王念峰 勞錕沂 張憲民

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廣東 廣州 510640)

基于彈性鉸鏈的仿人型肌電假手設(shè)計(jì)*

王念峰 勞錕沂 張憲民

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廣東 廣州 510640)

截肢患者需要外形與人手相似、重量輕、體積小，并且具有人手大部分抓取功能和適當(dāng)操作功能的假手，基于對(duì)人手骨骼結(jié)構(gòu)和功能的分析，提出了一種仿人型肌電假手設(shè)計(jì).該假手具有5只手指和4個(gè)自由度，分別由4個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制；手指的關(guān)節(jié)基于彈性鉸鏈進(jìn)行設(shè)計(jì)，相鄰的指骨間通過(guò)螺旋彈簧連接；除拇指外，每只手指均為單自由度，關(guān)節(jié)之間的運(yùn)動(dòng)通過(guò)腱驅(qū)動(dòng)耦合實(shí)現(xiàn)；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝在手掌內(nèi)，具有緊湊的結(jié)構(gòu)，對(duì)各個(gè)手指的運(yùn)動(dòng)靈活控制.通過(guò)對(duì)手指的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析以及對(duì)假手功能的模擬證實(shí)，該假手能夠?qū)崿F(xiàn)日常生活中大部分的手勢(shì)和抓取功能.

仿人型假手；彈性鉸鏈；肌電控制

仿人型肌電假手[1]通過(guò)人體肌肉電信號(hào)(EMG)[2]進(jìn)行控制，常被用于截肢患者的肢體復(fù)健，具有多自由度和擬人化等特點(diǎn)[3].理想假手應(yīng)該具有與人手一樣的形狀、大小和功能.根據(jù)假手的性能特點(diǎn)，可分為裝飾性假手、索控型假手和肌電假手3類.目前一些公司和研究機(jī)構(gòu)在多功能仿人型肌電假手上做了很多研究[4- 10].現(xiàn)在的多自由度假手大多采用欠驅(qū)動(dòng)、耦合連桿和模塊化設(shè)計(jì)等技術(shù)，使得假手能在功能上與人手接近.商業(yè)型假手i-Limb具有5個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的手指，由兩個(gè)肌電電極通過(guò)簡(jiǎn)單的開(kāi)合信號(hào)進(jìn)行控制[4]；Dalley等[5]研發(fā)出一個(gè)具有16個(gè)關(guān)節(jié)的假手，通過(guò)5個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了8種手勢(shì)的功能；Smarthand假手具有5個(gè)手指和4個(gè)自由度，通過(guò)40個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和反饋傳遞[6]；Southampton Remedi Hand假手具有5個(gè)手指和6個(gè)自由度，其控制的反饋系統(tǒng)由動(dòng)態(tài)壓電測(cè)力傳感器和壓阻式電阻組成[7]；UB Hand Ⅲ 假手手指的設(shè)計(jì)是基于彈性鉸鏈連接剛性骨骼構(gòu)件實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)由腱鞘引導(dǎo)的肌腱進(jìn)行手指的驅(qū)動(dòng)[8]；HIT/DLR假手具有5個(gè)手指，由3個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)多傳感器實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的功能[9]；Zollo等[10]開(kāi)發(fā)的假手具有3個(gè)鉸接式的手指，由4個(gè)直流電機(jī)通過(guò)一個(gè)特殊的欠驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng).以上的假手都具有與人手相似的外觀和大小，能夠?qū)崿F(xiàn)日常生活中的各種抓握手勢(shì).由此可以得到仿人型假手的設(shè)計(jì)要求：①假手應(yīng)具有與人手類似的裝飾性外觀，讓使用者容易接受；②假手設(shè)計(jì)要輕巧、結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單且易于加工；③抓握動(dòng)作的可靠性高，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的抓取功能；④能夠及時(shí)準(zhǔn)確地獲取被抓物體的信息并做出相應(yīng)的調(diào)整；⑤具有合適的抓取速度且能承受一定的力；⑥成本低、能耗少、噪音低，而且要易于維護(hù)、經(jīng)久耐用.

