操作感知一体化假手构型优化设计及虚拟训练系统的研究-机械电子工程专业论文.docxVIP

Classified Index: TP241.3 U.D.C: 681.14 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON CONFIGURATION OPTIMIZATION AND VIRTUAL TRAINING SYSTEM OF THE SENSORY-INTEGRATED OPERATIONAL PROSTHESIS HAND (Academic) Candidate： Chen Chuan Supervisor： Prof. Jiang Li Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Mechatronics Engineering Affiliation： School of Mechatronics Engineering Date of Defence： July, 2013 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 摘 摘 要 - - I - 摘 要 为了帮助新一代假手的使用者完成抓取动作的肌电控制训练，辅助和指导新 一代假手的设计调试、功能验证和产品优化，结合国家“973”课题“操作感知 一体化灵巧假肢设计制造与性能评估（课题编号 2011CB013306）”，基于形封闭 理论探讨了新一代假手构型的优化设计方法以及虚拟假手抓取稳定状态的判定规 则，在此基础上设计了一套集成了肌电信号采集、抓取动作意图肌电解码、抓取 控制方法、碰撞检测以及虚拟力矩-位置传感器完整的高沉浸性操作感知一体化假 手虚拟训练系统。并从肌电信号的解码时间、肌电解码成功率以及和人手运动性 能对比三个方面完成了对虚拟假手的性能评估。 首先针对人手抓握多点接触的特点，提出了一种基于形封闭理论的五指手构 型优化设计方法。根据抓握动作要求确定出五指手构型优化设计所需要的参数， 并通过 J 判别函数方法判别多参数输入下五指手强力抓取的形封闭性。引入范数 域宽性能优化指标，在满足形封闭前提下采用区间迭代算法实现的五指手构型的 可行区间最大化。以球形抓取为例，求出了拇指指骨长度等 5 个重要参数的最佳 设计结果，仿真试验的结果表明，优化后的性能指标较之前提高了 16%。优化的 结果不仅可以指导假手的构型设计，也可以用于虚拟假手抓取稳定状态的判别。 其次基于 VC++和 Open Inventor 建立了假手虚拟训练系统，同时集成了虚拟 假手的操作、感知两大功能。虚拟假手的操作功能包括利用 NI-DAQ 采集肌电信 号并完成与 VC++的程序接口、引入与真实假手一致的抓取动作意图的肌电解码 算法以及基于假手通用手指动力学的抓取控制方法，而虚拟假手的感知功能则包 括实现虚拟假手与虚拟物体的碰撞检测、制定基于碰撞检测与形封闭理论的抓取 成功判定规则以及引入基于虚拟假手手指静力学和真实假手力矩传感器实验结果 的虚拟力矩-位置传感器。 最后基于肌电信号的解码时间、肌电解码成功率以及虚拟假手与人手关键运 动性能的对比三个方面完成了对假手虚拟训练系统的性能评估。分析了虚拟训练 系统肌电解码时间的组成和计算方法，设计并完成了虚拟假手抓取动作的肌电解 码实验，得出了 6 种基本抓握动作的肌电解码时间范围及抓取动作意图解码成功 率，结果与真实假手一致；设计并完成了基于 VICON 动态捕捉系统的人手抓取 实验，建立了基于抓取动作中关节角度信息和指尖轨迹的两种运动性能指标，并 以此对比分析了虚拟假手在强力抓取和精细抓取与人手运动性能差异性。 关键词：假手；构型优化设计；虚拟训练系统；操作；感知；性能评估 Ab Abstract - - II - Abstract In order to help new prosthesis hand users take EMG control training for grasp motion, assist and guide the new prosthesis hand with its design, debugging, performance verification and product optimization, funded by national “973” project “Design Manufacturing and Performance Evaluation of the Sensory-integrated Operational Dexterous Prosthesis( No. 2011CB013306) ” , an optim