基于肌電信號(hào)的仿人型假手及其抓取力控制研究

1、基于肌電信號(hào)的仿人型假手及其抓取力控制研究 博士學(xué)位論文基于肌電信號(hào)的仿人型假手及其抓取力控制的研究RESEARCH ON EMG-BASED GRASP FORCE CONTROL OF THE ANTHROPOMORPHIC PROSTHETIC HAND 王新慶哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2012 年 4 月 國(guó)內(nèi)圖書分類號(hào):TP241.3 學(xué)校代碼:10213 國(guó)際圖書分類號(hào):681.5 密級(jí):公開工學(xué)博士學(xué)位論文基于肌電信號(hào)的仿人型假手及其抓取力控制的研究博士研究生:王新慶 導(dǎo)師:劉宏 教授 申請(qǐng)學(xué)位:工學(xué)博士 學(xué)科:機(jī)械電子工程 所 在 單 位:機(jī)電工程學(xué)院 答 辯 日 期:2012 年 4

2、月 授予學(xué)位單位:哈爾濱工業(yè)大學(xué)Classified Index: TP241.3 U.D.C.: 681.5 Dissertation for the Doctoral Degree in EngineeringRESEARCH ON EMG-BASED GRASP FORCE CONTROL OF THE ANTHROPOMORPHIC PROSTHETIC HAND Wang Xinqing Candidate: Prof. Liu Hong Supervisor: Doctor of Engineering Academic Degree Applied for: Mechatroni

3、cs Engineering Speciality: Affiliation: School of Mechatronics EngineeringApril, 2012 Date of Defence: Harbin Institute of Technology Degree-Conferring-Institution: 摘要 摘要 多自由度肌電假手是一種主要面向殘疾人應(yīng)用的仿生裝置,它融合了生物醫(yī)學(xué)、機(jī)器人學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)以及控制學(xué)等多個(gè)學(xué)科,其發(fā)展趨勢(shì)也朝著仿人化、智能化、控制自然化的方向轉(zhuǎn)變。然而,不論是其結(jié)構(gòu)本體還是控制方式仍然與自然人手存在較大差距,大大延緩了假手的實(shí)用化進(jìn)程。因此

4、,本文針對(duì)多自由度仿人假手的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究,以提高假手的外觀、運(yùn)動(dòng)方式以及功能的仿人性為目標(biāo),以期通過(guò)一種自然的控制方法改善假手的操作性能。主要研究?jī)?nèi)容包括:5 自由度仿人假手的研制,假手連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)以及動(dòng)力學(xué)分析,單指的柔順控制研究,基于 EMG 的抓取力預(yù)測(cè)及實(shí)驗(yàn)等。 本文首先從驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、感知、EMG 控制方法等假手關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)對(duì)國(guó)內(nèi)外假手的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的分析。在此基礎(chǔ)上立足于殘疾人的實(shí)際需求,基于仿生機(jī)電一體化的思想研制了新穎的五自由度假手。該假手采用五指獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式,具有仿人形的外觀以及運(yùn)動(dòng)方式,在人手大小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、控制、力/位感知等眾多功能的集成

5、。具體地,以人手掌型為依據(jù),通過(guò)各手指位姿的特殊布置設(shè)計(jì)了一個(gè)弧形掌面;以人手的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為基礎(chǔ),通過(guò)平面耦合連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了各手指的仿人形運(yùn)動(dòng)軌跡,特別地,針對(duì)拇指獨(dú)特的空間錐面運(yùn)動(dòng)方式,通過(guò)抓取仿真與昀大化交截體積結(jié)合的方法設(shè)計(jì)了特殊構(gòu)型的拇指,并通過(guò)空間連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn);以機(jī)械本體為依托,采用柔性走線方式將傳感以及控制模塊巧妙集成,通過(guò)仿人形的手皮昀終實(shí)現(xiàn)了功能仿人性與外觀仿人性的融合。 對(duì)假手的控制需要建立在其數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,因此,本文針對(duì)假手的連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)、以及動(dòng)力學(xué)分析。不同于通常的串連機(jī)器人分析方法,針對(duì)閉鏈機(jī)構(gòu)固有的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,分別采用拆分桿組法以及回轉(zhuǎn)變換張量法分析了

