新型仿人假手及其動(dòng)態(tài)控制的研究.pdf

1、傳統(tǒng)的單自由度商用假手雖然也是一種典型的生物機(jī)電一體化系統(tǒng)，但只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的抓握，與人手還有很大的差距，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了殘疾人正常生活和工作的需要。目前殘疾人假手正朝著多自由度的方向發(fā)展，重量輕、體積小、可靠性高、自適應(yīng)抓握，控制簡(jiǎn)單和操作靈活是假手的發(fā)展趨勢(shì)。因此，本文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“新一代仿人型殘疾人假手系統(tǒng)及理論的研究”(項(xiàng)目編號(hào)：50435040)，研制了達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平的HIT-DLR新型仿人假手，并進(jìn)行了單手指的運(yùn)

2、動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，動(dòng)態(tài)軌跡跟蹤及其柔順控制的研究。
　　HIT-DLR新型仿人假手，外形和人手相似，共有五個(gè)手指，十五個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)，通過(guò)三個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，總重量約為500g。根據(jù)欠驅(qū)動(dòng)和耦合原理采用模塊化思想設(shè)計(jì)了假手的手指，手指有很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)靈活性和可靠性。設(shè)計(jì)了由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的三指聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)能完成對(duì)復(fù)雜物體的自適應(yīng)抓取，同時(shí)該機(jī)構(gòu)在外觀和運(yùn)動(dòng)形式上實(shí)現(xiàn)了仿人化設(shè)計(jì)，具有較高的運(yùn)動(dòng)一致性和保持固有位姿的能力；設(shè)計(jì)了仿人

3、拇指機(jī)構(gòu)，該拇指在一個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，能夠沿空間的錐面實(shí)現(xiàn)抓握，球軸承的使用使欠驅(qū)動(dòng)原理在空間機(jī)構(gòu)上得到了實(shí)現(xiàn)，同時(shí)為了保證抓握不同物體的有效性，用ADAMS進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，給出拇指的具體布置位置；設(shè)計(jì)基于應(yīng)變測(cè)量的、可以互換使用的基關(guān)節(jié)力矩傳感器?；诩苫乃枷朐O(shè)計(jì)假手的本體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)假手的機(jī)構(gòu)、傳感、驅(qū)動(dòng)和微處理器系統(tǒng)的集成，完成了假手的外包裝設(shè)計(jì)，包括假手外觀美化設(shè)計(jì)和假手的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。假手的抓取試驗(yàn)和負(fù)載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了假手的設(shè)計(jì)思

4、想。
　　進(jìn)行了食指連桿機(jī)構(gòu)和拇指空間連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，完成手指耦合四連桿的參數(shù)設(shè)計(jì)，確定連桿的機(jī)構(gòu)參數(shù)，并在ADAMS虛擬環(huán)境下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。建立假手欠驅(qū)動(dòng)單手指的靜力學(xué)模型，給出抓握不同物體時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩和各指節(jié)受力之間的關(guān)系，使用ADAMS進(jìn)行了驗(yàn)證，并使用壓力傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。基于手指，由MATLAB和ADAMS進(jìn)行了仿真、比較，得到了一致的結(jié)果，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　假手的手指控制性能直接影響假手的操作性能

5、，是假手設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。單手指可以看作一個(gè)小機(jī)器人，手指的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，也是為手指的控制做準(zhǔn)備。在控制方面，首先結(jié)合假手的控制系統(tǒng)平臺(tái)，進(jìn)行了計(jì)算力矩法的軌跡跟蹤控制實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果大大減小了PID軌跡跟蹤的誤差，提高了動(dòng)態(tài)性能，取得了良好的軌跡跟蹤效果，消除了在運(yùn)動(dòng)控制中扭簧造成的不可控性；由于假手手指只有位置傳感器，這就不可避免地給控制帶來(lái)了的誤差，為了減少這種誤差，建立了基于假手手指動(dòng)力學(xué)模型的速度觀測(cè)器，該觀測(cè)器運(yùn)用在手指的控

6、制中可以通過(guò)手指的位置傳感器信號(hào)和動(dòng)力學(xué)模型準(zhǔn)確的獲得速度信號(hào)，彌補(bǔ)了假手沒(méi)有速度傳感器的缺點(diǎn)，大大減小了控制誤差。加入速度觀測(cè)器的計(jì)算力矩軌跡跟蹤算法，進(jìn)一步減小了跟蹤誤差；結(jié)合了速度觀測(cè)器的自適應(yīng)控制器，補(bǔ)償動(dòng)力學(xué)模型的中的不確定因素，減小了速度誤差，使手指的動(dòng)態(tài)控制效果比較理想。
　　當(dāng)假手在完成與環(huán)境接觸的作業(yè)時(shí)，手指的柔順性十分重要，阻抗控制是實(shí)現(xiàn)手指主動(dòng)柔順的主要方法之一，得到深入研究和廣泛應(yīng)用。本文分別通過(guò)基于位置和