基于氣動肌肉驅(qū)動的仿生手設(shè)計(jì)與研究*

周彬?yàn)I，鄒任玲

(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

1 引 言

隨著老齡化社會的出現(xiàn)及各種傷病、交通事故和自然災(zāi)害的發(fā)生，截肢人群的比例逐年上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國大陸約有400萬前臂截肢者[1]，因此，研發(fā)此類康復(fù)設(shè)備具有極高的社會意義以及發(fā)展前景。

進(jìn)入21世紀(jì)后，國內(nèi)外對假肢手的研究進(jìn)入了新的階段，假肢的發(fā)展方向轉(zhuǎn)為智能化、人機(jī)一體化和仿生控制[2]。英國RSL Steeper在2010年推出的假肢手Bebionic Hand，采用了F1賽車的技術(shù)，用輕量級材料打造精確的骨骼結(jié)構(gòu)[3]。美國LUKE 假肢在2014年通過FDA認(rèn)證，2016年進(jìn)入臨床應(yīng)用，已由美國國家儀器公司進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)[4]。電機(jī)驅(qū)動的仿生手種類較多，如DLR手[5]、UB Hand[6]、ACT手[7]以及DLR/HIT仿生手[8]等。電機(jī)驅(qū)動是一種剛性驅(qū)動，在康復(fù)器械的應(yīng)用中稍有不慎可造成二次傷害[9]。而氣動元件有輕量化和高安全性的優(yōu)勢，近年來廣泛用于康復(fù)醫(yī)療設(shè)備中[10]，受到很多學(xué)者的青睞，許多研究人員開始使用氣動型執(zhí)行器來代替直流電機(jī)[11]。

目前，仿生手有采用內(nèi)部繩索牽引的方法，如黃朝陽[12]設(shè)計(jì)的一種仿生手，以及周立軍等[13]設(shè)計(jì)的繩索式假肢手。本研究根據(jù)氣動人工肌肉的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了一種氣動人工肌肉驅(qū)動的仿生手，手指內(nèi)部采用連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。與上述方式相比，連桿傳動手指運(yùn)動更加穩(wěn)定，力傳遞性較好。同時仿生手的外觀尺寸與成年人手部尺寸相近。

2 總體的機(jī)械結(jié)構(gòu)

仿生手結(jié)構(gòu)包括拇指機(jī)構(gòu)、四指機(jī)構(gòu)和手掌機(jī)構(gòu)，見圖1。四指機(jī)構(gòu)的手指機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動原理一樣，每個手指包括兩個指關(guān)節(jié)，每個指關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍為0～90°，有兩個活動的自由度；拇指機(jī)構(gòu)有三個活動自由度，除了兩個指關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動外，還包含一個往掌心運(yùn)動的自由度。

注：1.手掌機(jī)構(gòu)；2.四指機(jī)構(gòu)；3.拇指機(jī)構(gòu)。

圖1仿生手總體機(jī)械結(jié)構(gòu)

Fig.1Overall mechanical structure of bionic hand

仿生手的尺寸根據(jù)GB/T 16252-1996成年人手部號型設(shè)計(jì)，選擇手長為180 mm，手寬為80 mm，男性，根據(jù)手部回歸方程計(jì)算每個手指的具體尺寸，手部各部分具體尺寸見表1，整個仿生手的尺寸與成年男性手部的尺寸近似1:1的比例。

表1 仿生手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸

2.1 四指機(jī)構(gòu)

四指機(jī)構(gòu)指食指、中指、無名指和小指組成的部分。食指結(jié)構(gòu)包括食指前段、食指后段、掌指連接件以及連桿驅(qū)動結(jié)構(gòu)。為了簡化設(shè)計(jì)，食指的遠(yuǎn)端指節(jié)和中指節(jié)兩段固定在一起，與水平面有一個15°的夾角。食指后段分為里外兩半，其中一半包含了內(nèi)連桿、轉(zhuǎn)換塊和前段驅(qū)動桿，而另一半連接了后段驅(qū)動桿，而掌指連接件主要用于連接食指和手掌。食指機(jī)構(gòu)的運(yùn)動主要是通過連桿來進(jìn)行的，前段驅(qū)動桿和后段驅(qū)動桿分別連接對應(yīng)的滑塊，通過滑塊的移動帶動手指關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，見圖2。

