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博士学位论文


假手交互控制系统及基于压力分布的
多动作模式识别研究

RESEARCH ON INTERACTIVE CONTROL
SYSTEM AND MULTI-MOTION RECOGNITION
BASED ON PRESSURE DISTRIBUTION FOR
PROTHETIC HAND



李楠








哈尔滨工业大学
2012 年 6 月
国内图书分类号: 学校代码:10213
国际图书分类号: 密级:公开




工学博士学位论文


假手交互控制系统及基于压力分布的
多动作模式识别研究


博士研究生:李楠
导师:蔡鹤皋教授
副导师:姜力教授
申请学位:工学博士
学科:机械电子工程
所在单位:机电工程学院
答辩日期:2012 年 6 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index:
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Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering



RESEARCH ON INTERACTIVE CONTROL
SYSTEM AND MULTI-MOTION RECOGNITION
BASED ON PRESSURE DISTRIBUTION FOR
PROTHETIC HAND



Candidate: Li Nan
Supervisor: Prof. Cai Hegao
Assistant Supervisor: Prof. Jiang Li
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Speciality: Mechatronics Engineering
Affiliation: School of Mechatronics Engineering
Date of Defence: June, 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
近年来,假手在外形、结构、灵活度等方面实现了对人手的高度模仿,出
现了众多外形逼真、重量接近人手、具有多关节多自由度的新型仿生假手。然
而,在假手与人体间的双向信息交互方面的研究相对滞后,仍不具备从人体准
确识别多种手部动作模式和向人体反馈可靠、细致的手部感觉的能力。本文针
对多自由度假手的交互控制问题,以建立假手与人体间的双向信息交互控制系
统为目标,并基于该系统研究多种手部动作模式的识别方法。主要研究内容包
括:高性能、集成化假手控制系统的研制,基于压力分布和电刺激的人机交互
接口研制,基于压力分布的手部多动作模式特征获取方法和识别方法的研究,
以及相关的实验研究等方面。
本文首先对国内外新型的仿生型多自由度假手、典型假手交互控制系统和
方法进行了细致的综述。随后建立了假手交互控制系统总体结构,将其划分为
假手控制系统和人机交互接口两部分。具体地,假手控制系统由传感器系统和
运动控制系统组成,其中传感器系统由关节力矩传感器、关节位置传感器和电
机编码器组成,用于向运动控制系统和人机交互接口提供所需的传感信息。运
动控制系统基于高性能 DSP 和集成电路芯片设计,用于实现对假手各手指的运
动控制、传感器信息采集以及实时通讯等功能。通过集成化设计,最终实现了
将假手控制系统完全集成在仅有人手体积 90%的假手内部。
以实现假手与人体间的双向信息交互为目标,设计了基于压力分布与电刺
激的人机交互接口。该接口采用压力传感器阵列采集前臂表面压力分布信号作
为人体对假手动作的控制信号。通过压力传感器的选择、传感器阵列的配置以
及信号采集单元的设计获得了信号稳定、幅值高、可识别性好的压力分布信号。
另外,基于经皮电刺激原理,经过电刺激波形及参数选择、电刺激器硬件设计、
刺激电极的选择等设计步骤,实现了向人体安全、清晰、舒适的反馈握力感觉。
通过脱离视觉抓取和易碎物抓取实验表明,所研制的交互接口显著增强了假手
的操作性和可靠性。
为了实现基于压力分布信号对多种手部动作模式进行识别,本文提取了包
括各手指单独弯曲/伸展和多指抓取/伸展在内的 17 种手部动作模式的压力分布
信号组成识别特征,