基于對(duì)自然人手的骨骼結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)功能的分析，文中提出了一種仿人型肌電假手的設(shè)計(jì).通過(guò)對(duì)手指的運(yùn)動(dòng)分析以及對(duì)假手進(jìn)行仿真，展現(xiàn)了該假手多樣的抓握能力.

1 人手分析和肌電假手的建模

根據(jù)人體構(gòu)造學(xué)，人的自然手有5只手指，一共由27塊骨頭組成，其中包含有8塊緊密結(jié)合的小腕骨[11]，如圖1所示.食指、中指、無(wú)名指、小指(又名尾指)分別有近節(jié)指骨、中節(jié)指骨、遠(yuǎn)節(jié)指骨3塊指骨和掌骨.不同的是，拇指除了掌骨以外，只包含近節(jié)指骨、遠(yuǎn)節(jié)指骨2塊指骨.

手指的關(guān)節(jié)連接著臨近的2塊骨頭，不同的關(guān)節(jié)形成了各種不同的手指動(dòng)作.除了拇指以外，其余四指中，指骨之間的關(guān)節(jié)依次是遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)、近指關(guān)節(jié)、掌骨關(guān)節(jié).遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)和近指關(guān)節(jié)分別有1個(gè)自由度，完成彎曲/伸展運(yùn)動(dòng)；而掌骨關(guān)節(jié)具有2個(gè)自由度，可以完成彎曲/伸展和側(cè)向擺動(dòng)的動(dòng)作[12].因此對(duì)于除拇指外的4只手指，每只手指具有4個(gè)自由度.不同的拇指骨骼構(gòu)成也形成了拇指關(guān)節(jié)的獨(dú)特性，使得拇指的作用占據(jù)了人手全部功能的40%左右[13].拇指中的關(guān)節(jié)依次是遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)、近指關(guān)節(jié)和腕掌關(guān)節(jié).除了遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)和近指關(guān)節(jié)有1個(gè)自由度外，腕掌關(guān)節(jié)具有2個(gè)自由度，使得拇指可以完成彎曲/伸展和外展/內(nèi)收的動(dòng)作.因此，加上腕關(guān)節(jié)的2個(gè)自由度，人手一共有21個(gè)自由度，可以靈活地完成各種手勢(shì)，與外界物體進(jìn)行交互.

圖1 人手骨骼

根據(jù)以上對(duì)于人手骨骼的分析，文中利用SolidWorks建立了一個(gè)仿人型肌電假手的模型.如圖2所示，假手和人手一樣，具有5只手指.假手手指的模型如圖3所示，每只手指具有3節(jié)指骨(拇指只有2節(jié)指骨)，指骨的長(zhǎng)度根據(jù)一般成年男性手指進(jìn)行設(shè)計(jì)，假手設(shè)計(jì)中近節(jié)指骨、中節(jié)指骨、遠(yuǎn)節(jié)指骨的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1=37 mm、L2=34 mm、L3=27 mm.手指的關(guān)節(jié)采用彈性鉸鏈機(jī)構(gòu),其中圖3中關(guān)節(jié)A為掌骨關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)B為近指關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)C為遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)，點(diǎn)P為指尖，θ1、θ2和θ3分別為關(guān)節(jié)A、B、C轉(zhuǎn)過(guò)的角度.人手的掌骨部分設(shè)計(jì)為假手的手掌，內(nèi)置4個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器.考慮到關(guān)節(jié)的數(shù)目遠(yuǎn)多于驅(qū)動(dòng)器的數(shù)目，手指的關(guān)節(jié)通過(guò)腱驅(qū)動(dòng)耦合成復(fù)合的動(dòng)作，圖3中虛線為手指中腱驅(qū)動(dòng)的繩索路徑示意圖，實(shí)心圓點(diǎn)為繩索與手指連接部位的示意.每個(gè)手指具有1個(gè)自由度，只需要1個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng).由于拇指在人手活動(dòng)中的重要作用，假手中拇指的設(shè)計(jì)具有2個(gè)自由度，分別為彎曲/伸展和繞手掌的旋轉(zhuǎn).拇指的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作能讓假手在側(cè)邊捏取和強(qiáng)力或精確抓取的手勢(shì)之間切換[14].因此，該假手具有仿生的特性，具有與人手相似的大小和結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)人手日常生活中大部分的抓取行為，在功能上與人手接近.

