殘疾人用Partial Finger機(jī)構(gòu)研究

楊會(huì)生，姜 力，劉伊威，劉 宏

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所，哈爾濱150001，yanghuisheng@126.com)

近年來，仿人型殘疾人假手的研究已經(jīng)成為生物醫(yī)學(xué)工程及機(jī)器人學(xué)科的一個(gè)熱點(diǎn)方向.隨著機(jī)器人靈巧手技術(shù)的飛速發(fā)展，單自由度、三自由度、五自由度、多自由度殘疾人假手相繼出現(xiàn).比較有代表性的有Otto Bock手、TBM手、HIT/ DLRⅢⅣ型假手、i－LIMB手、FluidHand手、惠普金斯大學(xué)假手［1－8］.這些假手在外形、重量、自由度配置和感知功能方面都具有了某些方面的改進(jìn)，但是上述假手的研究還主要集中在臂部骨骼離斷的全手階段，它們安裝時(shí)要求上肢殘疾人患者全手殘疾，并且對小臂殘肢長度有一定要求.針對手部骨骼殘疾的研究較少，特別是掌骨和指骨離斷的研究，因?yàn)槠溆行Ю皿w積小，擬人化要求高，基本處于空白狀態(tài).據(jù)業(yè)內(nèi)人士調(diào)查顯示，手殘患者中有相當(dāng)一部分不是整手殘疾，而是部分手殘疾，所以針對部分手殘疾的假手的研究日益迫切［9－10］.

本文針對手指基指節(jié)(第一指骨)離斷的殘疾人患者，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單，安裝簡便快捷，外觀形象逼真，運(yùn)動(dòng)方式擬人化的殘疾人用Partial Finger.有效地解決了現(xiàn)在沒有適用于手指基指節(jié)殘存患者能夠使用的功能型假肢問題.

1 Partial Finger結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 手部殘疾類型和手指基指節(jié)離斷結(jié)構(gòu)分析

普通人手是由5個(gè)手指構(gòu)成，每個(gè)手指都有很多骨骼組成，手指各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是通過與之直接相連的肌肉或筋腱的相應(yīng)收縮、伸展運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，圖1為人手骨骼構(gòu)造簡圖［11］，掌骨與手腕骨相連，手腕骨通過腕關(guān)節(jié)與小臂相連.醫(yī)學(xué)上針對手部殘疾類型有腕關(guān)節(jié)離斷、手腕骨截?cái)?、手掌骨截?cái)?、第一?jié)指骨截?cái)?、第二?jié)指骨截?cái)唷⒌谌?jié)指骨截?cái)嗟阮愋?，小臂和上臂及對?yīng)關(guān)節(jié)的離斷也與手掌有關(guān).研究證明，手指第二、三指骨截?cái)嗷静挥绊懯种傅恼９δ埽梢园惭b裝飾型假肢，但是基指節(jié)(第一指節(jié)指骨)離斷將嚴(yán)重影響手指的正常功能，需要安裝功能性假肢來彌補(bǔ)手指功能.人手每個(gè)手指有3個(gè)關(guān)節(jié)，基關(guān)節(jié)有兩個(gè)自由度(側(cè)擺運(yùn)動(dòng)和張合運(yùn)動(dòng))，其余關(guān)節(jié)只有一個(gè)自由度(張合運(yùn)動(dòng))，因?yàn)槭种富腹?jié)的驅(qū)動(dòng)肌肉在手掌內(nèi)，所以手指基指節(jié)離斷后，殘余基指節(jié)依然保留了原來的運(yùn)動(dòng)能力，如果利用得當(dāng)，可以驅(qū)動(dòng)假手指實(shí)現(xiàn)擬人化運(yùn)動(dòng).

