仿生機械靈巧手的手指設(shè)計

馬翔宇，楊武成，李阿為

(西安航空學(xué)院 a.機械工程學(xué)院； b.機電技術(shù)研究所, 西安 710077)

仿生機械靈巧手的手指設(shè)計

馬翔宇a，b，楊武成a，b，李阿為a

(西安航空學(xué)院 a.機械工程學(xué)院； b.機電技術(shù)研究所, 西安 710077)

針對醫(yī)療假肢手指難以解決殘疾人日常生活問題的情況，結(jié)合人體手指運動的機理，設(shè)計了一種仿生機械靈巧手。該機械靈巧手由手掌體、設(shè)在手掌體上的1根大拇指和4根手指構(gòu)成；大拇指由兩拇指段構(gòu)成，大拇指單自由度轉(zhuǎn)動連接于手掌體；四指結(jié)構(gòu)形式一致，且由2個手指段構(gòu)成，二者之間采用單自由度轉(zhuǎn)動連接?；谥笖?shù)積公式對所設(shè)計的靈巧手進行運動學(xué)分析，求解相關(guān)數(shù)學(xué)模型；采用UG軟件對靈巧手進行仿真分析，結(jié)果表明：所設(shè)計的靈巧機械手能滿足殘疾人簡單握持及敲打等日常需要，對康復(fù)機械設(shè)計有一定的參考價值。

靈巧手；結(jié)構(gòu)設(shè)計；仿真分析

近年來，因為交通事件、疾病以及工作傷病等原因，殘疾人數(shù)目增加。據(jù)相關(guān)資料數(shù)據(jù)統(tǒng)計，全國約有6 000萬殘疾人，其中肢體有殘疾的人約為900萬，他們無法獨立生活和完成勞動任務(wù)，而安裝假肢可使他們重新恢復(fù)運動能力。由于人手結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，假手的制造成本高昂，但功能性無法與真正的人手媲美，因此醫(yī)療假手的研究具有很大的潛力和迫切性。

我國從20世紀(jì)50年代初期開始從事應(yīng)用肌電控制假手研究，60年代中期成功研制出單自由度肌電控制前臂假手，1979年成功研制出3自由度肌電控制假手。2001年，哈工大成功研制HIT/DLR I[1]多指靈巧手，它的4個手指有相同的結(jié)構(gòu)，每一根手指有4個關(guān)節(jié)、3個自由度，其中大拇指有1個相對手掌來說展開和握持的自由度，共13個自由度。每一根手指都安裝有指端傳感器、力矩傳感器、關(guān)節(jié)位置傳感器等，可做出拉抽屜、抓取雞蛋等行為動作。2008年，哈工大再次成功研制出HIT/DLR II[2]多指靈巧手，由1個手掌和5根手指組成，每一根手指有3個自由度和4個關(guān)節(jié)，共15個自由度，末端的雙關(guān)節(jié)通過機械耦合而成，相比前一代質(zhì)量更輕，尺寸更小，工作穩(wěn)定性能更強。德國的Otto Bock公司最早研制出的是一種單自由度三手指假手[3]。意大利科學(xué)家成功研制出三手指多關(guān)節(jié)肌電MARCUS假手[4]，這種醫(yī)療手的傳感器應(yīng)用種類繁多，能實現(xiàn)力量抓取和精準(zhǔn)抓取。2005年，日本東京大學(xué)成功研制出一種腱驅(qū)動假手[5]，該假手由5個手指及手腕構(gòu)成。每一根手指有3個關(guān)節(jié)，采用腱驅(qū)動來驅(qū)動指間關(guān)節(jié)，采用電機來驅(qū)動基關(guān)節(jié)。2007年，英國[6]David Gow 研制了一種應(yīng)用于臨床恢復(fù)的仿生手i-Limb。然而，目前仿生醫(yī)療假手存在很多問題，諸如驅(qū)動方式不靈活、不可靠，自由度低，運動靈活性較差等，且大部分設(shè)計的機械手采用欠驅(qū)動方式，這種驅(qū)動方式導(dǎo)致可靠性不高，而且難以控制單關(guān)節(jié)運動，因此本文設(shè)計了一種擁有五指的全驅(qū)動多自由度機械手，驅(qū)動可靠性高，運動靈活，可以控制單指或者單關(guān)節(jié)運動，不僅滿足基本的握持和拿捏功能，也能實現(xiàn)敲擊等更多功能，將為殘疾者帶來福音。