6、平面以及空間耦合連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué),采用拆分桿組法分析了耦合連桿機(jī)構(gòu)的靜力學(xué),在上述基礎(chǔ)上采用虛擬彈簧法與拉格朗日法相結(jié)合進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析,從而能夠獲得完全解耦的動(dòng)力學(xué)模型。上述分析一脈相承,既驗(yàn)證了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)又為假手的控制奠定了基礎(chǔ)。 假手抓取能力的高低在一定程度上取決于單指的控制性能,本文采用阻抗力跟蹤的控制方法以兼顧接觸的柔順性以及接觸力控制的準(zhǔn)確性。針對(duì)阻抗控制中接觸力控制較差的問(wèn)題引入間接自適應(yīng)方法估計(jì)環(huán)境參數(shù);基于假手傳- I - 摘要 感器的配置,采用信號(hào)融合以及模糊 PD 方法提高位置控制精度;采用廣義動(dòng)量擾動(dòng)觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)基于關(guān)節(jié)力矩的接觸力估計(jì),提高力信號(hào)的質(zhì)量。通過(guò)假手接觸

7、不同硬度物體以及環(huán)境位置變化下的實(shí)驗(yàn)表明,該阻抗控制方法能夠以較高的精度跟蹤恒定的期望接觸力。 假手作為人手的替代裝置,其控制方式也必須盡可能地符合人的認(rèn)知規(guī)律。本文首先提出了基于多通道 EMG 的抓取模式以及力信息提取方法,為假手控制提供更為豐富的信號(hào)源。重點(diǎn)針對(duì)抓取力信息的提取進(jìn)行了研究,采用支持向量回歸建立力預(yù)測(cè)模型,并采用多變量參數(shù)優(yōu)化方法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,以提高力預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性及快速性;通過(guò)離散卡爾曼濾波法削弱 EMG 信號(hào)畸變引起的精度降低,以提高控制系統(tǒng)的安全性。在此基礎(chǔ)上采用靜力平衡方法分配各指抓取力,通過(guò)骨骼算法計(jì)算接觸點(diǎn),三指抓取實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了各指抓取力可以根據(jù)預(yù)測(cè)力動(dòng)態(tài)調(diào)整。

8、關(guān)鍵詞:仿人假手;耦合連桿;支持向量機(jī);力預(yù)測(cè);阻抗力跟蹤- II - Abstract Abstract Multi-DOF myoelectric prosthetic hand is a kind of bionic device which is mainly for the use of amputees, it consists many subjects, such as biomedicine, robotics, computer science and control theory. Its development tends to be anthropomorphic,

9、intelligent and intuitional. However, both the prosthesis and control methods are far away from human hand, thus was postponed to practical usage. This paper focuses on the technical that are relative to the design of multi-DOF prosthetic hand, aiming at improving the cosmetics, the kinematics and f

10、unctionality, hoping to find an initiate way to improve the controllability. The main research subjects are: design of a five-DOF anthropomorphic hand, analysis of the kinematics, statics and dynamics of the coupling linkages mechanism, multi-channel EMG-based EMG-force prediction, and force trackin

11、g impedance controlThis paper made detailed comparison about the status in quo of prosthetic hand from overseas and domestic, the comparison is dedicated to the key problems of prosthetic hand design, such as driving, transmitting, sensing, and EMG-based control methods. With this condition, conside

12、ring the daily requirements of handicapped, a novel 5-dof prosthetic hand was designed using biomechatronics approach. The hand is a five-fingered independent driven one; it has anthropometric cosmetics and can mimic the motion of human fingers. It integrates driving, transmitting, control system an

13、d torque/position sensing abilities into a space thats the same size as human hand. Specifically, in light of human palm, a novel arched palm was designed through special displacement of each finger; in order to mimic the motion of human finger, planar coupling linkages mechanism was employed, espec

