仿人型残疾人用半掌手机构及其传感器系统的研究

论文摘要

随着机器人灵巧手技术的发展,假手的研究也取得了长足的进步,但是还基本停留在全掌手的研究阶段,针对手部部分残疾的半掌手的研究刚刚起步。据调查,部分手残疾患者在上肢残疾患者中占有很大的比例,目前还缺少适用于这一类人群的功能性假肢。本文结合国家自然科学基金重点项目“新一代仿人型残疾人假手系统及理论的研究”(项目编号:50435040),研制了Partial Finger和Partial Hand。首先介绍半掌手的研究现状,并对人手骨骼结构进行分析。然后,针对手指基指节截断患者研制利用残余基指节驱动的Partial Finger,此手指重55克,具有两个自由度,采用被动方式驱动,手指外形和运动状态高度拟人化,并设计连接机构,实现Partial Finger的方便快速拆装。其次,针对四指掌骨截断患者研制具有力位感知功能的Partial Hand,该手重310克,有四个手指,每个手指一个独立自由度,驱动电机内置于手指内部,指尖最大出力可达15.7N,开合速度约1.12秒,该手外形和运动方式充分考虑拟人化要求,可以配合拇指完成球状、柱状抓握,两指、三指、四指和五指捏取等动作。基于杆组法建立半掌手的运动学模型,分析基本杆组的运动特性,研究以任意定传动比传动的四杆机构的设计方法,确定机构参数并进行优化。基于虚功原理建立半掌手的静力学模型,并进行仿真验证。基于虚拟弹簧方法建立半掌手手指动力学模型,研究力弹簧刚度对动力学模型的影响规律,并进行仿真验证。虚拟弹簧方法通过使用力弹簧代替约束副,推出的动力学方程可以直接用来进行正向和逆动力学分析。进行前向动力学分析或仿真时,可以完全解耦,并自动包含运动副。进行逆动力学分析时,该方法所推出的动力学模型和使用虚功原理所得到的一致。最后,搭建实验平台,对Partial Finger进行综合性能实验,并对Partial Hand进行单手指的负载实验、疲劳实验和抓握实验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 仿人型假手发展综述
• 1.3 半掌手国内外研究现状
• 1.4 人手骨骼结构和手指机构分析
• 1.4.1 人手骨骼结构和抓握方式的研究
• 1.4.2 手指机构分析
• 1.5 课题来源及主要研究内容
• 1.5.1 课题来源及意义
• 1.5.2 课题主要研究内容
• 第2章 半掌手的机构设计
• 2.1 引言
• 2.2 Partial Finger机构设计
• 2.2.1 手指基指节离断结构分析
• 2.2.2 Partial Finger总体结构
• 2.2.3 Partial Finger的手指机构设计
• 2.2.4 Partial Finger连接机构及动力传动机构设计
• 2.2.5 Partial Finger耦合四杆机构设计及参数优化
• 2.3 Partial Hand机构设计
• 2.3.1 拇指残存的四指掌骨离断结构分析
• 2.3.2 Partial Hand总体结构
• 2.3.3 Partial Hand传动机构设计
• 2.3.4 Partial Hand手指机构设计
• 2.3.5 Partial Hand连接机构设计
• 2.3.6 Partial Hand外形设计
• 2.3.7 Partial Hand抓握仿真
• 2.4 本章小结
• 第3章 半掌手的运动学和静力学分析
• 3.1 引言
• 3.2 半掌手的运动学分析
• 3.2.1 Partial Finger的运动学分析
• 3.2.2 Partial Hand的运动学分析
• 3.3 半掌手的静力学分析
• 3.3.1 Partial Finger的静力学分析
• 3.3.2 Partial Hand的静力学分析
• 3.3.3 半掌手静力学验证
• 3.4 本章小结
• 第4章 半掌手的动力学分析
• 4.1 引言
• 4.2 基于虚拟弹簧的四连杆动力学分析方法
• 4.2.1 前向动力学方程的建立
• 4.2.2 逆动力学方程的求解
• 4.3 Partial Finger的动力学分析
• 4.4 Partial Hand的动力学分析
• 4.5 动力学仿真及验证
• 4.6 本章小结
• 第5章 半掌手的传感器系统设计及性能实验
• 5.1 引言
• 5.2 Partial Hand的传感器系统设计
• 5.2.1 应变式力矩传感器设计
• 5.2.2 位置传感器设计
• 5.3 半掌手的实验
• 5.3.1 Partial Hand的控制系统简介
• 5.3.2 Partial Finger的实验
• 5.3.3 Partial Hand的实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