圖1 人手骨骼構(gòu)造簡圖

1.2 Partial Finger的整體結(jié)構(gòu)

考慮到假手指應(yīng)用普遍性，本文所研制的Partial Finger樣機(jī)以人手指有效利用體積最小、實(shí)現(xiàn)難度最高的小指為基準(zhǔn)，并預(yù)留外包裝指套的空間.Partial Finger由假手指連接部分(手掌部分)、基指節(jié)、中指節(jié)、遠(yuǎn)指節(jié)4部分組成，其結(jié)構(gòu)圖見圖2，各指節(jié)具體尺寸參數(shù)見表1.Partial Finger三指節(jié)采用全耦合結(jié)構(gòu)，分別選取手指自然伸展和完全合攏為初始狀態(tài)，設(shè)計(jì)假手指各指節(jié)的運(yùn)動(dòng)空間，為了模仿人手指的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采用近似定傳動(dòng)比來設(shè)計(jì)各指節(jié)四桿機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)，最終確定基關(guān)節(jié)與中關(guān)節(jié)近似9∶10傳動(dòng)，中關(guān)節(jié)與遠(yuǎn)關(guān)節(jié)近似4∶3傳動(dòng).各指節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍見表2.基指節(jié)與中指節(jié)初始角度為5°，中指節(jié)與遠(yuǎn)指節(jié)初始角度為0°.

圖2 Partial Finger結(jié)構(gòu)圖

表1 假手指外形尺寸 mm

假手指通過連接彈簧架的彈性將假手指連接到手掌上，連接彈簧架的圓弧與手指的虎口接觸定位.連接彈簧架與基指節(jié)四桿機(jī)構(gòu)的基座軸向固定、周向轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬手指基關(guān)節(jié)的側(cè)擺自由度，上下檔絲分別與基指節(jié)四桿機(jī)構(gòu)的上下連桿固連，通過對假手指參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可使上下檔絲在假手指開合運(yùn)動(dòng)整個(gè)過程中近似包絡(luò)出殘余基指節(jié)的形狀，并且保證殘余基指節(jié)在任意位置與上下檔絲接觸，從而驅(qū)動(dòng)假手指開合.

表2 假手指各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍 (°)

1.3 耦合四桿機(jī)構(gòu)參數(shù)確定

假手指開合機(jī)構(gòu)采用全耦合的原理設(shè)計(jì)，基指節(jié)四桿機(jī)構(gòu)和中指節(jié)四桿機(jī)構(gòu)原理基本相同，將基指節(jié)四桿機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)桿與中指節(jié)四桿機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)桿固連，可將基指節(jié)運(yùn)動(dòng)耦合到中指節(jié)，將遠(yuǎn)指節(jié)與中指節(jié)的一個(gè)桿固連，可將中指節(jié)運(yùn)動(dòng)耦合到遠(yuǎn)指節(jié).

圖3為近指節(jié)四桿機(jī)構(gòu)，假手指合攏運(yùn)動(dòng)時(shí)l4為基座，l1為主動(dòng)桿，l3為中間桿傳動(dòng)桿，l2為從動(dòng)桿;假手指張開運(yùn)動(dòng)時(shí)l4為基座，l3為主動(dòng)桿，l1為中間傳動(dòng)桿，l2為從動(dòng)桿.在假手指開合運(yùn)動(dòng)過程中，同時(shí)l1與l2是與中指節(jié)四桿機(jī)構(gòu)的耦合連桿，所以角β也是中指節(jié)四桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)角.

圖3 近指節(jié)四桿機(jī)構(gòu)簡圖

以手指合攏運(yùn)動(dòng)為例設(shè)計(jì)基指節(jié)四桿機(jī)構(gòu)各桿參數(shù)，手指張開可視為合攏運(yùn)動(dòng)的逆運(yùn)動(dòng).由上述分析可知，在手指的運(yùn)動(dòng)過程中，l4可視為手掌，l1可視為基指節(jié)，l2可視為中指節(jié).所以角α(主動(dòng)旋轉(zhuǎn)角∠BAD)的增量Δα就是基關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度，同理，角β(耦合旋轉(zhuǎn)角∠CBA)的增量Δβ就是中關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度.基指節(jié)與中指節(jié)的旋轉(zhuǎn)方向一致，所以Δα為負(fù)，Δβ為正，為實(shí)現(xiàn)基指節(jié)與中指節(jié)近似定傳動(dòng)比運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中應(yīng)有－Δα≈n×Δβ(n為基關(guān)節(jié)與中關(guān)節(jié)傳動(dòng)比).為保證基指節(jié)開合運(yùn)動(dòng)的對稱性，在運(yùn)動(dòng)過程中∠BAD的變化量Δα與∠ADC的變化量Δγ近似相等，即有－Δα≈Δγ.

