基于形状记忆合金的仿生假手设计

目前假肢手大多由电机驱动,其体积大、质量大不够便携,为此本文设计了一种基于形状记忆合金驱动的模块化仿生手,整体质量为188 g,每根手指可独立驱动控制。通过滑轮组绕线的方式增大SMA丝的有效长度。绘制了假肢手的三维模型并对手指7连杆机构进行运动学分析及仿真,利用MATLAB验证了其关节角度和指尖轨迹曲线,以STM32单片机作为控制器结合多传感器设计了控制系统。并通过实验验证假手指的运动状态,结果表明,SMA驱动器的输出位移可以达到假手指所需的驱动行程,假手指的指尖轨迹与理论值相符合,可以达到设计的预期目标。研究结果解决了SMA驱动位移较小的问题,为形状记忆合金材料作为仿生假手的新型驱动器以及仿生手的机械结构提供了设计思路。

基于SMA驱动模块的腕部柔性外骨骼设计

针对外骨骼机器人在仿生性、便携性及人机交互性上的问题,提出了一种基于形状记忆合金(SMA)驱动模块的腕部柔性外骨骼.首先,研究SMA弹簧的最大可回复拉伸长度与相变温度特性,建立SMA驱动模块的SMA弹簧与锰钢片的混合模型.然后,根据人体腕关节运动范围和所需拉力,对该混合模型进行参数优化.最后,提出了一种弹性元件势能、风冷和高低电流切换混合的SMA弹簧冷却方法,设计了基于运动角度和相变温度反馈的控制方法.为了验证腕部柔性外骨骼的实际使用效果,进行穿戴训练和测温实验.实验结果表明,该外骨骼的仿生性和柔顺性符合人体腕关节运动特性,其轻质、便携性可提高日常生活活动辅助效果.

柔性双手康复外骨骼抛接任务的过程协同控制

针对柔性双手外骨骼在抛接任务中响应速度慢等问题,提出了一种双手抛接物体过程的能量传递模型以及具有位置前馈的力/位协同混合控制系统.首先基于双手接抛物体过程的运动特征,建立抛接物―人手碰撞能量传递模型;利用能量守恒定律与虚功原理建立柔性外骨骼手―人手耦合数学模型,推导出抛接碰撞模型中的绳索伸长量,以绳索伸长量作为前馈信息进行位置补偿;抛接过程初段对驱动绳索采用位置控制,当绳索伸长量保持不变且绳索拉力值持续增大时系统转换为力交互控制;最后通过柔性双手外骨骼抛接抓握实物的位置控制实验和力交互实验验证了基于绳索伸长量的位置前馈控制的动态响应性和有效性以及后段力交互控制下指尖接触力的稳定性.实验结果表明,柔性双手康复外骨骼可以辅助用户实现对抛接物的快速抓握,满足抛接任务对外骨骼手的协同控制要求.