1 機械靈巧手手指設(shè)計

機械手的主要組成部分包括手部零件、運動結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)。手部零件用來實現(xiàn)握持和抓持等日常需要的功能，按照被抓持物體的外形、大小、質(zhì)量、制造材料和作業(yè)要求分為很多結(jié)構(gòu)方式，如夾持型、托持型和吸附型等。使用運動結(jié)構(gòu)可使手部做出各種旋轉(zhuǎn)運動、復(fù)雜運動或簡單移動來完成要求的動作，從而改變被抓持物件的空間位置和運動狀態(tài)。機械手的自由度體現(xiàn)在運動結(jié)構(gòu)的升起和降落、伸縮和旋轉(zhuǎn)方面。為了能抓持任何位置的物體，需要至少6個自由度。自由度的體現(xiàn)在機械手上十分重要，自由度使用得越多，手部越靈活，可滿足的功能需求越多，實際應(yīng)用越廣，但這會導(dǎo)致機械手的組成更加復(fù)雜。

機械手的4個手指類似于人的手指分布，大拇指也為2個指節(jié)，在抓取物品時起輔助支撐作用，能防止其他3個手指在抓取物體時由于受力不均向一邊滑動，三關(guān)節(jié)欠驅(qū)動手指機構(gòu)的手指基本關(guān)節(jié)可以依據(jù)設(shè)計理念和實際功能的要求改變手指的空間方位，也可以根據(jù)物體的實際形狀自行調(diào)節(jié)抓持動作。在彈簧的控制和差動齒輪的作用下，每一個手指關(guān)節(jié)根據(jù)被抓取物品的外形進行閉合，實現(xiàn)被抓物品的可靠抓取[7]。

本文設(shè)計的醫(yī)療機械假手的尺寸參考了人類手指尺寸的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并根據(jù)實際設(shè)計要求進行了小幅修改，或依據(jù)設(shè)計所要滿足的功能需求及適用場合進行調(diào)整。大數(shù)據(jù)的來源為某中學(xué)青少年學(xué)生手指尺寸統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表1。表1中的數(shù)據(jù)是本文設(shè)計尺寸的主要參考依據(jù)[8]。

本文采用五指多關(guān)節(jié)設(shè)計，除大拇指外，其余 4 根手指完全相同，均由 2 個模塊組成：近手掌部分為第1模塊；遠離手掌的部分為第2模塊。進行手掌結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要綜合考慮，首先需要考慮手指和手掌相配合的安裝問題；其次，需要考慮支撐和定位問題，手掌一般有 2 個作用， 第一是作為連接手指的部件， 第二是為了與手臂部件進行連接，手掌部分的設(shè)計是一個截面為五邊形的塊體。

第一模塊起到承前啟后的作用，它是連接手掌和遠手模塊的重要部分，也是傳遞和帶動第二指節(jié)運動的重要部分，其主要的運動為內(nèi)屈和外展。手指遠手掌的一端為第二模塊，由第一模塊的連接片實現(xiàn)相連，外形主體也是由一個圓柱體構(gòu)成，頂部為半球體，下端安裝2個連接片，三維設(shè)計圖和二維設(shè)計圖見圖1、2所示。

