一種用于康復(fù)機(jī)器人手指的軟體致動(dòng)器設(shè)計(jì)

管瑞陽(yáng)，王 璐，魏 偉，謝能剛

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

手部康復(fù)機(jī)器人種類(lèi)繁多[1]，傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)的輔助設(shè)備往往體積較大且難以操作[2]，而軟體可穿戴的手部康復(fù)機(jī)器人可提供更安全的人機(jī)交互。軟體可穿戴手部康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于軟體致動(dòng)器，最常見(jiàn)的是利用流體壓力來(lái)伸展或收縮的McKibben致動(dòng)器[3]，其是一種線性致動(dòng)器，由內(nèi)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(xué)的Ogura等[4]研制了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且變形大的“線蟲(chóng)執(zhí)行器”，其利用正壓和負(fù)壓實(shí)現(xiàn)了像線蟲(chóng)一樣在兩個(gè)方向上的彎曲運(yùn)動(dòng)。2014年，哈佛大學(xué)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(dòng)軟體致動(dòng)器，充氣時(shí)，低伸縮約束材料所在的底側(cè)變形受到約束，而內(nèi)部氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的主體彈性材料部分自由膨脹伸長(zhǎng)，致使致動(dòng)器產(chǎn)生彎曲運(yùn)動(dòng)。隨后哈佛大學(xué)又研發(fā)出由不可伸展的纖維增強(qiáng)材料包裹彈性氣囊構(gòu)成的纖維增強(qiáng)型致動(dòng)器[7-8]，通過(guò)簡(jiǎn)單改變纖維的角度使制動(dòng)器實(shí)現(xiàn)伸展、彎曲等動(dòng)作。

國(guó)內(nèi)學(xué)者如Wang等[9]研發(fā)的氣動(dòng)柔性機(jī)械手的手指致動(dòng)器由主體彈性材料和一根高強(qiáng)度鐵絲構(gòu)成，充氣時(shí)致動(dòng)器一側(cè)受到鐵絲的約束而無(wú)法伸長(zhǎng)，從而引起彎曲；Sun等[10]提出了一種新型蜂巢氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)軟體機(jī)器人；趙云偉等[11]設(shè)計(jì)了一種由多個(gè)氣動(dòng)軸向膨脹型人工肌肉并聯(lián)組成的彎曲柔性關(guān)節(jié)致動(dòng)器，人工肌肉由彈簧和橡膠管組成；肖宇[12]通過(guò)將軟關(guān)節(jié)與剛性指骨相結(jié)合的方式，完成了柔性關(guān)節(jié)致動(dòng)器的設(shè)計(jì)。現(xiàn)有的軟體致動(dòng)器存在造價(jià)昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、柔順性不足等問(wèn)題，在手部康復(fù)機(jī)器人上的應(yīng)用十分有限。鑒于此，筆者設(shè)計(jì)一種基于空腔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的新型軟體致動(dòng)器，并針對(duì)設(shè)計(jì)的軟體致動(dòng)器進(jìn)行單指屈伸動(dòng)作的仿真和實(shí)驗(yàn)。

1 單指軟體致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)表1中正常男性成年人的手指測(cè)量數(shù)據(jù)[13]，以食指數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，致動(dòng)器的總長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為133 mm(40 mm+46 mm+22 mm+25 mm)，寬度為18 mm。外形采用半圓形設(shè)計(jì)，易與手指貼合。致動(dòng)器的外部構(gòu)型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1，2。

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

圖1 致動(dòng)器的外部構(gòu)型及其對(duì)應(yīng)的手指關(guān)節(jié)Fig.1 External structure of the actuator and its corresponding finger joint

致動(dòng)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(dǎo)致制作工藝復(fù)雜。致動(dòng)器內(nèi)部為密集分布的三角形和菱形的網(wǎng)絡(luò)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(dòng)器通入壓縮氣體，底層厚度相對(duì)主體壁厚偏大，變形受到約束，伸縮量很小；主體部分關(guān)節(jié)處兩個(gè)相對(duì)的充氣腔室發(fā)生大變形膨脹，室壁相互擠壓，使致動(dòng)器在關(guān)節(jié)處發(fā)生彎曲，而非關(guān)節(jié)處的充氣腔室間存在著非充氣腔室的間隔，會(huì)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(yàn)證單指軟體致動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，使用ABAQUS軟件對(duì)其進(jìn)行變形仿真分析。仿真分析時(shí)：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(shè)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(lèi)型；負(fù)載為作用在致動(dòng)器充氣腔室及其連通孔表面的均布?jí)毫Γ瑸?～0.08 MPa。表2為不同氣壓對(duì)應(yīng)各關(guān)節(jié)角度，圖3為單指軟體致動(dòng)器變形結(jié)果。從表2和圖3可看出：設(shè)計(jì)的軟體致動(dòng)器能夠達(dá)到預(yù)期要求，在關(guān)節(jié)處彎曲，實(shí)現(xiàn)屈伸動(dòng)作；在0～0.08 MPa范圍內(nèi)，手指各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角均隨著氣壓的增大而增大。

