一種用于康復機器人手指的軟體致動器設計

管瑞陽，王 璐，魏 偉，謝能剛

(1.安徽工業(yè)大學a.機械工程學院，b.管理科學與工程學院，安徽馬鞍山243032；2.馬鞍山市安工大智能裝備技術研究院有限公司，安徽馬鞍山243032)

手部康復機器人種類繁多[1]，傳統(tǒng)剛性結構的輔助設備往往體積較大且難以操作[2]，而軟體可穿戴的手部康復機器人可提供更安全的人機交互。軟體可穿戴手部康復機器人的設計關鍵在于軟體致動器，最常見的是利用流體壓力來伸展或收縮的McKibben致動器[3]，其是一種線性致動器，由內部橡膠套筒和外部雙螺旋線編織的纖維約束層組成。2009年，日本岡山大學的Ogura等[4]研制了一種結構簡單且變形大的“線蟲執(zhí)行器”，其利用正壓和負壓實現(xiàn)了像線蟲一樣在兩個方向上的彎曲運動。2014年，哈佛大學的Panagiotis等[5-6]研發(fā)由高伸縮彈性材料和低伸縮約束材料黏合而成的氣動軟體致動器，充氣時，低伸縮約束材料所在的底側變形受到約束，而內部氣動網(wǎng)絡的主體彈性材料部分自由膨脹伸長，致使致動器產(chǎn)生彎曲運動。隨后哈佛大學又研發(fā)出由不可伸展的纖維增強材料包裹彈性氣囊構成的纖維增強型致動器[7-8]，通過簡單改變纖維的角度使制動器實現(xiàn)伸展、彎曲等動作。

國內學者如Wang等[9]研發(fā)的氣動柔性機械手的手指致動器由主體彈性材料和一根高強度鐵絲構成，充氣時致動器一側受到鐵絲的約束而無法伸長，從而引起彎曲；Sun等[10]提出了一種新型蜂巢氣動網(wǎng)絡軟體機器人；趙云偉等[11]設計了一種由多個氣動軸向膨脹型人工肌肉并聯(lián)組成的彎曲柔性關節(jié)致動器，人工肌肉由彈簧和橡膠管組成；肖宇[12]通過將軟關節(jié)與剛性指骨相結合的方式，完成了柔性關節(jié)致動器的設計?，F(xiàn)有的軟體致動器存在造價昂貴、結構復雜、柔順性不足等問題，在手部康復機器人上的應用十分有限。鑒于此，筆者設計一種基于空腔網(wǎng)絡結構的新型軟體致動器，并針對設計的軟體致動器進行單指屈伸動作的仿真和實驗。

1 單指軟體致動器的結構設計

根據(jù)表1中正常男性成年人的手指測量數(shù)據(jù)[13]，以食指數(shù)據(jù)為設計標準，致動器的總長度設計為133 mm(40 mm+46 mm+22 mm+25 mm)，寬度為18 mm。外形采用半圓形設計，易與手指貼合。致動器的外部構型和內部結構設計如圖1，2。

表1 正常男性成年人手指各關節(jié)長度及寬度，mmTab.1 Length and width of finger joints of normal male adult，mm

圖1 致動器的外部構型及其對應的手指關節(jié)Fig.1 External structure of the actuator and its corresponding finger joint

致動器由彈性材料硅膠制成，在滿足彎曲功能情況下，避免采用多種材料導致制作工藝復雜。致動器內部為密集分布的三角形和菱形的網(wǎng)絡腔室，其中菱形腔室為充氣腔室，三角形腔室為非充氣腔室，兩種形狀的腔室間隔分布，且充氣腔室之間有通道連接。向致動器通入壓縮氣體，底層厚度相對主體壁厚偏大，變形受到約束，伸縮量很小；主體部分關節(jié)處兩個相對的充氣腔室發(fā)生大變形膨脹，室壁相互擠壓，使致動器在關節(jié)處發(fā)生彎曲，而非關節(jié)處的充氣腔室間存在著非充氣腔室的間隔，會吸收充氣腔室的膨脹，使其幾乎不發(fā)生彎曲。

