仿人型假手机构与单手指控制方法的研究

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为了改善手部残疾人群的生活质量,仿人型假手的研制具有十分重要的意义。本文结合国家“863”计划重点项目“高性能仿人型假手”(项目编号:2009AA043803),对仿人型残疾人假手结构本体进行了改进设计,基于拆分基本杆组法对假手单手指进行了运动学和静力学分析,研究了假手单手指力跟踪阻抗控制方法,并针对该方法做了仿真与实验研究。首先分析了假手的国内外研究现状,并在此基础上总结了假手研制的基本特点和发展趋势。分析了力跟踪阻抗控制的研究现状,并比较了几种力跟踪阻抗控制方法的优缺点。仿人型残疾人假手结构本体中,假手手指基于耦合连杆原理,每个手指分别由一个电机驱动三个指节耦合运动。全手重420g,大小为正常成年人手的95%,整个假手外观美观,小巧轻便。通过对假手结构本体进行改进设计,提高了假手机构的强度和刚度以及零件定位和连接的可靠性。通过提高假手电气系统的模块化程度,降低了假手的成本。基于Assur杆组原理,采用拆分基本杆组法建立了假手单手指平面连杆机构运动学和静力学的数学模型。利用Matlab编程计算完成了假手单手指运动学和静力学分析,并采用ADAMS仿真验证了该方法的正确性。分析结果一方面验证了假手手指各关节的耦合运动规律符合设计要求,另一方面也为单手指控制方法的研究提供了依据。为了克服传统的力/位混合控制在控制模式切换中不稳定的问题和普通阻抗控制方法不能跟踪指定接触力的问题,进行了假手单手指力跟踪阻抗控制方法的研究。控制方法包括带有自适应方法的阻抗控制器和基于时间延迟估计(TDE)的鲁棒位置控制方法,可以分别克服环境位置的不确定性和消除手指动力学方程的不确定性。为克服手指动力学的不确定性,计算了在手指运动过程中,手指平面连杆机构各构件相对于基关节轴的等效转动惯量,从而确定了手指在运动过程中动力学方程中惯量项的下限。最后,通过在Matlab的Simulink环境下建立假手单手指力跟踪阻抗控制系统仿真模型,针对控制系统参数对力跟踪性能的影响进行了仿真研究。通过假手手指实验检验了系统的力跟踪性能。仿真和实验研究结果表明,控制系统可以克服环境位置的不确定性,具有较好的力跟踪性能。
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