圖2 假手模型

圖3 假手手指模型

2 肌電假手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 手指的設(shè)計(jì)

假手的手指總長(zhǎng)度為103 mm，如圖4所示，共有3節(jié)指骨，即近節(jié)指骨、中節(jié)指骨和遠(yuǎn)節(jié)指骨.每節(jié)指骨內(nèi)的中空結(jié)構(gòu)可以達(dá)到減輕假手重量的目的.手指的關(guān)節(jié)采用彈性鉸鏈，相鄰的兩節(jié)指骨之間通過(guò)2根等長(zhǎng)的螺旋彈簧并排放置進(jìn)行連接，分別嵌在指骨兩端直徑為2 mm的孔上.手指的開(kāi)合運(yùn)動(dòng)采用腱驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)方式，通過(guò)拉緊/放松貫穿手指的繩索來(lái)實(shí)現(xiàn)手指的彎曲/伸展動(dòng)作.手指關(guān)節(jié)兩側(cè)的薄片通過(guò)螺釘固定在指骨前端的圓盤上，起到防止繩索滑出軌道的作用.

圖4 手指爆炸圖

2.1.1 手指的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

假手的手指關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)通過(guò)柔順機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn).柔順機(jī)構(gòu)是利用構(gòu)件自身的彈性變形來(lái)完成運(yùn)動(dòng)和力的傳遞與轉(zhuǎn)換的新型機(jī)構(gòu)[15].假手的關(guān)節(jié)采用柔順機(jī)構(gòu)中的彈性鉸鏈，每個(gè)關(guān)節(jié)在指骨的結(jié)合部嵌入螺旋彈簧.彈簧的外徑為2 mm，絲徑為0.35 mm，有效長(zhǎng)度為4 mm，最大彎曲角度為90°.如圖5所示，彈簧在一定范圍內(nèi)進(jìn)行彎曲，一個(gè)較小的彎曲長(zhǎng)度便可以產(chǎn)生很大的彎曲角度，形成較大的位移，而且不會(huì)產(chǎn)生永久的變形和扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象.當(dāng)彈簧在0°～90°的范圍內(nèi)做彎曲運(yùn)動(dòng)時(shí)，這種柔性彎曲的旋轉(zhuǎn)中心是固定的[8].因此，在對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，如圖3所示，可以近似地把機(jī)構(gòu)等效為一個(gè)偽剛體模型，即具有一定扭轉(zhuǎn)剛度的旋轉(zhuǎn)中心固定的鉸鏈.為了限制關(guān)節(jié)的自由度、防止手指的側(cè)擺運(yùn)動(dòng)，2根彈簧并排安裝.

圖5 彈性鉸鏈彎曲示意圖

關(guān)節(jié)中彈性鉸鏈的使用具有重要的作用.首先，受彎曲的彈簧給手指的伸展提供一個(gè)返回的力，在沒(méi)有外力作用的情況下手指可以自行伸直，簡(jiǎn)化了關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)，關(guān)節(jié)只需一個(gè)正向的驅(qū)動(dòng)就能保證手指完成抓握、捏取等基本動(dòng)作.此外，彈性鉸鏈相比傳統(tǒng)的剛性鉸鏈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便.由于沒(méi)有鉸鏈間隙，彈性鉸鏈結(jié)構(gòu)可靠性高，幾乎不存在磨損.同時(shí)，在負(fù)載過(guò)大或者受到較大沖擊時(shí)，彈性鉸鏈能起到緩沖作用，使機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性提高，對(duì)假手和用戶都有保護(hù)作用.

2.1.2 手指的腱驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

對(duì)于仿人型假手來(lái)說(shuō)，自由度并不是越多越好.自由度越多，假手所需的驅(qū)動(dòng)器就會(huì)越多，結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，假手的重量和體積也會(huì)增加.在滿足基本功能的前提下，假手的自由度應(yīng)該盡可能地少[16].