14、ially for the spatial cone-surface-like movement of thumb, an extraordinary configuration was designed through simulation and imize intersection volumn methods, and a spatial linkages mechanism was applied. The sensing and control module was integrated into the hand seamlessly. Finally a human-like

15、glove was designed to improve the functionality and the cosmetics of the prosthesisThe mathematic model of the prosthesis is essential to control algorithms design. Therefore, this paper first analyzed the kinetics, statics and dynamics of the hand. Unlike the methods used in the series robotics, th

16、e Assur group theory was applied to analysis the kinetics of the coupling linkages mechanism. In order to analyze the statics of the hand, the kinetostatics method was applied. Based on - III - Abstract the above analysis, the virtue spring approach combining Lagrange method was applied to the dynam

17、ic analysis, thus a competly decoupled statical model can be achieved. The above analyses were carried out in order. The desired objectives were validated. All these analyses were the fundamentals of control algorithm designThe functionality of the hand depends on the control of single finger to a c

18、ertain extent, thus the force-tracking impedance control method was applied by considering the contact flexibility and the force-tracking precision. In order to improve the force-tracking precision, the indirect adaptive algorithm was applied to estimate the parameters of the environment. Based on t

19、he sensors of the finger, a fuzzy PD algorithm was utilized to improve the accuracy of the position controlThe generalized momentum based disturbance observer was applied to estimate the contact force from the torque sensor. By doing so the quality of the force signal was improved. According to the

20、experiments of contacting different stiffness and variable location of the environment, the impedance algorithm can track the desired contact force with a relativly high accurayAs a substitution of human hand, the control methods should be designed in accordance to human cognitive. This paper propos

21、ed a multi-channel EMG-based grasp mode and force extraction method, so more optional signals for prosthesis control can be provided. The force prediction method was studied mainly. The support vector regression method was applied to establish the force prediction model. The multi-variable parameter

22、s optimization algorithm was utilized to further improve the force prediction accuracy and speed, a decentralized Kalman filter was utilized to decrease the effect of signal distortion and improve the safety of the system. Based on the above research, the static method was utilized to realize force

23、distribution. In order to find the grasp point, a skelecton algoritm was utilized. Experiment results of three fingers grasping validated that the grasp force can be regulated dynamically according to the predicted force Keywords: anthropomorphic prosthetic hand, coupling linkages mechanism, support

24、 vector machine, force prediction, force-tracking impedance - IV - 目錄 目 錄 摘要 I Abstract III第 1 章 緒論. 1 1.1 課題背景及研究的目的和意義1 1.2 仿人假手發(fā)展綜述2 1.2.1 假手的驅(qū)動(dòng). 8 1.2.2 假手的傳動(dòng)10 1.2.3 假手的感知 11 1.2.4 假手的控制14 1.3 基于肌電的力預(yù)測(cè)綜述16 1.4 阻抗力跟蹤綜述. 18 1.5 本文的主要研究?jī)?nèi)容20 第 2 章 仿人型假手的研制 21 2.1 引言. 21 2.2 人手構(gòu)造及運(yùn)動(dòng)規(guī)律21 2.3 假手的總體結(jié)構(gòu).

25、 23 2.4 手掌的擬人化設(shè)計(jì) 24 2.5 手指機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì). 26 2.5.1 四指的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26 2.5.2 拇指的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 32 2.6 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì). 35 2.7 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì). 36 2.8 手套的設(shè)計(jì)38 2.9 本章小結(jié) 40 第 3 章 假手的運(yùn)動(dòng)學(xué)及力學(xué)分析. 41 3.1 引言. 41 3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析41 3.2.1 四指的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析42 - V - 目錄 3.2.2 拇指的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析45 3.2.3 手掌的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析49 3.3 靜力學(xué)分析51 3.4 動(dòng)力學(xué)分析54 3.4.1 連桿端動(dòng)力學(xué)分析54 3.4.2 驅(qū)動(dòng)端動(dòng)力學(xué)分析59 3.5 本章小結(jié) 59 第