圖2 致動(dòng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Internal structure of the actuator

表2 不同氣壓對(duì)應(yīng)各關(guān)節(jié)角度，(°)Tab.2 Angles of joint correspond to different air pressures，(°)

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 致動(dòng)器的制造

設(shè)計(jì)的單指軟體致動(dòng)器外觀為半圓長(zhǎng)條形，內(nèi)部存在間隔的型腔，中路有空氣通道。致動(dòng)器在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，還需制作簡(jiǎn)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(shí)間有限，模具結(jié)構(gòu)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(shí)間。為此將致動(dòng)器的成型分成兩步完成，設(shè)計(jì)的模具如圖4，分為A、B、C三部分，模具采用3D打印技術(shù)進(jìn)行制造，不同成型階段使用不同的模具，最終成型的致動(dòng)器實(shí)物如圖5。

3.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)主要包括氣泵、控制系統(tǒng)、氣壓傳感器和軟體致動(dòng)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(diào)節(jié)真空泵轉(zhuǎn)速的調(diào)速驅(qū)動(dòng)板、決定氣路通斷及轉(zhuǎn)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(jī)；選用的RSCM17100KP101氣壓傳感模塊可測(cè)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(jī)，從而實(shí)現(xiàn)氣體壓強(qiáng)的反饋，形成閉環(huán)控制。軟體致動(dòng)器采用氣動(dòng)，大氣環(huán)境中的空氣通過(guò)微型真空泵，由PVC軟管經(jīng)過(guò)氣壓傳感器和二位三通閥輸送至軟體致動(dòng)器，隨著壓縮氣體的不斷充入，軟體致動(dòng)器發(fā)生膨脹和彎曲，軟體致動(dòng)器的伸展通過(guò)其排氣過(guò)程實(shí)現(xiàn)，恢復(fù)過(guò)程主要依靠自身材料的彈性。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為與軟體致動(dòng)器變形仿真的結(jié)果形成對(duì)比，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中控制軟體致動(dòng)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(dòng)器變形情況如圖7。圖8為各指節(jié)彎曲角度的實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果。由圖7，8可以看出：軟體致動(dòng)器輸入壓力后，能夠在關(guān)節(jié)處形成彎曲，且各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角均隨著氣壓的增大而增大，范圍在0～90°之間，該軟體致動(dòng)器能夠完成屈伸的動(dòng)作，符合人手指的屈伸運(yùn)動(dòng)，能夠滿足手指關(guān)節(jié)及韌帶拉伸的康復(fù)訓(xùn)練需求；各指節(jié)彎曲角度的實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果基本吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的軟體致動(dòng)器結(jié)構(gòu)的合理性。

圖3 單指軟體致動(dòng)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(dòng)器模具Fig.4 Mold of soft actuator with 3D printed technique

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)Fig.6 Experimental Platform System

圖7 軟體致動(dòng)器實(shí)驗(yàn)變形Fig.7 Experimental deformation of soft actuator

圖8 實(shí)驗(yàn)與仿真中各指節(jié)彎曲角度的對(duì)比Fig.8 Comparison of bending angles of knuckles under experiment and simulation

4 結(jié) 論

提出一種軟體致動(dòng)器的新結(jié)構(gòu)，主要用于手指康復(fù)訓(xùn)練的康復(fù)機(jī)器手，基于仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究得出如下主要結(jié)論：

1)該軟體致動(dòng)器外觀設(shè)計(jì)合理，符合手指的生物學(xué)特征；

2)該軟體致動(dòng)器內(nèi)部空腔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠完成屈伸動(dòng)作；

3)該軟體致動(dòng)器的各關(guān)節(jié)動(dòng)作幅度能夠通 過(guò)調(diào)節(jié)氣壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，各關(guān)節(jié)彎曲角度在0～90°之間，能夠滿足手指關(guān)節(jié)及韌帶拉伸的康復(fù)訓(xùn)練需求。