對(duì)于單只手指來(lái)說(shuō)，如果要使手指的靈活性達(dá)到最好，就需要4個(gè)自由度，即掌骨關(guān)節(jié)、近指關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)的彎曲/伸展自由度以及掌骨關(guān)節(jié)側(cè)向擺動(dòng)的自由度.而事實(shí)上，手指只需要1個(gè)自由度就可以完成抓握、捏取等基本的動(dòng)作，即手指只需要1個(gè)驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)彎曲，而側(cè)向擺動(dòng)的動(dòng)作可以整合到手掌上.通過(guò)腱驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)方式耦合手指各個(gè)關(guān)節(jié)之間的運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求.

由于掌骨關(guān)節(jié)側(cè)向擺動(dòng)的動(dòng)作整合到了手掌上，整個(gè)手指取消了相對(duì)于手掌左右擺動(dòng)的自由度，因此手指只有1個(gè)自由度，即手指的彎曲/伸展.掌骨關(guān)節(jié)由驅(qū)動(dòng)器經(jīng)齒輪系直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，近指關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)通過(guò)腱驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)方式進(jìn)行耦合，跟隨掌骨關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng).根據(jù)人手的規(guī)律，掌骨關(guān)節(jié)、近指關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)幅度都在90°左右，因此掌骨關(guān)節(jié)、近指關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)之間可以近似為1∶1 ∶1的傳動(dòng)比例.該設(shè)計(jì)能通過(guò)腱驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)從某一點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)過(guò)90°，從動(dòng)關(guān)節(jié)平穩(wěn)地同步轉(zhuǎn)過(guò)所需角度.

腱驅(qū)動(dòng)是通過(guò)拉動(dòng)貫穿各節(jié)指骨的繩索來(lái)實(shí)現(xiàn)的,圖6為手指中各個(gè)關(guān)節(jié)耦合運(yùn)動(dòng)所用繩索的路徑示意圖.近指關(guān)節(jié)跟隨掌骨關(guān)節(jié)的耦合運(yùn)動(dòng)中，腱驅(qū)動(dòng)的繩索貫穿整個(gè)近節(jié)指骨，兩端分別繞過(guò)手掌和近節(jié)指骨前端的圓盤，最后固定在手掌和中節(jié)指骨上；同樣，遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)跟隨近指關(guān)節(jié)的耦合運(yùn)動(dòng)中，腱驅(qū)動(dòng)的繩索貫穿整個(gè)中節(jié)指骨，兩端分別繞過(guò)近節(jié)指骨和中節(jié)指骨前端的圓盤，最后固定在近節(jié)指骨和遠(yuǎn)節(jié)指骨上.繩索在兩端圓盤上的纏繞方向并不相同，在主動(dòng)關(guān)節(jié)部分繩索繞在圓盤的上方，而在從動(dòng)關(guān)節(jié)部分繩索則繞在圓盤下方.由公式(1)可得圓弧長(zhǎng)度：

l=θr

(1)

其中，繞在圓盤上繩索增加或減少的長(zhǎng)度l與手指關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度θ成正比.如圖3所示，以近指關(guān)節(jié)B跟隨掌骨關(guān)節(jié)A的耦合運(yùn)動(dòng)為例，當(dāng)近節(jié)指骨繞掌骨關(guān)節(jié)A轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ1的增加，繞在掌骨關(guān)節(jié)圓盤上的繩索成正比地增加長(zhǎng)度l，由于繩索具有不可延展性，即繩索的總長(zhǎng)度保持不變，且繩索在兩端圓盤上的纏繞方向相反，因此繞在近節(jié)指骨圓盤上的繩索需要相應(yīng)減少長(zhǎng)度l，繩索便對(duì)中節(jié)指骨產(chǎn)生一個(gè)拉力，使中節(jié)指骨也隨著繞近指關(guān)節(jié)B轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)的角度θ2.同理可得遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)C跟隨近指關(guān)節(jié)B的耦合運(yùn)動(dòng).因?yàn)楦鱾€(gè)指骨和手掌前端的圓盤直徑均為d=10 mm，所以掌骨關(guān)節(jié)A、近指關(guān)節(jié)B、遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)C之間耦合傳動(dòng)比例為

θ1∶θ2∶θ3= 1∶1∶1

(2)

若要設(shè)計(jì)成其他的傳動(dòng)比例，可以通過(guò)改變主從關(guān)節(jié)上圓盤的直徑大小來(lái)實(shí)現(xiàn).