26、 4 章 自適應(yīng)阻抗力跟蹤控制61 4.1 引言. 61 4.2 接觸模型 61 4.3 阻抗力跟蹤62 4.4 廣義動(dòng)量擾動(dòng)觀測(cè)器64 4.5 動(dòng)力學(xué)參數(shù)的等效轉(zhuǎn)化65 4.6 間接自適應(yīng)參數(shù)估計(jì)66 4.7 模糊PD位置控制器67 4.7.1 位置信號(hào)的融合 67 4.7.2 模糊位置控制器的設(shè)計(jì). 68 4.8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 70 4.8.1 軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn). 70 4.8.2 阻抗控制實(shí)驗(yàn). 71 4.8.3 自適應(yīng)阻抗力跟蹤控制實(shí)驗(yàn) 73 4.9 本章小結(jié) 75 第 5 章 基于肌電的抓取模式和力信息提取. 76 5.1 引言. 76 5.2 基于肌電的分層控制策略. 76 5.3 信號(hào)采

27、集及預(yù)處理 79 5.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置79 5.3.2 力信號(hào)的采集及預(yù)處理. 80 5.3.3 肌電信號(hào)的采集 80 5.3.4 肌電信號(hào)的融合 82 5.3.5 特征提取及選擇 84 5.4 基于肌電的抓取模式識(shí)別. 86 - VI - 目錄 5.5 基于肌電的抓取力預(yù)測(cè)87 5.5.1 抓取力預(yù)測(cè)模型的建立. 87 5.5.2 多變量參數(shù)優(yōu)化 89 5.5.3 算法的在線實(shí)現(xiàn) 91 5.5.4 抓取力預(yù)測(cè)結(jié)果 92 5.6 抓取力預(yù)測(cè)方法的適應(yīng)性及實(shí)用性分析 96 5.7 基于肌電的多指抓取實(shí)驗(yàn). 97 5.7.1 抓取力分配97 5.7.2 骨骼算法計(jì)算抓取點(diǎn)99 5.7.3 三指抓取

28、實(shí)驗(yàn)及結(jié)果 101 5.8 本章小結(jié). 103 結(jié) 論104 參考文獻(xiàn)106 附 錄 118 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果. 122 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明及使用授權(quán)說(shuō)明. 123 致 謝 124 個(gè)人簡(jiǎn)歷125 - VII - Contents Contents Abstract In Chinese I AbstractIn English.IIIChapter 1 Overview.1 1.1 Background,objective and significance.1 1.2 Review of anthropomorphic prosthetic hands.2

29、1.2.1 Driving of the prosthetic hands.8 1.2.2 Transmission of the prosthetic hands 10 1.2.3 Sensoring of the prosthetic hands11 1.2.4 Control of the prosthetic hands14 1.3 Reciew of the EMG-based force prediction 16 1.4 Review of force-tracking impedance control. 18 1.5 Main research contents of thi

30、s dissertation. 20 Chapter 2 Design of the anthropomorphic prosthetic hand 21 2.1 Introduction. 21 2.2 The anatomy and kinetics of human hand 21 2.3 Overall structure of the prosthetic hand23 2.4 Anthropomorphic design of the palm 24 2.5 Mechanical design of fingers 26 2.5.1 Mechanical design of the

31、 four-fingers. 26 2.5.2 Mechanical design of the thumb. 32 2.6 Control system design. 35 2.7 Mechanical design of the wrist 36 2.8 Design of the glove38 2.9 Summary40 Chapter 3 Kinetics and force analysis41 3.1 Introduction. 41 3.2 Kinetics analysis 41 3.2.1 Kinetics analysis of the four-fingers. 42