注：1.內(nèi)連桿；2.轉(zhuǎn)換塊；3.前段驅(qū)動桿；4后段驅(qū)動桿；5.掌指連接件；6.食指后段；7.食指前段。

圖2食指結(jié)構(gòu)圖

Fig.2The index finger structure

2.2 拇指機(jī)構(gòu)

拇指機(jī)構(gòu)是仿生手設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，主要因?yàn)槟粗傅幕顒臃秶鷱V。拇指機(jī)構(gòu)共有三個自由度。拇指前滑塊的前后運(yùn)動帶動拇指前段的轉(zhuǎn)動，而拇指后滑塊的前后運(yùn)動帶動拇指后段的轉(zhuǎn)動。拇指前轉(zhuǎn)動件嵌在拇指前滑塊內(nèi)，可以相對轉(zhuǎn)動，且與掌指連接件三者同軸，這使得拇指左右轉(zhuǎn)動的同時，拇指前段與后段可以在空間內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)動，見圖3。拇指機(jī)構(gòu)的左右轉(zhuǎn)動是由一個連桿帶動，可以簡化為一個曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。

注：1.拇指前滑塊；2.拇指前轉(zhuǎn)動件；3.拇指前驅(qū)動桿；4.掌指連接件；5.拇指后段；6.拇指前段；7.拇指后驅(qū)動桿；8.拇指后轉(zhuǎn)動件；9.拇指后滑塊。

圖3拇指機(jī)構(gòu)圖

Fig.3The thumb institutions

2.3 手掌機(jī)構(gòu)

手掌機(jī)構(gòu)主要作用是支撐拇指機(jī)構(gòu)和四指機(jī)構(gòu)，同時拇指機(jī)構(gòu)和四指機(jī)構(gòu)的運(yùn)動滑塊安裝在手掌機(jī)構(gòu)的內(nèi)部，滑塊與對應(yīng)的驅(qū)動連桿相連，通過滑塊沿滑軌的往復(fù)移動從而帶動手指的轉(zhuǎn)動。所有的驅(qū)動桿的運(yùn)動范圍與滑軌均在手掌構(gòu)件的內(nèi)部，這使得仿生手的結(jié)構(gòu)較小。

3 運(yùn)動學(xué)仿真

為了驗(yàn)證仿生手各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動效果以及仿生手設(shè)計(jì)的合理性，本研究利用Solidworks2019建模軟件中Motion模塊進(jìn)行仿真分析，根據(jù)所得到的結(jié)果驗(yàn)證仿生手運(yùn)動是否平穩(wěn)，能否完成指定動作。

3.1 食指運(yùn)動學(xué)仿真

3.1.1指骨間關(guān)節(jié)屈伸動作 仿生手食指結(jié)構(gòu)的指骨間關(guān)節(jié)與掌指關(guān)節(jié)分別由兩個不同的運(yùn)動滑塊進(jìn)行控制，因此，可以分別對它們進(jìn)行運(yùn)動仿真分析。對指骨間關(guān)節(jié)的驅(qū)動滑塊添加一個Y軸方向的線性馬達(dá)，使滑塊可以在Y軸方向進(jìn)行直線運(yùn)動，設(shè)置馬達(dá)的運(yùn)動為振蕩，頻率為0.2 Hz，運(yùn)動的時間為5 s，仿真運(yùn)動過程見圖4。Motion模塊計(jì)算完成后，將所得數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab中，生成指骨間關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動的角位移曲線，見圖5。同時生成驅(qū)動滑塊的線性位移變化曲線，見圖6。從圖中可以看出，兩條曲線較為穩(wěn)定，沒有發(fā)生較大的震動或者突變，因此，可以說明指骨間關(guān)節(jié)在運(yùn)動過程中較為穩(wěn)定，該結(jié)果驗(yàn)證了仿生手食指指骨間關(guān)節(jié)在驅(qū)動滑塊作用下屈伸運(yùn)動過程中的平穩(wěn)。