圖6 繩索路徑示意圖

2.2 手掌的設(shè)計(jì)

肌電假手是一個(gè)高度集成化的系統(tǒng)，除了機(jī)械結(jié)構(gòu)以外，還有傳感器、控制模塊、驅(qū)動(dòng)器和電氣系統(tǒng)等.文中設(shè)計(jì)的肌電假手所使用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝在手掌內(nèi).4個(gè)驅(qū)動(dòng)器分別驅(qū)動(dòng)5個(gè)手指共4個(gè)自由度，分別為拇指繞手掌的旋轉(zhuǎn)、拇指的彎曲/伸展、食指的彎曲/伸展、其余三指的彎曲/伸展.其中拇指繞手掌的旋轉(zhuǎn)、食指的彎曲/伸展、其余三指的彎曲/伸展由驅(qū)動(dòng)器通過(guò)齒輪系驅(qū)動(dòng)，拇指的彎曲/旋轉(zhuǎn)由驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過(guò)齒輪系和滑輪實(shí)現(xiàn)腱驅(qū)動(dòng).

假手的手掌具有集成度高、安裝方便的特點(diǎn)，由手掌背、手掌蓋、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)部分組成.如圖7所示，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包含有4個(gè)驅(qū)動(dòng)器，由兩個(gè)電機(jī)架固定在手掌內(nèi).從左往右4個(gè)驅(qū)動(dòng)器交錯(cuò)平行排列，分別驅(qū)動(dòng)假手的4個(gè)自由度，依次是拇指的彎曲/伸展、3只手指(中指、無(wú)名指和小指)的彎曲/伸展、拇指繞手掌的旋轉(zhuǎn)、食指的彎曲/伸展.食指彎曲/伸展的驅(qū)動(dòng)中，傳動(dòng)系統(tǒng)由1對(duì)錐齒輪和1對(duì)圓柱直齒輪組成.錐齒輪使傳動(dòng)方向改變90°，齒數(shù)比為1∶1.圓柱直齒輪直接驅(qū)動(dòng)近節(jié)指骨繞掌骨關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)食指的彎曲/伸展，齒數(shù)比為10∶26.3只手指(中指、無(wú)名指和小指)彎曲/伸展的驅(qū)動(dòng)中，小指的傳動(dòng)系統(tǒng)與食指相同，中指和無(wú)名指通過(guò)1根傳動(dòng)桿來(lái)實(shí)現(xiàn)與小指的耦合運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)桿是固定在中指、無(wú)名指和小指的掌骨關(guān)節(jié)中，帶動(dòng)三指同時(shí)進(jìn)行彎曲/伸展運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)比例為1∶1∶1.拇指繞手掌旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)中，傳動(dòng)系統(tǒng)由4個(gè)圓柱直齒輪組成，直接驅(qū)動(dòng)腕掌關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，傳動(dòng)比為10∶26.拇指彎曲/伸展的驅(qū)動(dòng)中，傳動(dòng)系統(tǒng)由1對(duì)圓柱直齒輪和1個(gè)滑輪組成.拇指的驅(qū)動(dòng)腱固定在滑輪上，圓柱直齒輪帶動(dòng)滑輪旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)拇指的彎曲/伸展運(yùn)動(dòng)，圓柱直齒輪的齒數(shù)比為10∶26.由此，在手掌的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，各個(gè)自由度的傳動(dòng)比例均為10∶26，相同的傳動(dòng)比例有利于未來(lái)對(duì)肌電假手的驅(qū)動(dòng)控制.

圖7 手掌內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 肌電假手的運(yùn)動(dòng)分析

3.1 手指的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

由于肌電假手除拇指外的4只手指采用相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)方案，在對(duì)假手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)，以單個(gè)手指進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析.

如圖8所示，建立手指的坐標(biāo)系，并依次對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)定義本地的參考坐標(biāo)系，掌骨關(guān)節(jié)、近指關(guān)節(jié)、遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)之間的耦合傳動(dòng)比例為1∶1∶1.