32、 - VIII - Contents 3.2.2 Kinetics analysis of the thumb 45 3.2.3 Kinetics analysis of the palm49 3.3 Static anaysis51 3.4 Dynamic analsis. 54 3.4.1 Dynamic analsis of linkages mechanism. 54 3.4.2 Dynamic analsis of the driving module 59 3.5 Summary59 Chapter 4 Adaptive force-tracking impedance contr

33、ol. 61 4.1 Introduction. 61 4.2 Contact model. 61 4.3 Foce tracking impedance control 62 4.4 Generalized momentum based disturbance observer64 4.5 Equivalent transform of dynamic parameters. 65 4.6 Indirective adaptive parameter estimation66 4.7 Fuzzy PD position controller 67 4.7.1 Fusion of the po

34、sition signals67 4.7.2 Design of the fuzzy position controller 68 4.8 Experiments results70 4.8.1 Position tracking experiment 70 4.8.2 Impedance control experiment 71 4.8.3 Adaptive Impedance control experiment. 73 4.9 Summary75 Chapter 5 EMG-based grasp mode and force prediction. 76 5.1 Introducti

35、on. 76 5.2 EMG-based Herichial control strategy. 76 5.3 Signal acquisition and pretreatment79 5.3.1 Experiment setup79 5.3.2 Force signal acquisition and pretreatment80 5.3.3 EMG signal acquisition80 5.3.4 EMG signal fusion 82 5.3.5 Feature extraction and selection. 84 5.4 EMG-based grasp model reco

36、gnition 86 - IX - Contents 5.5 EMG-based grasp force prediction. 87 5.5.1 Construction of grasp force prediction model87 5.5.2 Multi-parameters optimization 89 5.5.3 Online of the algorithoms. 91 5.5.4 Results of grasp force prediction 92 5.6 Analysis of adaptibility and practicability about force p

37、rediction methods96 5.7 EMG-based multi-finger grasp experiment. 97 5.7.1 Grasp force distribution. 97 5.7.2 Skeleton algorithm. 99 5.7.3 Three fingers grasp experiment and result101 5.8 Summary 103 Conclusions104 References. 106 Appendixes 118 Papers published in the period of Ph.D education 122 St

38、atements of copyright and Letter of authorization123 Acknowledgements 124 Resume 125- X - 第 1章 緒論 第1章 緒論 1.1 課題背景及研究的目的和意義 一直以來(lái)肢體殘疾患者都飽受身體以及精神的雙重折磨,并千方百計(jì)尋求假肢以彌補(bǔ)形體以及功能上的不足。裝飾用假肢可以追溯到古埃及時(shí)代;簡(jiǎn)單 1的功能性假肢也早在 15 世紀(jì)出現(xiàn) 。相對(duì)于下肢殘疾,上肢殘疾尤其是手部殘疾對(duì)假肢技術(shù)具有更高的要求,因?yàn)槿耸质侨梭w中昀為復(fù)雜的器官,具有 27 塊 2骨頭、21 個(gè)自由度、29 塊肌肉以及 17000 個(gè)觸覺(jué)傳感器

39、。除了結(jié)構(gòu)的精巧性,其層次化的控制方式也極其復(fù)雜。如何能夠制造出像人手一樣自然高效,強(qiáng)勁有力而又極其精確的假手便成為了假手設(shè)計(jì)的昀終目標(biāo)。近 5 個(gè)世紀(jì)以來(lái),縱然科技發(fā)展日新月異,但是假手問(wèn)題仍然沒(méi)有有效的解決方法。這一方面在于現(xiàn)代科技還沒(méi)有完全解讀人手是如何具有高度的適應(yīng)性的,另一方面還在于殘疾人對(duì)假手的接受程度不僅僅取決于外觀或是功能等單一因素,而是考慮靈巧性、仿人性、可控性、可靠性等多種因素的綜合。因此,在假手設(shè)計(jì)中任一方面的創(chuàng)新都有助于推動(dòng)假手的發(fā)展。 圍繞假手設(shè)計(jì)中需要考慮的因素,眾多學(xué)者從結(jié)構(gòu)本體,人機(jī)交互策略以及局部自主控制等方面展開了深入的研究。結(jié)構(gòu)本體從根本上決定了假手的靈巧

