仿生機(jī)械靈巧手的手指設(shè)計(jì)

馬翔宇，楊武成，李阿為

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

仿生機(jī)械靈巧手的手指設(shè)計(jì)

馬翔宇a，b，楊武成a，b，李阿為a

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

針對(duì)醫(yī)療假肢手指難以解決殘疾人日常生活問(wèn)題的情況，結(jié)合人體手指運(yùn)動(dòng)的機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種仿生機(jī)械靈巧手。該機(jī)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(dòng)連接于手掌體；四指結(jié)構(gòu)形式一致，且由2個(gè)手指段構(gòu)成，二者之間采用單自由度轉(zhuǎn)動(dòng)連接。基于指數(shù)積公式對(duì)所設(shè)計(jì)的靈巧手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，求解相關(guān)數(shù)學(xué)模型；采用UG軟件對(duì)靈巧手進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的靈巧機(jī)械手能滿足殘疾人簡(jiǎn)單握持及敲打等日常需要，對(duì)康復(fù)機(jī)械設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

靈巧手；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；仿真分析

近年來(lái)，因?yàn)榻煌ㄊ录⒓膊∫约肮ぷ鱾〉仍颍瑲埣踩藬?shù)目增加。據(jù)相關(guān)資料數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)約有6 000萬(wàn)殘疾人，其中肢體有殘疾的人約為900萬(wàn)，他們無(wú)法獨(dú)立生活和完成勞動(dòng)任務(wù)，而安裝假肢可使他們重新恢復(fù)運(yùn)動(dòng)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(wú)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(guó)從20世紀(jì)50年代初期開(kāi)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(gè)手指有相同的結(jié)構(gòu)，每一根手指有4個(gè)關(guān)節(jié)、3個(gè)自由度，其中大拇指有1個(gè)相對(duì)手掌來(lái)說(shuō)展開(kāi)和握持的自由度，共13個(gè)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(dòng)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(gè)手掌和5根手指組成，每一根手指有3個(gè)自由度和4個(gè)關(guān)節(jié)，共15個(gè)自由度，末端的雙關(guān)節(jié)通過(guò)機(jī)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(qiáng)。德國(guó)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(shí)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(dòng)假手[5]，該假手由5個(gè)手指及手腕構(gòu)成。每一根手指有3個(gè)關(guān)節(jié)，采用腱驅(qū)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)指間關(guān)節(jié)，采用電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)基關(guān)節(jié)。2007年，英國(guó)[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(wèn)題，諸如驅(qū)動(dòng)方式不靈活、不可靠，自由度低，運(yùn)動(dòng)靈活性較差等，且大部分設(shè)計(jì)的機(jī)械手采用欠驅(qū)動(dòng)方式，這種驅(qū)動(dòng)方式導(dǎo)致可靠性不高，而且難以控制單關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，因此本文設(shè)計(jì)了一種擁有五指的全驅(qū)動(dòng)多自由度機(jī)械手，驅(qū)動(dòng)可靠性高，運(yùn)動(dòng)靈活，可以控制單指或者單關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，不僅滿足基本的握持和拿捏功能，也能實(shí)現(xiàn)敲擊等更多功能，將為殘疾者帶來(lái)福音。

1 機(jī)械靈巧手手指設(shè)計(jì)

機(jī)械手的主要組成部分包括手部零件、運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)。手部零件用來(lái)實(shí)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(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)可使手部做出各種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、復(fù)雜運(yùn)動(dòng)或簡(jiǎn)單移動(dòng)來(lái)完成要求的動(dòng)作，從而改變被抓持物件的空間位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。機(jī)械手的自由度體現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)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(gè)自由度。自由度的體現(xiàn)在機(jī)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(shí)際應(yīng)用越廣，但這會(huì)導(dǎo)致機(jī)械手的組成更加復(fù)雜。

機(jī)械手的4個(gè)手指類似于人的手指分布，大拇指也為2個(gè)指節(jié)，在抓取物品時(shí)起輔助支撐作用，能防止其他3個(gè)手指在抓取物體時(shí)由于受力不均向一邊滑動(dòng)，三關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)手指機(jī)構(gòu)的手指基本關(guān)節(jié)可以依據(jù)設(shè)計(jì)理念和實(shí)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(shí)際形狀自行調(diào)節(jié)抓持動(dòng)作。在彈簧的控制和差動(dòng)齒輪的作用下，每一個(gè)手指關(guān)節(jié)根據(jù)被抓取物品的外形進(jìn)行閉合，實(shí)現(xiàn)被抓物品的可靠抓取[7]。