圖8 手指運(yùn)動(dòng)分析

由于手指機(jī)構(gòu)只有1個(gè)自由度，因此手指上一點(diǎn)相對(duì)于基點(diǎn)的坐標(biāo)由θ1唯一確定，即其坐標(biāo)分量x、y、z均為關(guān)于θ1的函數(shù).以指尖上點(diǎn)P來(lái)分析，指尖上一點(diǎn)P的位置矢量為P=(xp,yp,zp,1)T，則有位置方程如下：

式中：c1表示cosθ1，s1表示sinθ1，而，c12=cos(θ1+θ2)=c1c2-s1s2,同樣地有s12=sin(θ1+θ2)=c1s2+s1c2,如此類推.由于除拇指外其余4個(gè)手指是平面機(jī)構(gòu)，可以忽略z方向上的位移.根據(jù)以上指尖點(diǎn)P的位置方程，可以求得指尖點(diǎn)P的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖9所示.

圖9 手指指尖點(diǎn)P的運(yùn)動(dòng)軌跡

同樣地，如圖10所示，建立假手拇指的坐標(biāo)系，依次對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)定義本地參考坐標(biāo)系，L1x和L1z分別表示近指關(guān)節(jié)與掌骨關(guān)節(jié)在x軸和z軸上的距離，α為拇指的傾斜角度.由于近指關(guān)節(jié)、遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)之間具有1∶1的耦合傳動(dòng)比例，可知θ2=θ3.

圖10 拇指運(yùn)動(dòng)分析

拇指具有繞手掌旋轉(zhuǎn)和彎曲/伸展兩個(gè)自由度，拇指上一點(diǎn)相對(duì)于基點(diǎn)的坐標(biāo)由θ1和θ2確定.以拇指的指尖點(diǎn)P進(jìn)行分析，拇指的指尖上一點(diǎn)P的位置矢量為P=(xp,yp,zp,1)T,則有位置方程如下：

根據(jù)以上拇指指尖點(diǎn)P的位置方程，可以求得指尖點(diǎn)P的運(yùn)動(dòng)空間，如圖11所示.

圖11 拇指指尖點(diǎn)P的運(yùn)動(dòng)空間

3.2 假手的運(yùn)動(dòng)模擬

通過(guò)SolidWorks的模擬，該肌電假手能夠成功做出8個(gè)經(jīng)典的抓握手勢(shì)，如圖12所示.這些抓取動(dòng)作包括了大部分人手的抓取行為，并且能夠滿足一般人的日常生活需要.這8個(gè)手勢(shì)分別是：①圓柱抓取，用整個(gè)手抓取圓柱形的物體，例如抓飲料瓶子；②勾取手勢(shì)，通過(guò)4只手指彎曲來(lái)提或拉物體，例如提公文包；③側(cè)邊捏取，拇指與食指?jìng)?cè)邊之間的捏取，例如拿鑰匙或信用卡；④指向手勢(shì)，食指伸展.其余四指做抓握的手勢(shì)，例如按鍵盤或按鈕；⑤放松手勢(shì)，五指攤開(kāi)的手勢(shì)，例如拿一本書或盤子；⑥球形抓取，用整個(gè)手抓取球形的物體；⑦3只手指捏取，拇指、食指和中指之間的捏取動(dòng)作，用來(lái)穩(wěn)固地抓取較小的物體；⑧兩指捏取，拇指和食指指尖之間的捏取，用來(lái)抓取更小的物件.

圖12 8個(gè)抓握手勢(shì)的模擬

如圖13所示，通過(guò)SolidWorks的模擬，該肌電假手分別通過(guò)三指捏取、圓柱抓取、兩指捏取、球形抓取4種手勢(shì)，抓握直徑為10、20、40、50 mm的圓柱和球體.可見(jiàn)該假手能夠適應(yīng)并穩(wěn)定抓握各種不同大小形狀的物體.

圖13 不同尺寸圓柱和球體的抓握模擬

4 機(jī)械假手模型

文中設(shè)計(jì)的仿人型假手經(jīng)加工裝配后得到的假手模型如圖14所示.該假手的形狀和大小都與人手相似，而且能夠?qū)崿F(xiàn)日常生活中的抓握功能.