40、性,從昀早期的裝飾用假手到目前靈活性昀高的多自由度假手,例如 3 4Smarthand ,Intrinsic hand 等,假手在自由度、外觀、功能等方面已經(jīng)有了很大的提高。遺憾的是,受到驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、觸覺(jué)傳感器制造水平等的限制,目前已知的假手其自由度仍少于人手,感知能力一般,從而注定其靈巧性不高。 5 6 7另一方面,機(jī)器人靈巧手如NASA手 、DLR-HIT hand 、Shadow手 等具有更多的自由度以及更豐富的感知功能。但其靈巧性并沒(méi)有過(guò)大的提高,這主要是因?yàn)槿耸值撵`巧性一部分取決于本身結(jié)構(gòu),另一部分源于自然的控制方式。目前為止,人手的控制方式仍然無(wú)法完全了解,但從形式上可以認(rèn)為是一種

41、“分層(Hierarchic)”閉環(huán)控制策略。部分學(xué)者將上述理念移植到假手的控制中,便形成了人機(jī)交互控制策略。該策略具體的實(shí)施方式可以概括為:通過(guò)特定裝置采集人體生物電信號(hào),采用信號(hào)處理的方法解讀操作者肢體的動(dòng)作意 8圖,并將其輸入到假手控制器,同時(shí)將假手的傳感器信息以刺激反饋 的形式反饋給操作者,形成控制閉環(huán)。其中,對(duì)人體生物電信號(hào)的處理是一個(gè)重要內(nèi)容,它直接反映了操作者的控制意圖。通?？晒┻x擇的信號(hào)源包括肌電信號(hào) 9 10 11, 12(EMG) 、腦電信號(hào)(EEG) 、植入式神經(jīng)信號(hào)(ENG) 、以及肌壓- 1 - 第 1章 緒論 13 信號(hào)(MMG) 等。上述信號(hào)中應(yīng)用昀為廣泛、成功的

42、是表面肌電信號(hào)(EMG),它包含豐富的信息,分布廣泛、采集方便,既不需要手術(shù)也不會(huì)造成殘肢的二次損傷,尤其是昀近芝加哥康復(fù)中 心研究的神經(jīng)移植肌電再生技術(shù) 14,通過(guò)將手指的控制神經(jīng)移植到身體肌肉完整的部位重塑肌電信號(hào),為上肢高位截肢患者進(jìn)行多自由度假肢的控制開辟了新的思路。 人手總是能夠以優(yōu)化的構(gòu)型以及抓取力穩(wěn)定抓取不同形狀以及質(zhì)量的物 15體,抓取成功率可達(dá) 90%以上 。對(duì)人手來(lái)說(shuō),上述功能的實(shí)現(xiàn)是建立在豐富的感知以及長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累上,然而對(duì)假手來(lái)說(shuō),要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)卻需要復(fù)雜的控制算法。盡管目前的研究在多個(gè)方面都取得了突破,但要實(shí)現(xiàn)假手對(duì)人手功能的完全復(fù)制并昀終應(yīng)用 于日常生活還有很大差

43、距。 本課題來(lái)源于中華人民共和國(guó)科學(xué)技術(shù)部,國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)“高性能仿人型假手”(項(xiàng)目編號(hào) 2009AA043803)。該項(xiàng)目結(jié)合機(jī)器人技術(shù)、仿生制造技術(shù)以及生物醫(yī)學(xué)技術(shù),研發(fā)具有力/位感知功能的多自由度高性能假手,并以此為基礎(chǔ)研究基于肌電信號(hào)的信息提取以及抓取控制理論。 課題研究目的首先在于研制一種驅(qū)動(dòng)內(nèi)置式 5 指獨(dú)立運(yùn)動(dòng)仿人假手。其次,通過(guò)該假手的研制以及相關(guān)控制方法的研究能夠解決仿生設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成與應(yīng)用等仿生制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù),形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的若干核心技術(shù),不僅具有較大的理論研究意義,而且能夠?yàn)榉律圃煨屡d產(chǎn)業(yè)的形成提供技術(shù)支撐,促進(jìn)高性能假手的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程,具

