基于SolidWorks的手部骨骼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真研究

樊 琛，楊振坤，白 園

（1.西安交通大學(xué)，西安 710049；2.西安交通大學(xué)城市學(xué)院，西安 710018）

0 引言

手作為人體最重要、最靈巧的器官，它的功能與作用在日常生活與工作中無(wú)可代替，小到一針一線，大到各類(lèi)器械，手都可以靈活運(yùn)用操作。但手也極其脆弱，常因疾病或意外事故發(fā)生癱瘓或骨折等現(xiàn)象。這給患者及其家庭帶來(lái)極大的痛苦和壓力。在傳統(tǒng)康復(fù)治療中，主要依靠康復(fù)醫(yī)師對(duì)患者進(jìn)行一對(duì)一的手工操作和主觀臨床經(jīng)驗(yàn)對(duì)患肢進(jìn)行評(píng)估，主要完成的是從感受器經(jīng)周?chē)窠?jīng)、脊髓、腦干、丘腦至大腦皮質(zhì)的上行傳導(dǎo)通路的訓(xùn)練[3,4]。康復(fù)水平低、周期長(zhǎng)、人工陪護(hù)等費(fèi)用高。近年來(lái)，康復(fù)醫(yī)學(xué)尤其是康復(fù)機(jī)器人的逐漸興起，在康復(fù)評(píng)估、精細(xì)化康復(fù)操作、康復(fù)規(guī)范及改革等方面發(fā)揮了極大的作用。而人因?yàn)槟挲g、性別、工種、遺傳等因素，手部尺寸相差較大；在手部運(yùn)動(dòng)操作過(guò)程中，由于習(xí)慣、熟練度及情緒等因素，運(yùn)動(dòng)過(guò)程和運(yùn)動(dòng)參數(shù)也有很大差異。如何掌握手部運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)規(guī)律，模擬手部運(yùn)動(dòng)提取相關(guān)參數(shù)，用于控制系統(tǒng)的進(jìn)一步建立成為研究關(guān)鍵點(diǎn)[5]。

本文在分析了人體手部結(jié)構(gòu)、自由度及運(yùn)動(dòng)范圍的解剖學(xué)理論基礎(chǔ)上，研究了手部機(jī)器人骨骼設(shè)計(jì)及基于SolidWords的等速運(yùn)動(dòng)仿真法，包括機(jī)構(gòu)參數(shù)的合理化選擇、關(guān)節(jié)的連接設(shè)計(jì)、手部骨骼模型的裝配及機(jī)構(gòu)的干涉檢查和參數(shù)優(yōu)化等。運(yùn)用Solidwords軟件后臺(tái)SolidWords Simulation的Motion分析仿真并導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)曲線，并驗(yàn)證了該運(yùn)動(dòng)仿真滿足擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

1 骨骼模型總體設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)手部骨骼的解剖分析，確定骨骼模型的機(jī)構(gòu)由掌底部的碎骨、第1、2、3、4、5掌骨、五個(gè)手指的近節(jié)骨、遠(yuǎn)節(jié)骨和食指、中指、無(wú)名指和小指的中節(jié)骨組成。手部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分為彎屈-伸展與內(nèi)收-外擴(kuò)兩種方式，即各指骨向掌骨靠近或遠(yuǎn)離為彎屈-伸展運(yùn)動(dòng)及各手指以中指為中心，向中指靠近或遠(yuǎn)離為內(nèi)收-外擴(kuò)運(yùn)動(dòng)。

取手指伸直時(shí)的順手指方向?yàn)閆軸正方向；垂直掌心指向掌心外方向?yàn)閅軸正方向；垂直Z軸和Y軸方向?yàn)閄軸，指向大拇指方向?yàn)檎?；其食指的自由度分布如圖1所示，拇指的自由度分布如圖2所示。