由人手指大小的要求及結(jié)構(gòu)尺寸限制，可確定指節(jié)長度和某些桿的長度范圍.在參數(shù)確定的過程中，首先可以確定的是l1和l4，為了得到最優(yōu)化的各桿參數(shù)，本文根據(jù)實(shí)際情況取l2∈［l4－2，l4－2］.此外，四連桿機(jī)構(gòu)中需要確定的參數(shù)還有角α和角β的初始值α0和β0.考慮到傳遞效率和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍，有

式中:θA是∠BAD的運(yùn)動(dòng)范圍，n為基關(guān)節(jié)與中關(guān)節(jié)傳動(dòng)比，考慮到實(shí)際加工水平，l2的最小搜索步長為0.1 mm，α0和β0的最小搜索步長為0.5°，利用matlab進(jìn)行三層嵌套循環(huán)，從而可計(jì)算得連桿l3的一系列長度值:

本文在設(shè)計(jì)連桿的過程中，以－Δα與n×Δβ角度差δ1及－Δα與Δγ的角度差δ2的和為主要參考指標(biāo).要求當(dāng)主動(dòng)角α從初始角度開始，在0～θA的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，δ1+δ2的統(tǒng)計(jì)值(均值E(δ1+δ2)、方差D(δ1+δ2))最小.

式中:n1為主動(dòng)角α在運(yùn)動(dòng)區(qū)間內(nèi)采樣點(diǎn)的數(shù)目，δ=δ1+δ2，δk=δ1k+δ2k.

在傳動(dòng)過程中，可以得到α，β，α0，β0與δ的函數(shù)關(guān)系:

經(jīng)過Matlab仿真計(jì)算，得出以下一組最優(yōu)參數(shù)l1=33.5 mm，l2=5.5 mm，l3=32.3 mm，l4=6 mm，α0=117°，β0=26.5°.

中指節(jié)四桿機(jī)構(gòu)如圖4所示，l'1和l'4與基指節(jié)四桿機(jī)構(gòu)耦合，l'2與遠(yuǎn)指節(jié)耦合.∠B'A'D'的變化量Δα'與Δα大小相同，方向相反.∠C'B'A'的變化量Δβ'是遠(yuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角，為保證中指節(jié)與遠(yuǎn)指節(jié)運(yùn)動(dòng)角度近似等比例，應(yīng)有Δα'=－n'× Δβ'(n'為基指節(jié)與遠(yuǎn)指節(jié)的傳動(dòng)比).

圖4 中指節(jié)四桿機(jī)構(gòu)簡圖

經(jīng)過Matlab計(jì)算，得出以下一組最優(yōu)參數(shù): l'1=15 mm，l'2=5 mm，l'3=12.9 mm，l'4= 3.9 mm，α'0=17°，β'0=90.5°.

利用Matlab將上述參數(shù)帶入，測得各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度誤差如圖5所示，結(jié)果表明基關(guān)節(jié)最大傳動(dòng)誤差0.59°，中關(guān)節(jié)最大傳動(dòng)誤差0.63°.