44、有潛在的市場(chǎng)價(jià)值。 再次,對(duì)肌電信號(hào)包含的控制信息進(jìn)行合理的解讀需要多學(xué)科知識(shí)的交叉,并能夠促進(jìn)生物學(xué)、機(jī)電一體化、信號(hào)處理以及控制學(xué)的融合與發(fā)展,具有較大的理論研究意義。 昀后,對(duì)基于肌電信號(hào)的假手控制的 研究有助于促進(jìn)對(duì)人的抓取控制行為的理解,反過(guò)來(lái)也能夠利用獲取的知識(shí)研制性能更先進(jìn)的仿生手。而且,基于肌電的控制技術(shù)還可以應(yīng)用到對(duì)臂、腿關(guān)節(jié)等的控制以及殘疾人的康復(fù)訓(xùn)練中,為人機(jī)交互提供了一種途徑,具有較大的實(shí)用價(jià)值。下文首先對(duì)假手相關(guān)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行綜述,進(jìn)而引出本文的主要研究?jī)?nèi)容。 1.2 仿人假手發(fā)展綜述 手是人類意識(shí)的延伸,在日常生活中具有重要的作用。假手作為自然人手的替代,需要具有操

45、作物體,感知外界環(huán)境的功能。縱觀假手的發(fā)展歷程不難看出假手與科技水平有著緊密的聯(lián)系。昀早的 假手稱為被動(dòng)式假手或者裝飾性假手,其歷史可以追溯到公元前 218-201 年的迦太基戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)代。這種假手重量- 2 - 第 1章 緒論 16輕、外形逼真但只能用于靜態(tài)裝飾 。1812 年P(guān)eter Baliff發(fā)明了采用肢體驅(qū)動(dòng)的假手,該假手通過(guò)捆綁到肩膀上的繩索帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)單自由度開合運(yùn)動(dòng),雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,但是可以利用人體自身的視覺(jué)及皮膚觸覺(jué)獲得一定的位置及力反饋, 17因而具有一定的功能性。1948 年出現(xiàn)了更為先進(jìn)的肌電假手 ,這種假手可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度的控制,手指出力也比其它兩種更大,可以在一定程度上實(shí)

46、現(xiàn)自主控制,是目前廣泛研究及應(yīng)用的假手類型。本文主要針對(duì)肌電假手進(jìn)行研究。 20 世紀(jì) 70-80 年代,由于航天技術(shù)發(fā)展的推動(dòng),機(jī)器人靈巧手技術(shù)有了突 18 19破性進(jìn)展。代表性的有:Stanford/JPL手 , Utah/MIT手 等。上述靈巧手雖然無(wú)法作為假手使用,但其先進(jìn)的集成化設(shè)計(jì)方法卻催生了一大批假手,為假手的發(fā)展帶來(lái)了新的思路。在 20 世紀(jì)的后十年中,英國(guó)南安普頓大學(xué)的 20 21 Southampton假手 、牛津大學(xué)的Oxford Intelligent 假手 、斯坦福大學(xué)的 22 23Stanford假手 、國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)的NTU假手 等相繼問(wèn)世。上述假手均具有 5個(gè)手指

47、,通過(guò)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng),注重對(duì)人手功能的簡(jiǎn)單模仿,但由于驅(qū)動(dòng)器體積的限制,其尺寸及重量均較大;此外,由于傳感器制造水平的制約,基本不具備感知能力。這一時(shí)期的另一重要發(fā)現(xiàn)還在于,文獻(xiàn) 24對(duì)假手使用情況的調(diào)查揭示出殘疾人對(duì)假手的期望指標(biāo),即:外觀、舒適性、功能性、可控性,從而在一定程度上修正了假手研究的方向。 進(jìn)入 21 世紀(jì)之后,假手的發(fā)展呈現(xiàn)出多樣化的趨勢(shì),其設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想不再是單一的對(duì)靈巧手的簡(jiǎn)化或是對(duì)人手的簡(jiǎn)單模仿。機(jī)械、電氣、生物及控制等相互交叉的范圍日益擴(kuò)大。理想的假手通常要便于控制,佩戴舒適且外形逼真,更為重要的是還要有高的靈活性。到目前為止各國(guó)均研制了很多各具特色的試驗(yàn)用假手,其中具有