圖1 靈巧手三維設(shè)計圖

圖2 靈巧手二維設(shè)計圖

2 運動學(xué)分析

機器人運動學(xué)主要是利用幾何的方法來分析機器人運動。機器人運動學(xué)的主要任務(wù)是描述機器人關(guān)節(jié)和組成機器人的剛體之間的運動關(guān)系，機器人的位置與速度是求解機器人運動學(xué)的基礎(chǔ)，它主要討論機器人輸入與輸出構(gòu)件之間的位置與速度關(guān)系，是機器人運動學(xué)研究的最基本任務(wù)。描述機械手的運動學(xué)，通常采用D-H參數(shù)法。D-H參數(shù)法的核心在于引入了連桿坐標(biāo)系。因大拇指結(jié)構(gòu)簡單，故本文僅對4指關(guān)節(jié)的運動學(xué)方程進行求解。

(1)

利用D-H參數(shù)法對單指進行正向運動學(xué)求解。利用D-H參數(shù)可以建立相鄰連桿坐標(biāo)系間的齊次變換矩陣。其中：ai表示連桿的長度；αi表示連桿之間的扭轉(zhuǎn)角；di是連桿偏距；θi是關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，故有式(2)。

（2）大豆原料的粉碎程度也會對大豆油脂產(chǎn)生影響。將大豆完全粉碎后，分別過20、40、60、80和100目篩，最后經(jīng)過5道目篩稱取10g的大豆粉，配合水配成濃度為10%的培養(yǎng)基。而在pH值為5、溫度為38℃條件下的恒溫搖床中則要再培養(yǎng)菌種19h，最后測量提油量。

(2)

進而根據(jù)式(2)進行正向運動學(xué)求解

(3)

由式(3)代入可得正向運動學(xué)求解表達式：

x=l1cosθ1+l2cos(θ1+θ2)

y=l1sinθ1+l2sin(θ1+θ2)

φ=θ1+θ2+θ3

式中：x、y、φ表示靈巧手手指末端的位姿。

圖3 手指連桿位置關(guān)系

圖4 手指連桿坐標(biāo)系

3 仿真分析

為了實現(xiàn)運動仿真，做如下的基本假設(shè)：

1) 機械手是一個剛性物體，也就是說材料表面受力均勻。

2) 材料質(zhì)量均勻分布。

3.1 仿真步驟設(shè)置

1) 連桿的選擇

將手掌和鑲嵌在手掌里的電機作為一個連桿(除去電機上的齒輪)，并選擇固定。

2) 運動副的選擇及定義1

將手掌內(nèi)嵌電機的第1個齒輪定義為第1個旋轉(zhuǎn)副，確定矢量方向；

將嚙合齒輪、手指第1關(guān)節(jié)以及第1關(guān)節(jié)內(nèi)鑲嵌的電機定義為第2旋轉(zhuǎn)副；

將第1指節(jié)內(nèi)電機上的齒輪定義為第3個旋轉(zhuǎn)副，確定矢量方向。這時要點擊嚙合連桿，將第1指節(jié)嚙合在一起，并加以驅(qū)動。

3) 運動副的選擇及定義2

將手掌內(nèi)嵌電機的第1個齒輪定義為第1個旋轉(zhuǎn)副，確定矢量方向；

將嚙合齒輪，第1關(guān)節(jié)以及第1關(guān)節(jié)內(nèi)鑲嵌的電機定義為第2旋轉(zhuǎn)副；

將第1指節(jié)內(nèi)電機上的齒輪定義為第3個旋轉(zhuǎn)副，確定矢量方向。這時要點擊嚙合連桿，將第1指節(jié)嚙合在一起，并加以驅(qū)動。

3.2 握持功能仿真

仿真結(jié)果見圖5。

圖5 靈巧手握持功能仿真

3.3 敲擊功能演示

本文將手掌與第1指節(jié)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處設(shè)置為簡諧運動的驅(qū)動方式，振幅設(shè)定為45°，頻率依據(jù)要求而加，而第2手指關(guān)節(jié)與第1手指關(guān)節(jié)固定一個角度。仿真結(jié)果見圖6。