圖14 仿人型肌電假手模型

圖15中為假手的整體系統(tǒng).假手的控制系統(tǒng)包括ACS運(yùn)動(dòng)控制公司的運(yùn)動(dòng)控制器、運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器和配套的控制軟件.肌電假手的電機(jī)采用Maxon motor公司的直流微型電機(jī).首先建立計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器和肌電假手之間的通訊，四者之間按實(shí)際要求接線并接通電源；然后通過(guò)軟件依次進(jìn)行通信配置、系統(tǒng)配置、電機(jī)參數(shù)配置和控制調(diào)試等設(shè)定；最后對(duì)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行控制編程.圖16為肌電假手抓握不同物體時(shí)的8個(gè)手勢(shì).

圖15 肌電假手的整體系統(tǒng)

圖16 肌電假手的8個(gè)手勢(shì)

5 結(jié)語(yǔ)

文中提出了一種基于彈性鉸鏈的仿人型肌電假手的設(shè)計(jì)，基于對(duì)人手骨骼結(jié)構(gòu)的分析，建立起該肌電假手的基本架構(gòu).該假手具有與人手相類似的形狀結(jié)構(gòu)和大小，有5只手指，拇指和食指可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，中指、無(wú)名指和小指聯(lián)立運(yùn)動(dòng)；手指基于彈性鉸鏈設(shè)計(jì)，除拇指外，每個(gè)手指有3節(jié)指骨，指骨間通過(guò)螺旋彈簧連接，保證了手指活動(dòng)的靈活性；手指各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)通過(guò)腱驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)耦合，當(dāng)手指的近節(jié)指骨被驅(qū)動(dòng)繞掌骨關(guān)節(jié)產(chǎn)生彎曲時(shí)，其中節(jié)指骨和遠(yuǎn)節(jié)指骨在耦合繩索的作用下分別繞各關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)彎曲.此外，拇指在與手掌連接處還有1個(gè)拇指繞手掌轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度.假手的4個(gè)驅(qū)動(dòng)器安裝在手掌內(nèi)部，分別驅(qū)動(dòng)拇指繞手掌的旋轉(zhuǎn)、拇指的彎曲/伸展、食指的彎曲/伸展、其余三指的彎曲/伸展4個(gè)自由度.通過(guò)對(duì)假手手指的運(yùn)動(dòng)分析以及假手各種功能的模擬，該假手能夠?qū)崿F(xiàn)多種抓握手勢(shì)，并能夠抓取各種不同形狀大小的物體，能完成日常生活中的基本抓握動(dòng)作.在未來(lái)的工作中，將進(jìn)一步改進(jìn)該仿人型假手的結(jié)構(gòu)及外觀設(shè)計(jì)，使其從手指和手掌等各方面更加接近于人手，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)更多的抓握和操作功能.

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Design of an Anthropomorphic Prosthetic Hand with Elastic Joints

WANGNian-fengLAOKun-yiZHANGXian-min

(School of Mechanical and Automotive Engineering,South China University of Technology, Guangzhou 510640,Guangdong,China)

In the amputee rehabilitation,the anthropomorphic prosthetic hand of light weight,small size and most of the grasping and operating functions of human hands is needed.In this paper,by analyzing the skeletons and functions of human hands,a design of the anthropomorphic prosthetic hand is proposed.The prosthetic hand has five fingers and four degrees of freedom (DOFs),and is driven by four independent actuators.The joints of each finger are designed based on elastic joints,and the adjacent phalanxes are connected by using helical springs.Except for the thumb,each finger is of one DOF,and the movements among the joints are realized by using tendons to couple the joints.The compact drive system is settled in the palm to control the fingers.Through the analysis of the finger workspace and the simulation of the prosthetic hand,it is proved that the proposed prosthetic hand can execute most gestures and grasping tasks in the activities of daily life.

anthropomorphic prosthetic hand;elastic joint;myoelectric control

2015- 12- 22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51205134,51575187，91223201)；廣州市產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新重大專項(xiàng)(2014Y2-00217)；廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(S2013030013355)；黃埔區(qū)重大專項(xiàng)(20150000661)；華南理工大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2015ZZ007) Foundation items: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51205134,51575187,91223201) and the Natural Science Foundation of Guangdong Province(S2013030013355)

王念峰(1978-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事結(jié)構(gòu)優(yōu)化及機(jī)器人技術(shù)研究.E-mail：menfwang@scut.edu.cn

1000- 565X(2016)10- 0015- 07

TH 122

10.3969/j.issn.1000-565X.2016.10.003