48、代表性的假手結(jié)構(gòu)的對(duì)比如 表 1-1所示。表中列出了2003 年至 2010 年的假手詳細(xì)參數(shù)對(duì)比。表 1-1中,自由度包括主動(dòng)自由度以及手腕的自由度;重量?jī)H代表假手的重量,不包括手臂部分;出力以“N”為單位時(shí)代表整手抓取力,以“N.m”為單位時(shí)代表單手指出力;速度代表基關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速; DC代表直流有刷電機(jī),BLDC代表直流無(wú)刷電機(jī),SM代表伺服電機(jī);Internal代表驅(qū)動(dòng)器位于手掌內(nèi),External代表驅(qū)動(dòng)器位于手臂處;Tendon代表腱驅(qū)動(dòng),Bar代表連桿驅(qū)動(dòng),Gas actuate代表氣動(dòng)驅(qū)動(dòng),Cobot代表連續(xù)可變傳動(dòng)比裝置,VIA代表可變剛度驅(qū)動(dòng)器;大小為與自然人手對(duì)比的結(jié)果,以百分

49、比的方法表示。表中數(shù)據(jù)均根據(jù)昀后一欄 的參考文獻(xiàn)獲得,部分未知參數(shù)以“-”表示。- 3 - 第 1章 緒論 表 1-1 試驗(yàn)用假手對(duì)比 Table 1-1 Compare among different experimental prosthetic hands 主手指數(shù) 驅(qū)動(dòng)器 年出力 傳動(dòng) 大小 要 圖片 名稱 關(guān)節(jié)數(shù) 個(gè)數(shù) 份 速度 原理 重量 文20 自由度 及位置 獻(xiàn) 2570N 6/DC 95% Cyber hand 03 5/15/16 Tendon 26External 360g 45 /s 2760N Manus 3/BLDC 120% 04 5/10/4 Tendon 28

50、hand Internal 300g 90 /sIOWA 5/DC 100% 04 5/15/5 - Tendon 29hand Internal 90g1 110N 8/Fluid 100% 30Fluid hand 04 5/8/8 Gear pumpactuator 350g 3157 /sInternal0.4 NmTokyo 7/SM - 3205 5/15/12 Tendon hand External 584g 33200 /s70N 16/DC 120% UB III 05 5/15/16 Tendon 34External - 250 /s30N 3/STM 120% AR

51、III 07 5/15/3 Bar 35Internal 500g 72 /s- 7/SMA 50% 36SMA hand 08 5/15/7 Tendon External 250g 41 /s - 4 - 第 1章 緒論 表 1-1(續(xù)表) 主年 手指數(shù) 驅(qū)動(dòng)器 出力 傳動(dòng) 大小 要 圖片 名稱 關(guān)節(jié)數(shù) 個(gè)數(shù) 份 速度 原理 重量 文20 自由度 及位置 獻(xiàn) 27N 4/DC SJT2 hand 08 5/15/6 Bar - 37- InternalDong-Eui 14N 6/DC - 08 5/15/6 Tendon 38hand - Internal 400g5/ Vanderbilt - 09 5/16/17 - Gas actuate Tendon 39hand 580g External4.7NmIntrinsic 15/BLDC 09 5/15/19 Motor - 4 hand Internal 360 /s- Extrinsic 1/Cobot 09 5/11/21 Tendon - 40hand External 360 /s80N 5/DC 100% EA hand 09 5/16/5 Tendon 41External 580g 225 /s - 5 -