欠驱动假肢手抓握性能优化与抓握力控制研究

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欠驱动假肢手具有拟人化的运动特点,能够自适应地抓握不同外形和尺寸的物体,其驱动器数目少于运动自由度数目,既保证了操作的灵活性,又减小了尺寸和重量,降低了控制难度,成为了多自由度假肢手研究的热点。然而,欠驱动假肢手由于其机构本身的特点,在抓握过程中会出现弹射现象,导致抓握不稳定。因此,本文对连杆式欠驱动假肢手抓握性能进行了优化,并针对欠驱动手指抓握特性提出了抓握力控制方法。首先对欠驱动假肢手及其抓握特性进行了概述,详细介绍了欠驱动手指机构现有的抓握性能优化方法,并总结了其中的不足;分析了机器人力控制的主要方法和假肢手抓握力控制的发展现状。针对本文所研究的多连杆欠驱动假肢手,采用虚功原理,建立了手指的静力学模型,得到了基关节驱动力矩、耦合杆弹簧内力与各指节抓握力之间的关系;针对欠驱动手指闭链机构,运用基于虚拟弹簧的拉格朗日方程,建立了手指机构的动力学模型,通过动力学仿真软件完成手指动力学模型的仿真验证。对欠驱动假肢手指的抓握特性进行了分析,通过仿真分析了耦合杆弹簧刚度对欠驱动假肢手指抓握性能的影响;从自适应性、抓握稳定性以及指节抓握力分配三个方面制定优化准则,以耦合杆弹簧刚度为优化参数,对欠驱动手指的综合抓握性能进行了优化。为了进一步减少抓握过程中欠驱动假肢手的弹射现象,通过分析手指弹射过程中运动特点,提出了防弹射抓握力控制方法。通过检测基关节位置变化来判断是否将发生弹射,从而对参考力进行修正,达到防弹射的效果;设计了模糊PI抓握力控制器,完成了假肢手抓握力跟踪控制和防弹射控制仿真,对该控制方法进行了初步验证。最后,采用基于NI实时系统的假肢手物理实验平台,设计了假肢手传感器系统,完成了欠驱动假肢手抓握性能与抓握力控制实验。实验结果表明,采用优化后的耦合弹簧能在一定程度上提高手指的抓握性能,模糊PI力控制器和防弹射控制方法具有较好的控制效果。
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