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手指运动姿态检测及对机械手的控制研究

作　者: 蔡全
导　师: 侯文生
学　校: 重庆大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 手指运动加速度传感器角度数字信号处理器机械手
分类号: R318.0
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

手指运动姿态反映了手指的运动功能,手指运动姿态检测是评测手指运动功能,为医疗、体育仿生学等研究提供参考数据的重要手段。通过对手指运动姿态的测量,分析、揭示手指的运动规律,可以为康复医学、运动仿生学、人-机工程学等领域对手指运动的研究提供准确、可靠的参考依据。本文在了解国内外关于手指运动姿态检测方法的基础上,采用加速度传感器检测手指的运动姿态。在对加速度传感器角度测量原理分析的基础上,为了验证传感器测量动态角度的可行性,设计了静态角度和动态角度测量实验,结果显示传感器静态测量绝对误差小于1.5°,动态测量的绝对误差主要分布在1～2.5°之间,相对误差主要分布在3%～6%之间;在此基础上,利用传感器测量食指做屈指运动时三个关节角度的变化,并结合动态摄像系统进行验证,将传感器所测手指关节的角度和动态摄像所测结果进行对比,误差统计的结果表明测量的绝对误差主要分布在0.5～3.5°,相对误差主要分布在2%～4%;利用加速度传感器又进一步对食指在做屈伸运动时的角度、角速度、角加速度等运动学信息进行了检测,结果表明食指做屈伸运动时三个关节的运动既表现出同步性,又具有差异性。利用加速度传感器又对手指在敲击键盘这一手指常见动作进行了检测,检测结果与相关文献报道情况相一致。在验证实验基础上,将传感器所测结果用于手指模型的控制。利用步进电机转动角度的可控性,制作了以步进电机作为驱动源的三自由度单指模型。利用DSP TMS320F2812内部自带的12位AD模块采集食指在屈指过程中三个指节上的传感器的数据,在DSP内部将传感器的电压信号转换成角度信息,根据此角度信息,利用DSP事件管理器(EV)模块里的比较器发送与此该角度信息相对应的控制脉冲,脉冲输入到基于L297、L298芯片的电机驱动模块,控制三个指节模型使之转动当次传感器所检测的角度。结合动态摄像将人手运动的角度和模型运动的角度进行对比,并统计误差的大小及误差分布情况,结果显示测量的绝对误差最大值为5.5°,且主要集中在0～3°。本文根据人手指尺寸大小及运动范围,模仿人手比例设计了一个简易三指机械手模型。该机械手有三个手指(拇指、食指、中指),手指采用模块化设计,每个手指有3个自由度,总共有9个自由度。驱动方式采用步进电机驱动,传动方式采用简易蜗轮蜗杆配和同步带传动。在机械制图软件Pro/E里完成手指各个零部件的设计,再根据机械加工图完成各零部件的实物加工和组装。本文进一步利用加速度传感器实现了对机械手的控制。将四个传感器分别放置在手掌、拇指、食指、中指相应位置,利用DSP检测三个手指在做抓取运动时各个传感器的数据,分别检测出拇指、食指、中指相对于手掌的弯曲角度,将此角度信息作为控制信号,控制机械手使其模仿人手指的抓取运动,可通过改变控制脉冲的频率实现对机械手运动速度的调节。

全文目录

中文摘要  3-5
英文摘要  5-9
1 绪论  9-21
  1.1 课题的背景及意义  9-11
  1.2 国内外研究现状  11-18
    1.2.1 加速度传感器在运动姿态检测中的应用进展  11-15
    1.2.2 机械手及其控制的研究进展  15-18
  1.3 研究目的和研究内容  18-21
    1.3.1 研究目的  18
    1.3.2 研究内容  18-21
2 手指的运动姿态检测及机械手运动控制  21-27
  2.1 手的运动生理特性  21-23
  2.2 手指运动生理参数检测方法  23-25
    2.2.1 基于计算机视觉的测量方法  23-24
    2.2.2 基于光纤的测量方法  24-25
    2.2.3 基于加速度传感器的测量方法  25
  2.3 机械手指运动姿态位置控制  25-27
3 基于加速度传感器的手指运动姿态检测  27-51
  3.1 基于加速度传感器ADXL330 的角度测量  27-34
    3.1.1 ADXL330 简介  27-28
    3.1.2 ADXL330 外围电路  28-30
    3.1.3 ADXL330 角度测量原理  30-34
  3.2 传感器角度测量实验  34-41
    3.2.1 传感器静态角度测量实验  34-35
    3.2.2 传感器动态角度测量实验  35-41
  3.3 基于动态摄像的验证实验  41-45
    3.3.1 实验方法及过程  41-42
    3.3.2 数据分析与结果  42-45
  3.4 手指屈伸运动参数检测  45-47
    3.4.1 实验方法与过程  45
    3.4.2 手指运动角度、角速度、角加速度的检测  45-46
    3.4.3 实验结果与分析  46-47
  3.5 食指敲击键盘的运动参数检测  47-50
    3.5.1 实验方法及过程  47-48
    3.5.2 实验结果与分析  48-50
  3.6 本章小结  50-51
4 基于 DSP 的三自由度单指模型运动控制  51-63
  4.1 三自由度单指模型设计  51-52
  4.2 步进电机及其驱动模块  52-54
    4.2.1 步进电机简介  52-53
    4.2.2 步进电机的驱动模块  53-54
  4.3 单指模型运动控制的软件设计  54-58
    4.3.1 数据采集（ADC）模块  55-56
    4.3.2 事件管理器（EV）模块  56
    4.3.3 单指模型运动控制程序设计  56-58
  4.4 单指模型运动控制的验证实验  58-61
    4.4.1 实验器材及装置  58
    4.4.2 实验设计  58-60
    4.4.3 结果及分析  60-61
  4.5 本章小结  61-63
5 三指机械手的设计及运动控制  63-77
  5.1 三指机械手的结构设计  63-68
    5.1.1 手指关节的驱动方式和传动方式  63-64
    5.1.2 手指各指节尺寸和关节角运动范围  64
    5.1.3 手指模型的仿真与加工  64-68
  5.2 机械手控制的程序设计  68-75
  5.3 本章小结  75-77
6 总结与展望  77-79
  6.1 全文工作总结  77-78
  6.2 后续工作展望  78-79
致谢  79-81
参考文献  81-85
附录  85
  A 作者在攻读学位期间已录用的论文  85
  B 硕士期间参与的科研项目  85

手指运动姿态检测及对机械手的控制研究

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