圖6 靈巧手敲打功能仿真

4 結(jié)束語

為豐富假肢的功能需求研究，結(jié)合人體的軀體和手指的特點及運動機理，設(shè)計了一種仿生機械靈巧手，靈巧手手指由大拇指和4個手指構(gòu)成。對所設(shè)計的靈巧手進行運動學(xué)數(shù)學(xué)建模，并對靈巧手的握持功能及敲打功能進行仿真分析。仿真結(jié)果表明：所設(shè)計的機械靈巧手可實現(xiàn)設(shè)定的功能，能為康復(fù)機械的設(shè)計提供一些思路和經(jīng)驗。本文的不足之處在于僅對仿生手指的運動結(jié)構(gòu)進行了借鑒，下一步將研究手指各關(guān)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)，為仿生康復(fù)機器人的設(shè)計積累經(jīng)驗。

[1] LIU Hong,PETER Meusel,GERD Hirzinger.The Modular Multisensory DLR-HIT-Hand:Hardware and Software Architecture[J]．IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2009,13(4) :461-469.

[2] 樊紹巍,劉伊威,金明河,等.HIT/DLR Hand Ⅱ類人形五指靈巧手機構(gòu)的研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2009,30(2):171-177.

[3] 王利波,張志軍,王領(lǐng).氣動類人仿生機械手設(shè)計[J].大連交通大學(xué)學(xué)報,2013,34(2):63-66.

[4] PUCHHAMMER G,TACTILERUTSCHSENSOR Der.Integration Miniaturisierter Sensorik in einer Myo-Hand[J].Orthopedic Technique，1999(7):112-129.

[5] BERGAMASCO M,SCATTAREGGIA S M.The Mechanical Design of the MARCUS Prosthetic hand[J].IEEE International Workshop on Robot and Human Communication[Z].0-7803-2904-x/95,1995:356-372.

[6] ISHIKAWA Y,YU W,YOKOI H,et al.Development of Robot Hands with an Adjustable Power Transmitting Mechanism[J].Intelligent Engineering Systems Through Neural Networks,2000(18):71-72.

[7] 查理.肌電假手的研究進展[J].國防科技,2007(9):6-13.

[8] 張永德,劉廷榮.機器人多指靈巧手的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計[J].機器人,1999,21(3):234-240.

(責(zé)任編輯楊黎麗)

DesignofFingerwithBionicDexterousRobotHand

MA Xiangyua,b, YANG Wuchenga,b, LI Aweia

(a. School of Mechanical Engineering；b. Institute of Electromechanical Technology, Xi’an Aeronautical University, Xi’an 710077, China)

According to that the medical prosthetic finger is difficult to achieve the daily lives of persons with disabilities and other issues, combined with the mechanism of human finger movement, a bionic robot dexterous hand is designed. And the mechanical dexterous hand is consist of a palm, the thumb and four fingers. The two thumb segments are designed in the palm with a single degree of freedom rotational connection. The four refers to the structure, consists of two fingers,are designed with single degree of freedom rotational connection. Then, the kinematic mathematical model of the dexterous hand is solved based on the POE. Finally, the simulation analysis of the dexterous hand by UG software shows that the fingers of manipulator designed can meet the disabled simple grip and beating other daily problems, and it provides certain reference value for the rehabilitation of mechanical design.

dexterous hand; structural design; simulation

2017-05-29

陜西省教育廳科研計劃資助項目(17JK0396)；西安航空學(xué)院校級科研基金項目(2017KY1113)

馬翔宇(1990—)，男，河南商丘人，碩士，助教，主要從事機器人技術(shù)及應(yīng)用研究，E-mail：xaaumxy@163.com；楊武成(1976—)，男，陜西韓城人，副教授，碩士，主要從事機械制造技術(shù)、計算機仿真及非標(biāo)設(shè)計研究。

馬翔宇，楊武成，李阿為.仿生機械靈巧手的手指設(shè)計[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2017(11):117-121.

formatMA Xiangyu, YANG Wucheng LI Awe.Design of Finger with Bionic Dexterous Robot Hand[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(11):117-121.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.11.017

TH12

A

1674-8425(2017)11-0117-05