圖5 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)誤差

2 Partial Finger的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

圖6 假手指合攏機(jī)構(gòu)簡圖

因?yàn)榧偈种搁_合運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)互逆，假手指的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析以合攏運(yùn)動(dòng)為例.在假手指合攏運(yùn)動(dòng)過程中，殘余基指節(jié)與基指節(jié)四桿機(jī)構(gòu)的下?lián)踅z(詳見圖2)保持接觸，可將接觸面近似看作線接觸，則殘余基指節(jié)與下?lián)踅z既存在轉(zhuǎn)動(dòng)又存在滑動(dòng)，可以用一個(gè)滑動(dòng)副加一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副代替，則假手指合攏運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)簡圖如圖6所示.O點(diǎn)既是坐標(biāo)原點(diǎn)，也是基指節(jié)的關(guān)節(jié)點(diǎn)，lAQ是殘余基指節(jié)的下表面.利用桿組法將圖6劃分為Ⅰ級機(jī)構(gòu)AQ、RRPⅡ級基本桿組AAB、Ⅰ級機(jī)構(gòu)BC、RRRⅡ級基本桿組EDC、Ⅰ級機(jī)構(gòu)DF、Ⅰ級機(jī)構(gòu)DH、RRRⅡ級基本桿組FGH、Ⅰ級機(jī)構(gòu)HP.設(shè)殘余基指節(jié)與x軸夾角為φ1，角速度為ω1，角加速度α1，則各點(diǎn)各桿的所有運(yùn)動(dòng)參數(shù)全部可求，將關(guān)鍵桿和重要點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行定量分析，對照圖6關(guān)鍵桿有基指節(jié)桿l5、中指節(jié)桿l7、遠(yuǎn)指節(jié)桿l10，重要點(diǎn)有中關(guān)節(jié)點(diǎn)D、遠(yuǎn)關(guān)節(jié)點(diǎn)H、遠(yuǎn)指節(jié)指尖點(diǎn)P、下?lián)踅z點(diǎn)A，還有A與Q的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系.

圖7所示為假手指各關(guān)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，對比人手指的運(yùn)動(dòng)形式可知，假手指具有高度擬人化的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).

圖7 假手指各關(guān)鍵點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡

圖8～10為假手指各指節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).由圖中曲線可知，假手指各關(guān)節(jié)以近似定傳動(dòng)比運(yùn)動(dòng)，當(dāng)殘余基指節(jié)勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，假手指各指節(jié)角加速度很小，近似勻速運(yùn)動(dòng).圖11所示為假手指下?lián)踅z在殘余基指節(jié)上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，上圖表明擋絲與殘余基指節(jié)相對運(yùn)動(dòng)量較小，相對運(yùn)動(dòng)速度很小，所以擋絲對殘余基指節(jié)的磨損量很小，可以利用殘余基指節(jié)長時(shí)間驅(qū)動(dòng)假手指.

圖8 假手指各指節(jié)運(yùn)動(dòng)角

圖9 假手指各指節(jié)運(yùn)動(dòng)角速度

圖10 假手指各指節(jié)運(yùn)動(dòng)角加速度

圖11 假手指A相對Q運(yùn)動(dòng)關(guān)系

3 Partial Finger的運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)前文所述的結(jié)構(gòu)，研制出了Partial Finger樣機(jī)，根據(jù)相應(yīng)殘疾類型設(shè)計(jì)了殘手實(shí)驗(yàn)裝置，對假手指進(jìn)行了性能實(shí)驗(yàn).通過負(fù)載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，假手指可通過單手拆卸，在只通過連接彈簧架連接時(shí)，假手指指尖可承受力為10.7 N，記錄彈簧架狀態(tài)，再現(xiàn)于人手掌上，沒有壓迫感;同時(shí)進(jìn)行了5萬次疲勞實(shí)驗(yàn)，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，假手指連接可靠，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平滑，實(shí)驗(yàn)完畢，殘余基指節(jié)與上下檔絲的磨損量不大;此外，本文還進(jìn)行了抓取能力實(shí)驗(yàn)，因?yàn)闆]有其他手指的配合，Partial Finger只能對外形尺寸＜25 mm的物體進(jìn)行操作，但抓取穩(wěn)定、力量可靠，如圖12所示;最后通過對比假手指的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，特別是假手指始末狀態(tài)與人手自然狀態(tài)(如圖12所示)，表明假手指運(yùn)動(dòng)方式和外形高度擬人化，配合外包裝手套可以完全滿足殘疾人需要.

圖12 Partial Finger實(shí)驗(yàn)圖片

4 結(jié)語

1)研制了一種利用被動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，采用全耦合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手指開合的仿人型殘疾人用Partial Finger，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)連接機(jī)構(gòu).

2)分析了手指基指節(jié)離斷的手部結(jié)構(gòu)，利用Matlab設(shè)計(jì)了以近似等比例傳動(dòng)的桿件參數(shù)，對假手指的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了理論分析，研制了假手指實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對其整體性能進(jìn)行了驗(yàn)證.

3)通過多次實(shí)驗(yàn)證明，該假手指結(jié)構(gòu)簡單、可靠，運(yùn)動(dòng)靈活、控制方便，可以配合其他手指完成手的近95%功能.

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