圖1 食指自由度分布圖

食指的掌指關(guān)節(jié)分別繞X軸和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，近端指關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)端指關(guān)節(jié)則僅繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)；拇指腕掌關(guān)節(jié)和掌指關(guān)節(jié)分別繞X軸和Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)。指節(jié)關(guān)節(jié)則僅是繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)。其繞X軸的轉(zhuǎn)角用θ表示，繞Y軸的旋轉(zhuǎn)用α表示。

圖2 拇指自由度分布圖

不同運(yùn)動(dòng)下各關(guān)節(jié)的角度范圍不同。拇指、食指、中指和無(wú)名指的MP（掌指關(guān)節(jié)）彎屈范圍是0°～90°；小拇指的MP彎屈范圍是0°～95°；五指的PIP（近端指關(guān)節(jié)）彎屈范圍是0°～110°；五指的DIP（遠(yuǎn)端指關(guān)節(jié)）彎屈范圍0°～90°；拇指的IP（指節(jié)關(guān)節(jié)）彎屈范圍是0°～90°；拇指后伸范圍是0°～5°；拇指腕掌關(guān)節(jié)的旋前運(yùn)動(dòng)范圍是0°～20°。拇指的外擴(kuò)范圍是0°～40°；五指掌指關(guān)節(jié)的收擴(kuò)范圍-15°～15°。

為完整地仿真人體手部的各運(yùn)動(dòng)軌跡，尤其是拇指的運(yùn)動(dòng)情況，運(yùn)用SolidWorks軟件仿真手部運(yùn)動(dòng)所有的21個(gè)自由度。自由度分布如表1所示。

表1 手部自由度分布

由于手部尺寸因年齡、性別、身高、體重、職業(yè)等因素差別較大，因此，取手部運(yùn)動(dòng)仿真?zhèn)€體為年齡22歲、身高175cm，體重70公斤的男性學(xué)生右手作為研究示例，骨骼尺寸如表2所示。其中，手指長(zhǎng)為L(zhǎng)，上部半徑為r，下端半徑為R。

表2 手指尺寸（mm）

模型設(shè)計(jì)以手部碎骨為始，采用由下而上的繪制設(shè)計(jì)方法，生成骨骼仿真模型圖，如圖3所示。

2 骨骼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 骨骼連接設(shè)計(jì)

骨骼連接設(shè)計(jì)針對(duì)具有不同自由度的關(guān)節(jié)分別采用鉸鏈連接和十字萬(wàn)向節(jié)連接方法。鉸鏈連接方法可使關(guān)節(jié)繞同一軸線作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)只有1個(gè)彎屈-伸展自由度的關(guān)節(jié)采用鉸鏈連接。設(shè)計(jì)時(shí)，在底部零件凸臺(tái)兩側(cè)設(shè)置直徑為2mm的對(duì)稱(chēng)圓臺(tái)，凸臺(tái)總長(zhǎng)設(shè)為4mm，如圖4所示。十字萬(wàn)向節(jié)連接法可實(shí)現(xiàn)彎屈-伸展和內(nèi)收-外擴(kuò)運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)具有彎屈-伸展和內(nèi)收-外擴(kuò)2個(gè)自由度的關(guān)節(jié)采用十字萬(wàn)向節(jié)連接方法，獲得兩個(gè)垂直向的旋轉(zhuǎn)自由度，如圖5所示。

圖4 鉸鏈連接圖

圖5 十字萬(wàn)向節(jié)連接圖

為使模型彎屈到最大位置時(shí)不發(fā)生干涉，在關(guān)節(jié)凸臺(tái)處切除16mm×（R-2）的矩形塊，經(jīng)倒圓角處理后如圖6所示。同時(shí)，為模型伸展至極限位置時(shí)不繼續(xù)后仰，在相應(yīng)關(guān)節(jié)中間位置設(shè)置厚2mm的凸臺(tái)，以使其限位，如圖7所示。

圖6 手指骨骼模型倒圓角圖

圖7 手指骨骼凸臺(tái)限位圖

骨骼碎骨與手指沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用鉸鏈連接，裝配時(shí)進(jìn)行面與面之間的鎖定配合，避免干涉。

