عنوان

طراحی، شبیه‌سازی، ساخت و کنترل دست مصنوعی برای توان‌بخشی افراد معلول

پ۲۸۰۴۳

per

طراحی، شبیه‌سازی، ساخت و کنترل دست مصنوعی برای توان‌بخشی افراد معلول

حسن سلمانیان الانق

مهندسی مکانیک

۱۴۰۱

۱۲۰ص.

سی دی

کارشناسی ارشد

مهندسی مکاترونیک

۱۴۰۱/۱۱/۱۱

یکی از حوزه‌های فعالیت دانش رباتیک ساخت اندام حرکتی مصنوعی برای توان‌بخشی به افرادی است که به علت از دست دادن اندام حرکتی خود، از انجام بسیاری از کارهای روزمره ناتوان مانده‌اند. سالهاست که طراحی و ساخت دست مصنوعی با قابلیت انجام برخی از حرکت‌های دست واقعی، توجه پژوهشگران و مهندسان رشته‌های مختلف را معطوف خود ساخته است. یک دست مصنوعی سبک و مقاوم با قابلیت کنترل راحت و آنی توسط دستورات استخراج‌شده از سیگنال‌های عصبی یا ماهیچه¬ای آن چیزی است که در این زمینه نیاز است. در این پایان‌نامه با اتکا بر تجربه ها و کارهای پیشین در این زمینه، تلاش شده است تا طراحی و شبیه¬سازی دست رباتیک در نرم¬افزارهای استاندارد طراحی قطعات مکانیکی انجام پذیرد. در این طرح تمامی عملگرها و برد های کنترلی در داخل کف دست جاسازی شده و فضایی را از ساعد اشغال نمی¬کند. برای انگشت شست دو درجه آزادی در نظر گرفته شده است که شامل خم شدن انگشت و چرخش به سمت کف دست است. سایر انگشتان یک درجه آزادی به شکل خم شدن به سمت کف دست را دارا هستند. برای بخش مچ نیز یک درجه آزادی به صورت چرخش لحاظ شده است. مکانیسم حرکت انگشتان از نوع پیوند محور یا Linkage-Driven بوده و با تغییر زاویه بند اول انگشت، بندهای بعدی نیز به نسبت مشخص تغییر زاویه می¬دهند و خم شدن انگشت انسان را تقلید می¬کنند. این مکانیسم که از نوع مکانیسم های کم عملگر یا Underactuated هست، برخلاف سایر مکانیسم¬های کم عملگر مانند تاندون محور، و به علت صلب بودن لینک ها قابل مدلسازی هندسی بوده و استخراج معادلات سینماتیک مستقیم و معکوس را به آسانی امکان¬پذیر می¬نماید. مدل بلوکی مربوط به طراحی سه بعدی مکانیسم، به کمک افزونه sim-mechanics در نرم افزار MATLAB رسم شده است. همچنین شبیه¬سازی دینامیکی طرح در نرم¬افزار ADAMS انجام شده و نتایج شبیه-سازی با نتایج آزمون های عملی مقایسه و صحت سنجی شده است. برای نمونه سازی دست رباتیک، اکثر قطعات دست با چاپگر سه بعدی چاپ شده و ساخت برخی قطعات فلزی نیز با ماشین کاری انجام شده است. جدا از طراحی و ساخت بخش مکانیکی، یک بخش کنترل الکترونیکی برای مدیریت دستورات و وضعیت عملگرها طراحی و ساخته شده است. طراحی شماتیک و برد در نرم¬افزار Altium designer و برنامه نویسی میکروکنترلر در نرم¬افزار Codevision انجام شده است. بخش کنترل الکترونیکی، دستورات خارجی را از طرف واحد ارسال دستورات -که می¬تواند یک رایانه یا یک میکروکنترلر دیگر باشد- دریافت و زوایای خواسته شده را روی عملگرهای هر انگشت به¬صورت مجزا اعمال می¬کند. از سویی دیگر برد کنترلی به¬وسیله حسگر های تعبیه شده در نوک انگشتان، مقدار نیروی وارد شده توسط انگشت را اندازه گیری کرده و پس از خطی سازی، این مقادیر را از طریق ارتباط سریال به واحد دستورات ارسال می¬نماید. این اندازه¬گیری امکان پسخور از فشار وارده توسط عملگرها را برای واحد ارسال دستورات فراهم کرده و در نتیجه تصحیح زوایا و نیروی وارده را به صورت تصحیح دستورات میسر می¬کند

One of the fields of robotics knowledge is the construction of artificial movement organs for the rehabilitation of people who are unable to do many daily tasks due to the loss of their movement organs. For years, the design and construction of an artificial hand with the ability to perform some real hand movements has attracted the attention of researchers and engineers in various fields. A lightweight and durable artificial hand with the ability to be easily and instantly controlled by commands extracted from nerve or muscle signals is what is needed in this field. In this thesis, relying on previous experiences and works in this field, an attempt has been made to design and simulate a robotic hand in standard mechanical parts design software. In this design, all operators and control boards are embedded inside the palm and do not occupy space from the forearm. For the thumb, two degrees of freedom are considered, which include the bending of the finger and rotation towards the palm. Other fingers have a degree of freedom in the form of bending towards the palm. A rotational degree of freedom is included for the wrist section. The movement mechanism of the fingers is of linkage-driven type, and by changing the angle of the first joint of the finger, the following joints also change the angle in a certain proportion and imitate the bending of the human finger. This mechanism, which is a type of underactuated mechanisms, unlike other underactuated mechanisms such as the tendon axis, and due to the rigidity of the links, can be modeled geometrically and makes it possible to derive direct and inverse kinematic equations easily. The block model related to the 3D design of the mechanism is drawn with the help of sim-mechanics plugin in MATLAB software. Also, the dynamic simulation of the design has been done in ADAMS software and the simulation results have been compared and verified with the results of practical tests. For prototyping the robotic hand, most of the hand parts were printed with a 3D printer and some metal parts were made by machining. Apart from the design and construction of the mechanical part, an electronic control part is designed and built to manage the commands and status of the operators. Schematic and board design was done in Altium designer software and microcontroller programming was done in Codevision software. The electronic control section receives external commands from the command sending unit - which can be a computer or another microcontroller - and applies the desired angles to the actuators of each finger separately. On the other hand, the control board measures the amount of force applied by the finger using the sensors embedded in the fingertips and after linearization, sends these values to the command unit through serial communication. This measurement provides the possibility of feedback from the pressure applied by the operators to the command sending unit, and as a result, it enables the correction of the angles and the applied force in the form of correction of the commands.

Design, Simulation, Prototyping and Control of Prosthetic Hand For rehabilitation of disabled people

سلمانیان الانق،

حسن

تهیه کننده

اللهوردی زاده،

بادامچی زاده،

اکبر

محمدعلی

استاد راهنما

استاد مشاور

‏تبریز