手在人的日常活动中起着非常重要的作用,在正常的抓握中,手腕更是不可或缺的。因此,研究用于残疾人的上肢假肢对于恢复残疾人的正常生活具有重要意义。目前商业化假肢手腕存在自由度少,灵巧性差的问题,因此研究质量轻、体积小的多自由度假肢手腕很有必要。作为国家重点研发计划项目“具有双向神经通路的智能上肢假肢”(项目编号为2018YFB1307200)的组成部分,本文针对多自由度假肢手腕的设计与控制开展了研究工作,主要包括以下内容:本文首先分析人体手腕的运动特点,包括人体手腕的运动范围、质量等指标,明确残疾人使用假肢的需求,从实际需求出发设计假肢手腕的指标。在机构设计与构型选择中,分析对比多种机构的优缺点,最终选择旋转运动配合差动齿轮机构的方案。从假肢手腕的设计指标出发,选择驱动源和传动机构,采用直线驱动器作为屈伸和侧偏关节的驱动源,并设计曲柄摇块机构进行传动,在旋转关节中选择直流无刷电机与谐波减速器进行驱动。配置传感器,使假肢手腕具有力和位置感知功能。然后针对设计的三自由度手腕进行正逆运动学分析以及传动机构的运动学和静力学分析。首先采用标准D-H参数法研究三自由度手腕机构的正逆运动学,建立D-H参数表,得到手腕末端参考点在基坐标系中的位置和姿态表达式,并进行运动学逆解的求解。在传动机构的运动学分析中,建立了差动齿轮机构与曲柄摇块机构的输入位移与输出位移、输入力与输出力之间的关系。接下来对三自由度手腕进行同步控制的研究。人体手腕的关节运动之间具有协同关系,为了更好地实现关节之间的协同运动,同时提高各关节跟踪规划轨迹的能力,采用同步控制策略实现底层控制。首先对手腕的运动空间与测量位置进行了空间划分,并建立直线驱动器的数学模型。在同步控制研究中,从同步控制目标出发,建立基于交叉耦合的同步误差,将其与位置误差相结合,定义耦合误差,并将其作为位置控制的反馈量。建立基于交叉耦合的同步控制策略。最后进行机构和控制仿真。采用Adams软件对机构进行运动学仿真分析,对手腕机构的运动范围、转速进行仿真验证,并对曲柄摇块机构的速度变化规律进行仿真分析。采用Simulink对同步控制策略进行仿真分析,对同步控制效果进行验证。