新型仿人假手及其動態(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電一體化系統(tǒng)，但只能進行簡單的抓握，與人手還有很大的差距，遠遠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，控制簡單和操作靈活是假手的發(fā)展趨勢。因此，本文結(jié)合國家自然科學基金重點項目“新一代仿人型殘疾人假手系統(tǒng)及理論的研究”(項目編號：50435040)，研制了達到國際領(lǐng)先水平的HIT-DLR新型仿人假手，并進行了單手指的運

2、動學、靜力學和動力學分析，動態(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，共有五個手指，十五個活動關(guān)節(jié)，通過三個步進電機驅(qū)動，總重量約為500g。根據(jù)欠驅(qū)動和耦合原理采用模塊化思想設(shè)計了假手的手指，手指有很強的運動靈活性和可靠性。設(shè)計了由一個電機驅(qū)動的三指聯(lián)動機構(gòu)，該機構(gòu)能完成對復雜物體的自適應(yīng)抓取，同時該機構(gòu)在外觀和運動形式上實現(xiàn)了仿人化設(shè)計，具有較高的運動一致性和保持固有位姿的能力；設(shè)計了仿人

3、拇指機構(gòu)，該拇指在一個電機的驅(qū)動下，能夠沿空間的錐面實現(xiàn)抓握，球軸承的使用使欠驅(qū)動原理在空間機構(gòu)上得到了實現(xiàn)，同時為了保證抓握不同物體的有效性，用ADAMS進行了仿真實驗，給出拇指的具體布置位置；設(shè)計基于應(yīng)變測量的、可以互換使用的基關(guān)節(jié)力矩傳感器。基于集成化的思想設(shè)計假手的本體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)假手的機構(gòu)、傳感、驅(qū)動和微處理器系統(tǒng)的集成，完成了假手的外包裝設(shè)計，包括假手外觀美化設(shè)計和假手的機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。假手的抓取試驗和負載實驗驗證了假手的設(shè)計思

4、想。
　　進行了食指連桿機構(gòu)和拇指空間連桿機構(gòu)的運動學分析，完成手指耦合四連桿的參數(shù)設(shè)計，確定連桿的機構(gòu)參數(shù)，并在ADAMS虛擬環(huán)境下進行了仿真驗證。建立假手欠驅(qū)動單手指的靜力學模型，給出抓握不同物體時驅(qū)動力矩和各指節(jié)受力之間的關(guān)系，使用ADAMS進行了驗證，并使用壓力傳感器進行了實驗驗證。基于手指，由MATLAB和ADAMS進行了仿真、比較，得到了一致的結(jié)果，并進行了實驗驗證。
　　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)計的重要一環(huán)。單手指可以看作一個小機器人，手指的運動學和動力學分析，也是為手指的控制做準備。在控制方面，首先結(jié)合假手的控制系統(tǒng)平臺，進行了計算力矩法的軌跡跟蹤控制實驗，其結(jié)果大大減小了PID軌跡跟蹤的誤差，提高了動態(tài)性能，取得了良好的軌跡跟蹤效果，消除了在運動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了的誤差，為了減少這種誤差，建立了基于假手手指動力學模型的速度觀測器，該觀測器運用在手指的控

6、制中可以通過手指的位置傳感器信號和動力學模型準確的獲得速度信號，彌補了假手沒有速度傳感器的缺點，大大減小了控制誤差。加入速度觀測器的計算力矩軌跡跟蹤算法，進一步減小了跟蹤誤差；結(jié)合了速度觀測器的自適應(yīng)控制器，補償動力學模型的中的不確定因素，減小了速度誤差，使手指的動態(tài)控制效果比較理想。
　　當假手在完成與環(huán)境接觸的作業(yè)時，手指的柔順性十分重要，阻抗控制是實現(xiàn)手指主動柔順的主要方法之一，得到深入研究和廣泛應(yīng)用。本文分別通過基于位置和