柔性層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了基于形狀記憶合金絲(簡(jiǎn)稱SMA)驅(qū)動(dòng)的連續(xù)變形體設(shè)計(jì)。根據(jù)人手關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)鉸鏈關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)指骨和掌骨的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由往復(fù)合金絲獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，增強(qiáng)了柔性復(fù)合手指驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)能力。掌骨外骨骼設(shè)計(jì)根據(jù)滿足能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)指動(dòng)作的原則，使得抓握動(dòng)作更加自然且有力。在柔性復(fù)合手指驅(qū)動(dòng)器的制作過(guò)程中，提出模具成型和分層澆筑工藝，分層澆筑保證了手指驅(qū)動(dòng)器的多層結(jié)構(gòu)特性。系統(tǒng)集

4、成通信單元、控制單元、電源和柔性仿人靈巧手，完成一體化設(shè)計(jì)。
　　(2)柔性復(fù)合手指驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)分析和熱動(dòng)力學(xué)建模仿真。柔性復(fù)合手指驅(qū)動(dòng)器作為一種連續(xù)變形體，其運(yùn)動(dòng)包括兩個(gè)部分:鉸鏈關(guān)節(jié)帶動(dòng)柔性復(fù)合指骨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，柔性指骨變形實(shí)現(xiàn)兩級(jí)彎曲。對(duì)其空間運(yùn)動(dòng)選用末端位移和彎曲角度作為描述量，建模分析得出位移、彎曲角度和驅(qū)動(dòng)器彎曲SMA絲收縮量的變換關(guān)系，進(jìn)而得出和往復(fù)SMA絲收縮量的變換關(guān)系。根據(jù)SMA絲的理論收縮變化，在MATLAB中實(shí)

5、現(xiàn)柔性復(fù)合手指驅(qū)動(dòng)器末端位移和彎曲角度分布點(diǎn)云圖。對(duì)SMA絲的形狀記憶效應(yīng)和超彈性進(jìn)行分析，對(duì)本文中所使用的的SMA絲進(jìn)行DMA和DSC測(cè)試。采用Comsol對(duì)柔性復(fù)合手指驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行熱動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，分析SMA絲通電加熱時(shí)熱影響，發(fā)現(xiàn)復(fù)合手指結(jié)構(gòu)的熱積累嚴(yán)重，隨著加熱時(shí)間上升，復(fù)合手指結(jié)構(gòu)的變形能力下降。
　　(3)柔性仿人靈巧手的運(yùn)動(dòng)性能和輸出力實(shí)驗(yàn)及肌電控制手勢(shì)實(shí)現(xiàn)研究。對(duì)于柔性復(fù)合手指驅(qū)動(dòng)器的兩級(jí)彎曲能力進(jìn)行

6、實(shí)驗(yàn)，分析柔性復(fù)合指骨結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到的彎曲變形范圍，采用對(duì)比法研究鉸鏈關(guān)節(jié)和預(yù)緊力設(shè)置對(duì)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)能力的影響。搭建驅(qū)動(dòng)器末端力測(cè)試平臺(tái)，對(duì)各手指驅(qū)動(dòng)器的輸出進(jìn)行分段測(cè)量，分析SMA絲長(zhǎng)度、指骨掌骨長(zhǎng)度、指骨掌骨長(zhǎng)度比、鉸鏈關(guān)節(jié)對(duì)柔性復(fù)合手指驅(qū)動(dòng)器的輸出力影響。完成肌電信號(hào)控制下的柔性仿人靈巧手的手勢(shì)動(dòng)作實(shí)驗(yàn)，保證了實(shí)時(shí)同步與連續(xù)，對(duì)手勢(shì)動(dòng)作中各手指進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)時(shí)序分解，使得靈巧手能夠?qū)崿F(xiàn)相似度高的手勢(shì)，驗(yàn)證了肌電信號(hào)控制的手勢(shì)實(shí)現(xiàn)和