本文設(shè)計(jì)的醫(yī)療機(jī)械假手的尺寸參考了人類手指尺寸的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了小幅修改，或依據(jù)設(shè)計(jì)所要滿足的功能需求及適用場(chǎng)合進(jìn)行調(diào)整。大數(shù)據(jù)的來(lái)源為某中學(xué)青少年學(xué)生手指尺寸統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。表1中的數(shù)據(jù)是本文設(shè)計(jì)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(jì)，除大拇指外，其余 4 根手指完全相同，均由 2 個(gè)模塊組成：近手掌部分為第1模塊；遠(yuǎn)離手掌的部分為第2模塊。進(jìn)行手掌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮，首先需要考慮手指和手掌相配合的安裝問(wèn)題；其次，需要考慮支撐和定位問(wèn)題，手掌一般有 2 個(gè)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(jìn)行連接，手掌部分的設(shè)計(jì)是一個(gè)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(yuǎn)手模塊的重要部分，也是傳遞和帶動(dòng)第二指節(jié)運(yùn)動(dòng)的重要部分，其主要的運(yùn)動(dòng)為內(nèi)屈和外展。手指遠(yuǎn)手掌的一端為第二模塊，由第一模塊的連接片實(shí)現(xiàn)相連，外形主體也是由一個(gè)圓柱體構(gòu)成，頂部為半球體，下端安裝2個(gè)連接片，三維設(shè)計(jì)圖和二維設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖1、2所示。

圖1 靈巧手三維設(shè)計(jì)圖

圖2 靈巧手二維設(shè)計(jì)圖

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)主要是利用幾何的方法來(lái)分析機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的主要任務(wù)是描述機(jī)器人關(guān)節(jié)和組成機(jī)器人的剛體之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，機(jī)器人的位置與速度是求解機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)，它主要討論機(jī)器人輸入與輸出構(gòu)件之間的位置與速度關(guān)系，是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)研究的最基本任務(wù)。描述機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)單，故本文僅對(duì)4指關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程進(jìn)行求解。

(1)

利用D-H參數(shù)法對(duì)單指進(jìn)行正向運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)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(huì)對(duì)大豆油脂產(chǎn)生影響。將大豆完全粉碎后，分別過(guò)20、40、60、80和100目篩，最后經(jīng)過(guò)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?fù)u床中則要再培養(yǎng)菌種19h，最后測(cè)量提油量。

(2)

進(jìn)而根據(jù)式(2)進(jìn)行正向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解

(3)

由式(3)代入可得正向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解表達(dá)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(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真，做如下的基本假設(shè)：

1) 機(jī)械手是一個(gè)剛性物體，也就是說(shuō)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(jī)作為一個(gè)連桿(除去電機(jī)上的齒輪)，并選擇固定。

2) 運(yùn)動(dòng)副的選擇及定義1

將手掌內(nèi)嵌電機(jī)的第1個(gè)齒輪定義為第1個(gè)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(jī)定義為第2旋轉(zhuǎn)副；

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

3) 運(yùn)動(dòng)副的選擇及定義2

將手掌內(nèi)嵌電機(jī)的第1個(gè)齒輪定義為第1個(gè)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(jī)定義為第2旋轉(zhuǎn)副；

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

3.2 握持功能仿真

仿真結(jié)果見(jiàn)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(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)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(gè)角度。仿真結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 靈巧手敲打功能仿真

4 結(jié)束語(yǔ)

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(diǎn)及運(yùn)動(dòng)機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種仿生機(jī)械靈巧手，靈巧手手指由大拇指和4個(gè)手指構(gòu)成。對(duì)所設(shè)計(jì)的靈巧手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)建模，并對(duì)靈巧手的握持功能及敲打功能進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的機(jī)械靈巧手可實(shí)現(xiàn)設(shè)定的功能，能為康復(fù)機(jī)械的設(shè)計(jì)提供一些思路和經(jīng)驗(yàn)。本文的不足之處在于僅對(duì)仿生手指的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jī)器人的設(shè)計(jì)積累經(jīng)驗(yàn)。

[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(jī)構(gòu)的研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2009,30(2):171-177.

[3] 王利波,張志軍,王領(lǐng).氣動(dòng)類人仿生機(jī)械手設(shè)計(jì)[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào),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(jìn)展[J].國(guó)防科技,2007(9):6-13.

[8] 張永德,劉廷榮.機(jī)器人多指靈巧手的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)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(jì)劃資助項(xiàng)目(17JK0396)；西安航空學(xué)院校級(jí)科研基金項(xiàng)目(2017KY1113)

馬翔宇(1990—)，男，河南商丘人，碩士，助教，主要從事機(jī)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(jī)械制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真及非標(biāo)設(shè)計(jì)研究。

馬翔宇，楊武成，李阿為.仿生機(jī)械靈巧手的手指設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(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