2.2 骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于四指結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法完全相同，因此，模型以食指和拇指為主要研究對(duì)象，其他四指參照食指進(jìn)行設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)拇指和四指的自由度，分別采用挖通槽、設(shè)凸臺(tái)、打孔和倒圓角等方法。

拇指關(guān)節(jié)處的孔徑為3mm與同尺寸十字萬(wàn)向節(jié)相配合，在配合過(guò)程中采用過(guò)盈配合，以增強(qiáng)連接強(qiáng)度，在運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)不會(huì)出現(xiàn)零件脫落現(xiàn)象。同時(shí)，為避免發(fā)生干涉在掌骨的上下端分別挖去20×16mm、17×14mm的通槽，如圖8所示。

圖8 拇指掌骨設(shè)計(jì)圖

拇指近節(jié)骨的底端與十字萬(wàn)向節(jié)配合的孔徑為3mm，挖去17×16mm的矩形通槽，在近節(jié)骨的上部中心位置處留有長(zhǎng)2mm的凸臺(tái)，以作限位。在距離凸臺(tái)頂部5mm處設(shè)直徑為2mm的雙側(cè)拉伸4mm的凸臺(tái)，用來(lái)連接遠(yuǎn)端指關(guān)節(jié)。在距離小凸臺(tái)2mm處切16×（r-2）mm的矩形槽，而后倒R8圓角，如圖9所示[6]。

拇指遠(yuǎn)節(jié)骨的底端挖去長(zhǎng)2×6mm的矩形通槽，在底部切除4mm深的孔，用來(lái)與近節(jié)骨的小凸臺(tái)配合，并在底端倒R4圓角，如圖10所示。

圖9 拇指近節(jié)骨設(shè)計(jì)圖

圖10 拇指遠(yuǎn)節(jié)骨設(shè)計(jì)圖

食指掌骨上部切去15×16mm的矩形通槽，在距離頂部4mm的中心處，切直徑為3mm的通槽，與十字萬(wàn)向節(jié)連接。底端切2×11mm的通槽，在中心位置切除4mm深的孔，如圖11所示。

圖11 食指掌骨設(shè)計(jì)圖

食指近節(jié)骨的底端與十字萬(wàn)向節(jié)配合的孔徑為3mm，挖去17×16mm的矩形通槽，在近節(jié)骨上部中心位置處設(shè)2mm長(zhǎng)凸臺(tái)，以限位。在距離凸臺(tái)頂部5mm處設(shè)直徑為2mm雙側(cè)拉伸4mm的凸臺(tái)，用來(lái)連接中節(jié)骨的底部，以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)屈-伸運(yùn)動(dòng)。在距離小凸臺(tái)2mm處切16×（r-2）mm的矩形，倒R10圓角，如圖12所示。

圖12 食指近節(jié)骨設(shè)計(jì)圖

食指中節(jié)骨的底端倒R10圓角，切2×8mm通槽，在距離底端3mm的中心處切直徑為2mm雙側(cè)拉伸切除4mm的孔，與掌骨關(guān)節(jié)配合。在中節(jié)骨上部設(shè)2mm的凸臺(tái)，以限位。在距離頂部4mm中心處設(shè)直徑為2mm雙側(cè)拉伸為4mm的凸臺(tái)，倒R8的圓角，如圖13所示。

圖13 食指中節(jié)骨設(shè)計(jì)圖

圖14 食指遠(yuǎn)節(jié)骨設(shè)計(jì)圖

骨骼模型的整體裝配以食指為例，裝配掌骨與十字萬(wàn)向節(jié)時(shí)運(yùn)用SolidWorks軟件進(jìn)行兩次心軸對(duì)齊、距離設(shè)定約束，裝配成組件；將完成的組件與近節(jié)骨裝配時(shí)運(yùn)用與十字萬(wàn)向節(jié)裝配方法進(jìn)行組裝生成新組件；將新組件與中節(jié)骨裝配時(shí)，主要運(yùn)用中心軸對(duì)齊、面重合或邊界重合約束進(jìn)行裝配；在與遠(yuǎn)節(jié)骨進(jìn)行裝配時(shí)運(yùn)用軸對(duì)齊、面重合或邊界重合的約束方法，最后經(jīng)過(guò)軟件干涉檢查及參數(shù)合理化調(diào)整后完成整體裝配。手部骨骼仿真模型的三維實(shí)體圖如圖15所示。