圖4 指骨間關(guān)節(jié)運(yùn)動

圖5 食指指骨間關(guān)節(jié)角位移曲線圖

圖6 食指指骨間關(guān)節(jié)驅(qū)動滑塊線性位移曲線圖

3.1.2掌指關(guān)節(jié)屈伸動作 為了驗(yàn)證食指掌指關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展運(yùn)動，對掌指關(guān)節(jié)的驅(qū)動滑塊添加一個Y軸方向的線性馬達(dá)，使滑塊可以在Y軸進(jìn)行直線運(yùn)動，距離設(shè)置為10 mm，其它參數(shù)與食指指骨間關(guān)節(jié)運(yùn)動仿真參數(shù)一致，仿真運(yùn)動見圖7。將計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab中，生成食指掌指關(guān)節(jié)角位移變化曲線，見圖8。由圖可知，掌指關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍在0～90°，曲線較為平滑且連續(xù)，可以說明掌指關(guān)節(jié)處運(yùn)動較為平穩(wěn)。同時，生成驅(qū)動滑塊線性位移曲線變化圖，見圖9。由圖可知，驅(qū)動滑塊的線性位移變化曲線較為圓滑且沒有發(fā)生較大振動，可以說明驅(qū)動滑塊在規(guī)定范圍內(nèi)有較好的驅(qū)動效果。

圖7 掌指關(guān)節(jié)運(yùn)動

圖8 食指掌指關(guān)節(jié)角位移曲線圖

3.2 拇指運(yùn)動學(xué)仿真

仿生手的拇指有三個自由度，在Y-Z平面上拇指的屈伸運(yùn)動與食指結(jié)構(gòu)類似，因此，拇指指骨間關(guān)節(jié)和掌指關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動分析不再贅述。與前面不同，拇指的左右擺動動作在X-Z平面可以實(shí)現(xiàn)拇指內(nèi)外運(yùn)動。對拇指擺動的驅(qū)動滑塊添加一個X軸方向的線性馬達(dá)，使滑塊可以在X軸進(jìn)行直線運(yùn)動，其它參數(shù)與3.1節(jié)相同，距離設(shè)置為10 mm，可以得到仿真的過程見圖10，該圖說明了拇指結(jié)構(gòu)在X-Z平面的運(yùn)動情況。同時將所得的仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab中，可以得到拇指在此運(yùn)動過程中的角位移曲線以及驅(qū)動滑塊線性位移曲線，見圖11、圖12?？梢钥闯?，拇指在X-Z平面上運(yùn)動較為穩(wěn)定。

圖9 食指掌指關(guān)節(jié)驅(qū)動滑塊線性位移曲線圖

Fig.9Linear displacement curve of palmarangeal and phalangeal drive slider

圖10 拇指內(nèi)外運(yùn)動

圖11 拇指內(nèi)外運(yùn)動角位移曲線圖

Fig.11Curve of angular displacement of thumb internal and external motion

3.3 聯(lián)合運(yùn)動運(yùn)動學(xué)仿真

根據(jù)3.1節(jié)的方法，聯(lián)合運(yùn)動旨在完成一個“OK”手勢動作的仿真，驗(yàn)證仿生手協(xié)同運(yùn)動。圖13是仿生手進(jìn)行“OK”動作的仿真過程，可以看出仿生手的運(yùn)動較為流暢。將生成的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matlab中，可以得到關(guān)節(jié)角位移曲線以及驅(qū)動滑塊線性位移曲線，見圖14、圖15。由圖可知，手指聯(lián)合完成“OK”動作較為順暢，運(yùn)動平穩(wěn)，因此，仿真驗(yàn)證了仿生手聯(lián)合運(yùn)動的可行性以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理性。

