智能假肢手物体抓握过程中的滑移产生机理及其检测技术研究

In intelligent prosthetic hand objects grasping, slip detection has significance on the stability of grasping and dexterous manipulation. However, the slip generation mechanism is still unclear, and the existed slip sensors cannot meet the requirements of distributed flexible slip sensation. Both of them restrict the applications of slip measurement. The proposed research is to study the slip generation mechanism for intelligent prosthetic hand objects grasping. A novel distributed flexible slip sensor array will be designed and fabricated and utilized to study the slip detection related technologies and methods. This proposed research has three key innovations: 1) Based on the Maxwell and Kelvin-Voight viscoelastic composite unit, a viscoelastic micro-beam bundle slip sensation model for finger-object contacts will be developed, the slip generation mechanism will be investigated; 2) Based on the developed high performance slip sensing composite material, the structural design of the distributed flexible slip sensor array will be proposed for intelligent prosthetic hand objects grasping; 3) According to the distributed flexible measured slip signals, a new method to decoup the multidimensional slip signals by the combinations of the time-domain, frequency-domain, and spatial-domain analysis will be developed. The method to extract and recognize of the slip feature information for prosthetic hand objects grasping will be investigated. The results and developed models will provide the fundamental theory and technology support to the structural innovation design of the intelligent prosthetic rehabilitation equipment and flexible slip sensor array. Further, the research results will be utilized to enhance the design and manufacturing of the high-tech medical equipment’ level and international competitiveness.

智能假肢手物体抓握过程中，滑移的检测对其稳定抓取及灵巧操作具有重要意义。然而，至今滑移产生机理尚未明确、现有滑觉传感器难以满足分布式滑移检测需求等制约了滑移检测技术的应用。为此，本项目针对智能假肢手物体抓握过程，研究滑移产生机理，设计制造了一种分布式柔性滑觉传感阵列来研究滑移检测的相关技术与方法。主要创新点包括：(1) 基于Maxwell和Kelvin-Voight粘弹性复合单元，提出手指与物体接触的粘弹性束状微梁滑移力学模型，揭示滑移的产生机理；(2) 基于研制的高性能滑移敏感材料，提出一种分布式柔性滑觉传感阵列的结构新设计；(3) 针对检测的分布式滑移信号，提出一种基于时-频-空间域相结合的多维信息解耦与滑移特征信息提取与识别的新方法。研究成果将为面向智能假肢的生机电一体化康复装备及柔性滑觉传感阵列的结构创新设计提供理论基础和技术支撑，提升我国高端医疗装备设计与制造的水平和国际竞争力。

本项目通过开展假肢手抓取过程中的滑移产生机理研究，提出了一种面向智能假肢手的分布式柔性触滑觉传感阵列及抓取过程中的滑移检测技术。本项目完成的主要研究工作及取得的主要成果如下：1) 采用梁束模型开展触滑觉传感单元在初始滑移阶段的局部位移现象，建立了抓取过程的滑移力学模型；2) 提出了触滑觉传感阵列的传感单元及分布式阵列型结构设计，建立了触滑觉传感单元的装载力学模型；3) 为解决曲面装载对传感阵列性能影响这一问题，提出了具备全柔性的新型分布式触滑觉传感阵列结构设计；4) 针对分布式柔性触滑觉传感阵列，建立了触滑觉传感阵列的新型微制造方法及工艺；5) 构建了触滑觉传感阵列性能测试平台，对触滑觉传感阵列的触滑觉检测性能开展测试分析；6) 基于智能假肢手机电本体系统，开展了触滑觉传感阵列在假肢手上的集成装载与滑移检测性能测试，结合小波分析提出了触滑觉传感阵列的滑移判断方法，和基于深度学习算法的物体表面信息识别技术。实验结果表明，本项目研制的分布式柔性触滑觉传感阵列具有三维力感知与滑移检测能力，同时可以抓取物体表面信息进行分类识别。. 本项目提出的面向智能假肢手的分布式柔性触滑觉传感阵列及抓取过程中的滑移检测技术，将为我国智能假肢及医疗机器人等所需触觉传感阵列的设计与制造提供一条新途径，研究成果对智能假肢、医疗康复机器人等生机电系统领域的触觉传感与检测理论与技术的发展具有重要的理论指导和实际应用意义。项目培养研究生10名；发表论文26篇，其中SCI检索16篇；已申请国际PCT发明专利1项，申请国家发明专利24项，其中已获授权9项；授权实用新型专利6项；获得国际学术会议最佳论文奖2次，获得2018年度美国制造工程师学会(SME)杰出青年制造工程师奖。