2 仿真分析

為驗證單指軟體致動器結構設計的合理性，使用ABAQUS軟件對其進行變形仿真分析。仿真分析時：材料定義為Ecoflex 30硅橡膠，其Yeoh能量密度模型[14]系數(shù)C10＝0.11，C20＝0.02，假設各向同性；網(wǎng)格劃分選擇四面體網(wǎng)格，自由劃分，雜交單元類型；負載為作用在致動器充氣腔室及其連通孔表面的均布壓力，為0～0.08 MPa。表2為不同氣壓對應各關節(jié)角度，圖3為單指軟體致動器變形結果。從表2和圖3可看出：設計的軟體致動器能夠達到預期要求，在關節(jié)處彎曲，實現(xiàn)屈伸動作；在0～0.08 MPa范圍內，手指各關節(jié)的轉角均隨著氣壓的增大而增大。

圖2 致動器的內部結構Fig.2 Internal structure of the actuator

表2 不同氣壓對應各關節(jié)角度，(°)Tab.2 Angles of joint correspond to different air pressures，(°)

3 實驗與結果分析

3.1 致動器的制造

設計的單指軟體致動器外觀為半圓長條形，內部存在間隔的型腔，中路有空氣通道。致動器在滿足設計要求的前提下，還需制作簡單，因此所選的材料為具超高彈性且安全環(huán)保的液體硅膠。由于硅膠的高黏度特性和凝固時間有限，模具結構需滿足一次性浸滿的要求，從而減少液體硅膠充盈模具型腔的時間。為此將致動器的成型分成兩步完成，設計的模具如圖4，分為A、B、C三部分，模具采用3D打印技術進行制造，不同成型階段使用不同的模具，最終成型的致動器實物如圖5。

3.2 實驗平臺的搭建

實驗平臺系統(tǒng)主要包括氣泵、控制系統(tǒng)、氣壓傳感器和軟體致動器，如圖6。氣泵選擇的是Kamoer公司制造的一種微型真空泵（KVP04）；控制系統(tǒng)包括調節(jié)真空泵轉速的調速驅動板、決定氣路通斷及轉換氣路方向的二位三通電磁閥、控制電磁閥工作狀態(tài)的繼電器及arduino單片機；選用的RSCM17100KP101氣壓傳感模塊可測試0～101 kPa的氣壓，并將氣壓值以模擬電壓的方式傳遞給arduino單片機，從而實現(xiàn)氣體壓強的反饋，形成閉環(huán)控制。軟體致動器采用氣動，大氣環(huán)境中的空氣通過微型真空泵，由PVC軟管經(jīng)過氣壓傳感器和二位三通閥輸送至軟體致動器，隨著壓縮氣體的不斷充入，軟體致動器發(fā)生膨脹和彎曲，軟體致動器的伸展通過其排氣過程實現(xiàn)，恢復過程主要依靠自身材料的彈性。

3.3 實驗結果與分析

為與軟體致動器變形仿真的結果形成對比，實驗過程中控制軟體致動器輸入的壓力依次為0.02，0.04，0.06，0.08 MPa，得到的軟體致動器變形情況如圖7。圖8為各指節(jié)彎曲角度的實驗與仿真結果。由圖7，8可以看出：軟體致動器輸入壓力后，能夠在關節(jié)處形成彎曲，且各關節(jié)的轉角均隨著氣壓的增大而增大，范圍在0～90°之間，該軟體致動器能夠完成屈伸的動作，符合人手指的屈伸運動，能夠滿足手指關節(jié)及韌帶拉伸的康復訓練需求；各指節(jié)彎曲角度的實驗與仿真結果基本吻合，進一步驗證了設計的軟體致動器結構的合理性。

圖3 單指軟體致動器的變形仿真Fig.3 Deformation simulation of single finger soft actuator

圖4 3D打印的軟體致動器模具Fig.4 Mold of soft actuator with 3D printed technique

圖6 實驗平臺系統(tǒng)Fig.6 Experimental Platform System

圖7 軟體致動器實驗變形Fig.7 Experimental deformation of soft actuator

圖8 實驗與仿真中各指節(jié)彎曲角度的對比Fig.8 Comparison of bending angles of knuckles under experiment and simulation

4 結 論

提出一種軟體致動器的新結構，主要用于手指康復訓練的康復機器手，基于仿真分析和實驗研究得出如下主要結論：

1)該軟體致動器外觀設計合理，符合手指的生物學特征；

2)該軟體致動器內部空腔網(wǎng)絡結構設計合理，能夠完成屈伸動作；

3)該軟體致動器的各關節(jié)動作幅度能夠通 過調節(jié)氣壓進行調節(jié)，各關節(jié)彎曲角度在0～90°之間，能夠滿足手指關節(jié)及韌帶拉伸的康復訓練需求。