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器人領(lǐng)域的研究熱點方向之一。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)動方式、結(jié)構(gòu)設(shè)計和適應(yīng)性控制機制等方面。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。
　　肌電信號的本質(zhì)是眾多肌纖

2、維中運動單元動作電位在時間和空間上的疊加，可被用于人機交互領(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、移動設(shè)備操控、手語識別等方面。
　　本文設(shè)計了研制了一個基于肌電信號控制的大變形柔性仿人靈巧手，開展的主要研究內(nèi)容和取得的成果如下:
　　(1)柔性仿人靈巧手的仿生設(shè)計和制作工藝研究。對人手復(fù)雜結(jié)構(gòu)進行分析，提出骨骼-筋腱-肌肉的仿人靈巧手結(jié)構(gòu)模式，每個手指為獨立的運動單元，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。柔性指骨結(jié)構(gòu)包括了驅(qū)動層、恢復(fù)層和柔性層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了基于形狀記憶合金絲(簡稱SMA)驅(qū)動的連續(xù)變形體設(shè)計。根據(jù)人手關(guān)節(jié)運動特點設(shè)計鉸鏈關(guān)節(jié)，實現(xiàn)指骨和掌骨的相對運動，由往復(fù)合金絲獨立驅(qū)動，增強了柔性復(fù)合手指驅(qū)動器的運動能力。掌骨外骨骼設(shè)計根據(jù)滿足能夠?qū)崿F(xiàn)對指動作的原則，使得抓握動作更加自然且有力。在柔性復(fù)合手指驅(qū)動器的制作過程中，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。
　　(2)柔性復(fù)合手指驅(qū)動器的運動分析和熱動力學(xué)建模仿真。柔性復(fù)合手指驅(qū)動器作為一種連續(xù)變形體，其運動包括兩個部分:鉸鏈關(guān)節(jié)帶動柔性復(fù)合指骨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動，柔性指骨變形實現(xiàn)兩級彎曲。對其空間運動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)動器彎曲SMA絲收縮量的變換關(guān)系，進而得出和往復(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

5、現(xiàn)柔性復(fù)合手指驅(qū)動器末端位移和彎曲角度分布點云圖。對SMA絲的形狀記憶效應(yīng)和超彈性進行分析，對本文中所使用的的SMA絲進行DMA和DSC測試。采用Comsol對柔性復(fù)合手指驅(qū)動器進行熱動力學(xué)分析，對復(fù)合結(jié)構(gòu)進行建模，分析SMA絲通電加熱時熱影響，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動性能和輸出力實驗及肌電控制手勢實現(xiàn)研究。對于柔性復(fù)合手指驅(qū)動器的兩級彎曲能力進行

6、實驗，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，采用對比法研究鉸鏈關(guān)節(jié)和預(yù)緊力設(shè)置對驅(qū)動器運動能力的影響。搭建驅(qū)動器末端力測試平臺，對各手指驅(qū)動器的輸出進行分段測量，分析SMA絲長度、指骨掌骨長度、指骨掌骨長度比、鉸鏈關(guān)節(jié)對柔性復(fù)合手指驅(qū)動器的輸出力影響。完成肌電信號控制下的柔性仿人靈巧手的手勢動作實驗，保證了實時同步與連續(xù)，對手勢動作中各手指進行運動狀態(tài)和運動時序分解，使得靈巧手能夠?qū)崿F(xiàn)相似度高的手勢，驗證了肌電信號控制的手勢實現(xiàn)和