圖15 手部骨骼仿真三維設(shè)計(jì)圖

3 運(yùn)動(dòng)仿真研究

3.1 等速法運(yùn)動(dòng)仿真

運(yùn)用CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）建立食指與拇指的線性模型，如圖16所示。

圖16 食指與拇指線性模型圖

根據(jù)手指的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，取手指的運(yùn)動(dòng)范圍為5.2～10.5rad/s，其運(yùn)動(dòng)與對(duì)應(yīng)參數(shù)如表3所示。

屈伸運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)手指完全伸直狀態(tài)為起始狀態(tài)，仿真15s后，食指掌指關(guān)節(jié)彎曲90°、近端指關(guān)節(jié)彎曲105°、遠(yuǎn)端指關(guān)節(jié)彎曲90°；拇指腕掌關(guān)節(jié)彎屈20°掌指關(guān)節(jié)彎屈90°、指間關(guān)節(jié)彎屈90°。旋前運(yùn)動(dòng)仿真起始狀態(tài)不變，仿真4秒后，拇指腕掌關(guān)節(jié)向前旋轉(zhuǎn)20°，掌指關(guān)節(jié)與指節(jié)關(guān)節(jié)的彎曲角度都為0°如圖17所示[7]。

表3 運(yùn)動(dòng)參數(shù)表

圖17 運(yùn)動(dòng)仿真圖

運(yùn)用Motion進(jìn)行動(dòng)態(tài)等速仿真，運(yùn)用“結(jié)果和圖解”功能導(dǎo)出自變量與因變量的運(yùn)動(dòng)曲線圖，食指掌指關(guān)節(jié)與拇指掌指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)相似。以食指為例，食指掌指關(guān)節(jié)選取6rad/s，仿真15s，角位移等速由0°變化至90°，角加速度為0，如圖18所示。

拇指屈-伸運(yùn)動(dòng)仿真算例生成后，用Motion仿真進(jìn)行運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真，然后再利用SolidWorks軟件的“結(jié)果和圖解”功能導(dǎo)出自變量與因變量的運(yùn)動(dòng)曲線圖，其中曲線圖的曲線類(lèi)型采用立方樣條曲線，并保存導(dǎo)出的圖解。

3.2 收擴(kuò)運(yùn)動(dòng)仿真

設(shè)收擴(kuò)運(yùn)動(dòng)中外擴(kuò)為正，內(nèi)收為負(fù)，食指、中指、無(wú)名指和小指的運(yùn)動(dòng)速度-時(shí)間參數(shù)如表4所示。

歐盟食品安全監(jiān)管局具有更雄厚的資金，職責(zé)非常明確，實(shí)際運(yùn)作獨(dú)立，能促使歐盟食品安全監(jiān)管體系的完善，也會(huì)增強(qiáng)歐盟成員國(guó)自身的國(guó)際地位。在該程度上，不僅能達(dá)到整體的標(biāo)準(zhǔn)化，也能為食品安全標(biāo)準(zhǔn)提供科學(xué)依據(jù)。不僅如此，歐洲食品監(jiān)管權(quán)力機(jī)構(gòu)的形成，也需要食品衛(wèi)生和科研機(jī)構(gòu)之間的合作，統(tǒng)一分析食品安全問(wèn)題，對(duì)有關(guān)的食品進(jìn)行全面分析，還需要加強(qiáng)食品安全監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一化，以維護(hù)歐盟各國(guó)食品銷(xiāo)售工作和生產(chǎn)運(yùn)輸工作的安全性。

