假肢手指的拟人优化设计与抓取力研究

发布时间：2017-04-15 07:05

  本文关键词：假肢手指的拟人优化设计与抓取力研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：从仿生学的角度设计功能、外观和运动形态与人手逼真的拟人型多指假肢手,既能满足日常生活的操作需求,又能提高使用者的自信,是假手研究领域的重要方向。本文设计了一种具有耦合运动特征和欠驱动自适应抓取功能的假肢手指机构,并对机构的结构参数进行了优化设计,使假肢手指具有拟人化的外形与运动特征。 本文首先综述了假肢手指机构的国内外研究现状,在总结各种手指机构优缺点的基础上,结合人手指的结构与运动特点,基于弹性元件和耦合连杆机构设计了一种兼具人手指耦合运动特征与自适应抓取功能的欠驱动假肢手指,并对手指机构在自然弯曲运动和自适应抓取过程中的运动学进行了分析与仿真验证。 手指运动生理特征的研究表明,人手指在自然屈伸过程中,由于肌腱的连接拉伸作用,三个指节的运动角度呈一定的耦合关系,指尖跟随固定的运动轨迹。基于这个特点,本文采用数据手套对手指自然运动过程中三个指节的角度数据进行了采集分析与数学关系拟合。以此作为优化目标,选取复合形优化算法完成了手指机构参数的优化设计,使欠驱动假肢手指具备拟人的运动特征以及更大的运动空间。 针对手指机构的结构特点,运用虚功原理建立了假肢手指在各种抓取情形下的静力学模型,并采用Adams验证了它的正确性。在此基础上,分析了驱动力矩、弹性元件刚度与各指节抓取力之间的关系,研究了假肢手指在变位姿抓握时的抓握区域以及不同抓取区域内的抓取力特征,为实现假肢手的稳定抓取功能作了初步的探讨。 最后,根据加工的假肢手指搭建了物理试验平台,并进行了假肢手指的自然弯曲运动与抓握实验。实验结果表明,假肢手指能实现预期的自然耦合运动特征、自适应抓取不同形状和尺寸的物体,具有与仿真分析基本一致的抓取力特征。
【关键词】：假肢手指 耦合运动 自适应抓取 拟人优化设计 抓取力特征
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R318.1;TP241.3
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 1 绪论9-19
• 1.1 课题背景9-10
• 1.2 假肢手指机构国内外研究现状10-16
• 1.2.1 假肢手指机构国外研究现状10-14
• 1.2.2 假肢手指机构国内研究现状14-16
• 1.3 假肢手指机构优化设计综述16-17
• 1.4 假肢手指机构抓取力研究现状17
• 1.5 本文研究的目的及意义17-18
• 1.6 本文的主要研究内容18-19
• 2 耦合自适应欠驱动手指结构设计19-31
• 2.1 引言19
• 2.2 耦合自适应欠驱动手指结构设计19-24
• 2.2.1 手指机构整体方案设计19-21
• 2.2.2 弹性耦合连杆设计21-22
• 2.2.3 近关节连杆设计22
• 2.2.4 假肢手指三维实体装配22-24
• 2.3 耦合自适应手指机构运动分析24-27
• 2.3.1 耦合运动阶段运动学分析24-26
• 2.3.2 自适应抓取阶段运动学分析26-27
• 2.4 假肢手指抓取功能及运动学仿真验证27-30
• 2.4.1 耦合运动与自适应抓取功能验证27-29
• 2.4.2 手指机构运动学仿真与分析29-30
• 2.5 本章小结30-31
• 3 人手指运动特征分析及手指机构拟人优化31-43
• 3.1 引言31
• 3.2 人手运动特征分析31-34
• 3.2.1 手指运动生理特征介绍31-32
• 3.2.2 基于数据手套的手指运动关系拟合32-34
• 3.3 假肢手指拟人优化设计34-42
• 3.3.1 优化问题描述34-37
• 3.3.2 复合形法37-39
• 3.3.3 优化计算与结果分析39-42
• 3.4 本章小结42-43
• 4 手指机构静力学分析与抓取力研究43-59
• 4.1 引言43
• 4.2 手指机构静力学建模与仿真验证43-52
• 4.2.1 三指节抓握静力学模型43-48
• 4.2.2 两指节抓握静力学模型48-50
• 4.2.3 远指节捏取静力学模型50
• 4.2.4 Adams仿真验证与分析50-52
• 4.3 手指机构抓取力研究52-58
• 4.3.1 驱动力矩与弹簧刚度对抓取力的影响53-55
• 4.3.2 变抓握位姿下的抓取力特性55-58
• 4.4 本章小结58-59
• 5 假肢手指的运动与抓握实验59-68
• 5.1 引言59
• 5.2 假肢手指实验平台构成59-60
• 5.3 耦合运动与自适应抓取实验60-62
• 5.3.1 实验目的60
• 5.3.2 实验方法60
• 5.3.3 实验结果与分析60-62
• 5.4 假肢手指抓取力实验62-67
• 5.4.1 实验目的62
• 5.4.2 实验方法62-65
• 5.4.3 实验结果与分析65-67
• 5.5 本章小结67-68
• 6 总结与展望68-69
• 参考文献69-74
• 攻读硕士期间的主要研究成果74-75
• 致谢75

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 王宏;赵长宽;姬彦巧;;人类手指运动轨迹的计算机仿真[J];东北大学学报;2006年08期

2 黄海;王新庆;姜力;刘宏;;欠驱动假手手指抓取力的研究[J];哈尔滨工业大学学报;2010年05期

3 史士财,高晓辉,姜力,刘宏;欠驱动自适应机器人手的研制[J];机器人;2004年06期

4 茅一春;朱向阳;李顺冲;扬飞鸿;;一种新型欠驱动拟人机械手的设计[J];机械设计与研究;2008年03期

5 俞昌东;姜力;黄海;史士才;;残疾人假手的仿人和欠驱动机构研究[J];机械设计;2007年09期

6 张文增,陈强,孙振国,赵冬斌;具有形状自适应的欠驱动拟人机器人手指[J];机械工程学报;2004年10期

7 张文增,陈强,孙振国;拟人机器人手的设计与实现[J];机械工程学报;2005年05期

8 丛爽;冯先勇;;基于GA和单纯形法的直流电机参数辨识[J];控制工程;2009年01期

9 张文增,陈强,孙振国,徐磊;高欠驱动的拟人机器人多指手[J];清华大学学报(自然科学版);2004年05期

10 张文增;马献德;黄源文;邱敏;陈强;;末端强力抓取的欠驱动拟人机器人手[J];清华大学学报(自然科学版);2009年02期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 黄海;新型仿人假手及其动态控制的研究[D];哈尔滨工业大学;2008年

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本文编号：307861