圖12 拇指內(nèi)外驅(qū)動滑塊線性位移圖

圖13 聯(lián)合運(yùn)動仿真

圖14 聯(lián)合運(yùn)動角位移曲線圖

圖15 聯(lián)合運(yùn)動驅(qū)動滑塊線性位移曲線圖

Fig.15Linear displacement curve of combined motion drive slider

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)仿生手的功能，通過氣動肌肉的收縮來帶動驅(qū)動滑塊的運(yùn)動，復(fù)位運(yùn)動通過彈簧的彈性力對滑塊進(jìn)行復(fù)位，氣動肌肉安裝在仿生手的外部，與驅(qū)動滑塊兩者通過鋼絲繩連接。仿生手下位機(jī)整體控制線路見圖16，主要分為控制線路和氣動回路。本研究采用數(shù)字PID位置型控制算法[14]來實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)運(yùn)動的閉環(huán)控制，PID控制原理見圖17。本研究使用的是Arduino單片機(jī)，可調(diào)用官方PID庫來編寫PID控制程序，創(chuàng)建一個PID控制器來設(shè)定Kp，Ki，Kd系數(shù)值。其工作原理是通過傳感器得到仿生手的實(shí)際運(yùn)動角度y(t)，利用理論輸出角度值θ(t)與實(shí)際輸出角度y(t)進(jìn)行比較得到偏差e(t)作用于PID控制器，通過對誤差e(t)的加權(quán)計(jì)算，得到一個新的輸出值u(t)作用于被控對象，使得誤差e(t)減小變化，從而實(shí)現(xiàn)仿生手的閉環(huán)控制。

圖16 下位機(jī)整體控制線路

圖17 PID控制原理

4.1 硬件平臺設(shè)計(jì)

氣動肌肉需要一個氣源來提供動力，電磁比例閥可以根據(jù)輸入信號的大小精確地調(diào)整對氣動肌肉的輸出氣壓，本研究采用FESTO公司VEEP-3-11-1/8-E1。主控制器采用單片機(jī)MEGA2560，用于接受和發(fā)送控制信號，同時外接藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)了與Android設(shè)備之間的通訊，可以實(shí)現(xiàn)無線控制。由于MEGA2560只能產(chǎn)生0～5 V的電壓信號，不能滿足FESTO電磁比例閥的最大需求，因此需要MEGA2560外接一個運(yùn)算放大器OP07MODULE來對信號進(jìn)行放大。同時OP07對信號處理后，傳輸給FESTO電磁比例閥，電磁比例閥輸出相應(yīng)的氣壓值實(shí)現(xiàn)對氣動肌肉的控制。

4.2 軟件平臺設(shè)計(jì)

軟件平臺的設(shè)計(jì)主要包括上位機(jī)用戶界面程序以及下位機(jī)控制程序。系統(tǒng)交互方式采用無線和有線兩種模式。下位機(jī)的控制程序通過Arduino IDE上傳到單片機(jī)MEGA2560中。無線連接依靠單片機(jī)外接藍(lán)牙HC-05模塊實(shí)現(xiàn)，移動端的安卓平板或者安卓手機(jī)自帶藍(lán)牙功能，移動端上位機(jī)控制軟件基于Android平臺，將預(yù)先設(shè)計(jì)的指令應(yīng)用于Android界面程序當(dāng)中，當(dāng)上位機(jī)對下位機(jī)發(fā)出相應(yīng)的控制指令時，下位機(jī)硬件平臺即可做出相應(yīng)的響應(yīng)，從而完成仿生手指定的動作。而對于PC端而言，下位機(jī)的控制程序不變，只需要改變上位機(jī)控制軟件的設(shè)計(jì)方法，使用USB串口通信，實(shí)現(xiàn)PC端與下位機(jī)硬件平臺的交互。采用Visual studio2017進(jìn)行上位機(jī)界面程序的設(shè)計(jì)，整個控制界面包括DA控制界面和AD控制界面，DA控制界面負(fù)責(zé)對電磁比例閥控制，控制氣動肌肉內(nèi)部壓力值的大小，而AD控制界面只要實(shí)現(xiàn)對角度和壓力數(shù)據(jù)的采集工作。

5 結(jié)論與討論

針對目前市場上假肢手自由度較少，難以滿足個性化的需要，本研究設(shè)計(jì)了一種手指內(nèi)部連桿式驅(qū)動的仿生手，通過軟件仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。后續(xù)的研究將考慮控制精度以及與生肌電結(jié)合，使得仿生手的應(yīng)用更加成熟。