圖18 食指屈伸運(yùn)動(dòng)仿真曲線

四指收擴(kuò)運(yùn)動(dòng)自由度極限位置仿真過(guò)程截圖如圖19所示[8]。

在食指、中指、無(wú)名指和小指的十字萬(wàn)向節(jié)處分別使用4個(gè)微型電動(dòng)機(jī)，其控制過(guò)程如圖20所示。食指電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制為0～10s和20～30s，小指電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制為10～30s，中指與無(wú)名指20～30s。

3.3 仿真運(yùn)動(dòng)可靠性驗(yàn)證

如圖16所示，角速度與角加速度軌跡均從0開(kāi)始并

圖19 收擴(kuò)運(yùn)動(dòng)圖

圖20 電機(jī)控制圖

表4 收擴(kuò)運(yùn)動(dòng)參數(shù)

【】【】以0結(jié)束，連續(xù)且無(wú)突變，故既無(wú)剛性沖擊又無(wú)柔性沖擊，符合擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律[9]。

角位移：

角速度：

角加速度：

上式中i=1、2、3為別表示腕掌關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)、指間關(guān)節(jié)；θi0分別表示腕掌關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)、指節(jié)關(guān)節(jié)繞圖2的X軸旋轉(zhuǎn)所轉(zhuǎn)過(guò)的角度；t0為整個(gè)運(yùn)動(dòng)用時(shí)；t為時(shí)間變量。

利用SolidWorks軟件導(dǎo)出食指、拇指仿真運(yùn)動(dòng)的角位移變化數(shù)據(jù)及曲線圖。以掌指關(guān)節(jié)為例，取輸出數(shù)據(jù)，帶入式(1)得出角度位移θ2，與輸出曲線進(jìn)行對(duì)比，如表5所示。得出仿真數(shù)據(jù)與曲線滿足擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律，仿真數(shù)據(jù)合理可靠。

4 結(jié)論

本文基于SolidWorks軟件進(jìn)行了手部骨骼機(jī)器人總體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、骨骼連接設(shè)計(jì)、骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；并運(yùn)用等速法運(yùn)動(dòng)仿真手指屈伸及收擴(kuò)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，通過(guò)Simulation插件還可運(yùn)用數(shù)據(jù)點(diǎn)法和跟蹤軌跡法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。最后，通過(guò)多種方法導(dǎo)出的數(shù)據(jù)表明該運(yùn)動(dòng)仿真滿足擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律。隨著康復(fù)機(jī)器人在康復(fù)醫(yī)療器械的興起，手部外骨骼機(jī)器人的研究為腦卒中等患者中后期的康復(fù)治療具有重大意義，本文基于SolidWords的手部機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真研究為手部外骨骼康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)的研究奠定基礎(chǔ)。

表5 掌指關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)驗(yàn)證表

[1]蔡兆云,肖湘江.外骨骼機(jī)器人技術(shù)研究綜述[J].尖端科技.2007.12.6-8.

[2]李會(huì)營(yíng),王惠源,等.外骨骼機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)研究[J].學(xué)術(shù)交流,2011.8.9-10.

[3]劉會(huì)勇,趙青.下肢外骨骼助行機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2013.8.146-151.

[4]柯顯信,陳玉亮,等.人體下肢外骨骼機(jī)器人的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].技術(shù)與應(yīng)用,2009.11.28-32.

[5]林軍,吳榕,等.外骨骼機(jī)器人的發(fā)展與面臨難題.科技創(chuàng)新論壇[J].2010.7.167-169.

[6]王東巖,李慶玲,等.外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人及其控制方法研究[D].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2007.9.1008-1013.

[7]張楠,易子凱.外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)仿真[J].設(shè)計(jì)與分析,2014.3.106-109.

[8]陳貴亮,陳愛(ài)林,等.下肢康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2013.12.10847-10851.

[9]李向軍.人體手臂助力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究[D].北京交通大學(xué),2008.6.