假手交互控制系統(tǒng)及基于壓力分布的多動(dòng)作模式識(shí)別研究.pdf

1、近年來(lái),假手在外形、結(jié)構(gòu)、靈活度等方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(guān)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(duì)滯后,仍不具備從人體準(zhǔn)確識(shí)別多種手部動(dòng)作模式和向人體反饋可靠、細(xì)致的手部感覺(jué)的能力。本文針對(duì)多自由度假手的交互控制問(wèn)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(biāo),并基于該系統(tǒng)研究多種手部動(dòng)作模式的識(shí)別方法。主要研究?jī)?nèi)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(jī)交互接口研制,基于壓力分布的手部多動(dòng)作模式特征獲取方法和識(shí)別方法的研究,以及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究等方面。
　　本文首先對(duì)國(guó)內(nèi)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(jìn)行了細(xì)致的綜述。隨后建立了假手交互控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu),將其劃分為假手控制系統(tǒng)和人機(jī)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成,其中傳感器系統(tǒng)由關(guān)節(jié)力矩傳感器、關(guān)節(jié)位置傳感器和電機(jī)編碼器組成,用于向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和

3、人機(jī)交互接口提供所需的傳感信息。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)基于高性能DSP和集成電路芯片設(shè)計(jì),用于實(shí)現(xiàn)對(duì)假手各手指的運(yùn)動(dòng)控制、傳感器信息采集以及實(shí)時(shí)通訊等功能。通過(guò)集成化設(shè)計(jì),最終實(shí)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(nèi)部。
　　以實(shí)現(xiàn)假手與人體間的雙向信息交互為目標(biāo),設(shè)計(jì)了基于壓力分布與電刺激的人機(jī)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(hào)作為人體對(duì)假手動(dòng)作的控制信號(hào)。通過(guò)壓力傳感器的選擇、傳感器陣列的配置以及

4、信號(hào)采集單元的設(shè)計(jì)獲得了信號(hào)穩(wěn)定、幅值高、可識(shí)別性好的壓力分布信號(hào)。另外,基于經(jīng)皮電刺激原理,經(jīng)過(guò)電刺激波形及參數(shù)選擇、電刺激器硬件設(shè)計(jì)、刺激電極的選擇等設(shè)計(jì)步驟,實(shí)現(xiàn)了向人體安全、清晰、舒適的反饋握力感覺(jué)。通過(guò)脫離視覺(jué)抓取和易碎物抓取實(shí)驗(yàn)表明,所研制的交互接口顯著增強(qiáng)了假手的操作性和可靠性。
　　為了實(shí)現(xiàn)基于壓力分布信號(hào)對(duì)多種手部動(dòng)作模式進(jìn)行識(shí)別,本文提取了包括各手指單獨(dú)彎曲/伸展和多指抓取/伸展在內(nèi)的17種手部動(dòng)作模式的壓力分

5、布信號(hào)組成識(shí)別特征,實(shí)現(xiàn)了良好的可分辨性。針對(duì)原始?jí)毫Ψ植继卣骶S度高的問(wèn)題,提出了基于主成份分析(PCA)、離散量子粒子群(DQPSO)以及DQPSO結(jié)合PCA的特征獲取方法,用于從原始?jí)毫Ψ植夹盘?hào)中獲取維度低、可分性高的壓力分布特征。比較實(shí)驗(yàn)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(shí),保證了良好的可分性。
　　進(jìn)一步的,為了實(shí)現(xiàn)對(duì)所獲得的多種手部動(dòng)作模式特征準(zhǔn)確可靠的識(shí)別,本文提出基于KNN算法、SV