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欠驱动假肢手的主从控制研究

作 者: 唐亮
导 师: 邓华
学 校: 中南大学
专 业: 机械工程
关键词: 假肢手 欠驱动 动力学建模 运动映射 主从控制
分类号: TP273
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
下 载: 45次
引 用: 0次
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内容摘要


拟人化假肢手作为集生物、机械电子及计算机等多种学科领域的,典型的生机电一体化多系统交叉学科,已成为当前的机器人技术研究领域的热点问题。假肢手在实际中所要面临处理的环境具有动态复杂性及不可预测性,受目前计算机技术及人工智能等支撑技术发展的制约,要其完全自主的处理这些复杂抓取任务,仍是一项极具挑战性的工作。本文将假肢手难以完成的高层任务决策交给人来完成,通过假肢手去进行实时抓取操作,实现人的智能与假肢手机械性能的有机结合。本文对目前国内外的仿人型假肢手进行了详细的介绍,针对之前假肢手的特点及拟人假肢手的发展趋势,我们对一种多功能耦合自适应假肢手进行了研究。首先建立了欠驱动假肢手的运动学模型,我们通过拉格朗日方程与虚拟弹簧法相结合的办法,推导出其动力学模型,此方法建立的动力学方程自动包含了连杆机构中的运动约束副,而且方程完全解耦。并在ADAMS中验证了动力学模型的合理性。本文针对人手及假肢手的结构特点,构建了基于数据手套的人手与假肢手主从控制系统方案,首先建立了人手与假肢手之间运动映射关系。基于其动力学模型特性设计了其主从跟踪控制器,并对其进行了仿真分析,分析了其控制性能及效果。最后基于数据手套搭建了人手与假肢手主从控制系统的硬件控制平台,通过数据手套完成人手关节运动数据的采集,利用NI-PXI虚拟仪器平台上进行假肢手的实时控制,通过C++及LabVIEW开发了人手与假肢手主从控制软件系统。在此平台上进行了人手与假肢手的主从跟踪控制实验,验证主从控制的有效性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-17
  1.1 引言  9
  1.2 选题背景  9
  1.3 假肢手主从控制研究现状  9-15
    1.3.1 假肢手概述  9-10
    1.3.2 主从控制研究现状  10-14
    1.3.3 假肢手控制概述  14-15
  1.4 课题意义  15-16
  1.5 本文研究的主要内容  16-17
2 主从控制系统总体构成  17-24
  2.1 引言  17
  2.2 人手运动采集系统  17-20
    2.2.1 人手模型  17-18
    2.2.2 数据手套  18-20
  2.3 假肢手驱动系统  20-22
    2.3.1 增量式编码器  20-21
    2.3.2 直流伺服电机  21-22
  2.4 欠驱动假肢手结构  22-23
  2.5 小结  23-24
3 基于虚拟弹簧法的动力学建模  24-41
  3.1 引言  24
  3.2 运动学分析  24-29
  3.3 欠驱动假肢手动力学建模  29-36
    3.3.1 虚拟弹簧法  30
    3.3.2 动力学建模  30-36
  3.4 模型的仿真与验证  36-40
  3.5 本章小结  40-41
4 人手与假肢手主从控制系统设计  41-54
  4.1 引言  41
  4.2 人手与假肢手运动映射  41-46
    4.2.1 人手指尖位置的获取  42-44
    4.2.2 假肢手运动学反解  44-46
  4.3 假肢手主从跟踪控制  46-53
    4.3.1 PID控制理论  47-48
    4.3.2 控制器设计  48-50
    4.3.3 模型线性化  50-51
    4.3.4 控制系统仿真  51-53
  4.4 小结  53-54
5 主从控制系统实验平台搭建及实验  54-68
  5.1 引言  54
  5.2 主从控制系统硬件平台搭建  54-56
    5.2.1 CyberGlove Ⅱ数据手套  54-55
    5.2.2 PXI虚拟仪器平台  55-56
    5.2.3 直流伺服驱动系统  56
  5.3 主从控制系统软件平台  56-62
    5.3.1 数据手套采集程序  57-59
    5.3.2 人手与假肢手的运动映射程序  59-60
    5.3.3 数据通信  60
    5.3.4 假肢手运动控制系统平台  60-62
  5.4 主从控制实验  62-67
  5.5 小结  67-68
6 总结与展望  68-70
  6.1 全文总结  68
  6.2 展望  68-70
参考文献  70-75
攻读学位期间主要的研究成果目录  75-76
致谢  76

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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