基于氣動肌肉驅動的仿生手設計與研究*

2020-04-15 03:14:54周彬濱鄒任玲

生物醫學工程研究 2020年1期

周彬濱，鄒任玲

(上海理工大學醫療器械與食品學院，上海 200093)

1 引言

隨著老齡化社會的出現及各種傷病、交通事故和自然災害的發生，截肢人群的比例逐年上升。據統計，我國大陸約有400萬前臂截肢者[1]，因此，研發此類康復設備具有極高的社會意義以及發展前景。

進入21世紀后，國內外對假肢手的研究進入了新的階段，假肢的發展方向轉為智能化、人機一體化和仿生控制[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，用輕量級材料打造精確的骨骼結構[3]。美國LUKE 假肢在2014年通過FDA認證，2016年進入臨床應用，已由美國國家儀器公司進行商業化生產[4]。電機驅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。電機驅動是一種剛性驅動，在康復器械的應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勢，近年來廣泛用于康復醫療設備中[10]，受到很多學者的青睞，許多研究人員開始使用氣動型執行器來代替直流電機[11]。

目前，仿生手有采用內部繩索牽引的方法，如黃朝陽[12]設計的一種仿生手，以及周立軍等[13]設計的繩索式假肢手。本研究根據氣動人工肌肉的優勢，設計了一種氣動人工肌肉驅動的仿生手，手指內部采用連桿機構設計。與上述方式相比，連桿傳動手指運動更加穩定，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 總體的機械結構

仿生手結構包括拇指機構、四指機構和手掌機構，見圖1。四指機構的手指機械結構和運動原理一樣，每個手指包括兩個指關節，每個指關節的運動范圍為0～90°，有兩個活動的自由度；拇指機構有三個活動自由度，除了兩個指關節的轉動外，還包含一個往掌心運動的自由度。

注：1.手掌機構；2.四指機構；3.拇指機構。

圖1仿生手總體機械結構

Fig.1Overall mechanical structure of bionic hand

仿生手的尺寸根據GB/T 16252-1996成年人手部號型設計，選擇手長為180 mm，手寬為80 mm，男性，根據手部回歸方程計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 仿生手結構設計尺寸

2.1 四指機構

四指機構指食指、中指、無名指和小指組成的部分。食指結構包括食指前段、食指后段、掌指連接件以及連桿驅動結構。為了簡化設計，食指的遠端指節和中指節兩段固定在一起，與水平面有一個15°的夾角。食指后段分為里外兩半，其中一半包含了內連桿、轉換塊和前段驅動桿，而另一半連接了后段驅動桿，而掌指連接件主要用于連接食指和手掌。食指機構的運動主要是通過連桿來進行的，前段驅動桿和后段驅動桿分別連接對應的滑塊，通過滑塊的移動帶動手指關節的轉動，見圖2。

注：1.內連桿；2.轉換塊；3.前段驅動桿；4后段驅動桿；5.掌指連接件；6.食指后段；7.食指前段。

圖2食指結構圖

Fig.2The index finger structure

2.2 拇指機構

拇指機構是仿生手設計的難點，主要因為拇指的活動范圍廣。拇指機構共有三個自由度。拇指前滑塊的前后運動帶動拇指前段的轉動，而拇指后滑塊的前后運動帶動拇指后段的轉動。拇指前轉動件嵌在拇指前滑塊內，可以相對轉動，且與掌指連接件三者同軸，這使得拇指左右轉動的同時，拇指前段與后段可以在空間內進行轉動，見圖3。拇指機構的左右轉動是由一個連桿帶動，可以簡化為一個曲柄滑塊機構。

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

圖3拇指機構圖

Fig.3The thumb institutions

2.3 手掌機構

手掌機構主要作用是支撐拇指機構和四指機構，同時拇指機構和四指機構的運動滑塊安裝在手掌機構的內部，滑塊與對應的驅動連桿相連，通過滑塊沿滑軌的往復移動從而帶動手指的轉動。所有的驅動桿的運動范圍與滑軌均在手掌構件的內部，這使得仿生手的結構較小。

3 運動學仿真

為了驗證仿生手各個關節的運動效果以及仿生手設計的合理性，本研究利用Solidworks2019建模軟件中Motion模塊進行仿真分析，根據所得到的結果驗證仿生手運動是否平穩，能否完成指定動作。

3.1 食指運動學仿真

3.1.1指骨間關節屈伸動作仿生手食指結構的指骨間關節與掌指關節分別由兩個不同的運動滑塊進行控制，因此，可以分別對它們進行運動仿真分析。對指骨間關節的驅動滑塊添加一個Y軸方向的線性馬達，使滑塊可以在Y軸方向進行直線運動，設置馬達的運動為振蕩，頻率為0.2 Hz，運動的時間為5 s，仿真運動過程見圖4。Motion模塊計算完成后，將所得數據導入Matlab中，生成指骨間關節屈伸運動的角位移曲線，見圖5。同時生成驅動滑塊的線性位移變化曲線，見圖6。從圖中可以看出，兩條曲線較為穩定，沒有發生較大的震動或者突變，因此，可以說明指骨間關節在運動過程中較為穩定，該結果驗證了仿生手食指指骨間關節在驅動滑塊作用下屈伸運動過程中的平穩。

圖4 指骨間關節運動

圖5 食指指骨間關節角位移曲線圖

圖6 食指指骨間關節驅動滑塊線性位移曲線圖

3.1.2掌指關節屈伸動作為了驗證食指掌指關節內收/外展運動，對掌指關節的驅動滑塊添加一個Y軸方向的線性馬達，使滑塊可以在Y軸進行直線運動，距離設置為10 mm，其它參數與食指指骨間關節運動仿真參數一致，仿真運動見圖7。將計算結果數據導入Matlab中，生成食指掌指關節角位移變化曲線，見圖8。由圖可知，掌指關節的運動范圍在0～90°，曲線較為平滑且連續，可以說明掌指關節處運動較為平穩。同時，生成驅動滑塊線性位移曲線變化圖，見圖9。由圖可知，驅動滑塊的線性位移變化曲線較為圓滑且沒有發生較大振動，可以說明驅動滑塊在規定范圍內有較好的驅動效果。

圖7 掌指關節運動

圖8 食指掌指關節角位移曲線圖

3.2 拇指運動學仿真

仿生手的拇指有三個自由度，在Y-Z平面上拇指的屈伸運動與食指結構類似，因此，拇指指骨間關節和掌指關節的屈伸運動分析不再贅述。與前面不同，拇指的左右擺動動作在X-Z平面可以實現拇指內外運動。對拇指擺動的驅動滑塊添加一個X軸方向的線性馬達，使滑塊可以在X軸進行直線運動，其它參數與3.1節相同，距離設置為10 mm，可以得到仿真的過程見圖10，該圖說明了拇指結構在X-Z平面的運動情況。同時將所得的仿真數據導入Matlab中，可以得到拇指在此運動過程中的角位移曲線以及驅動滑塊線性位移曲線，見圖11、圖12。可以看出，拇指在X-Z平面上運動較為穩定。

圖9 食指掌指關節驅動滑塊線性位移曲線圖

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

圖10 拇指內外運動

圖11 拇指內外運動角位移曲線圖

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

3.3 聯合運動運動學仿真

根據3.1節的方法，聯合運動旨在完成一個“OK”手勢動作的仿真，驗證仿生手協同運動。圖13是仿生手進行“OK”動作的仿真過程，可以看出仿生手的運動較為流暢。將生成的數據導入到Matlab中，可以得到關節角位移曲線以及驅動滑塊線性位移曲線，見圖14、圖15。由圖可知，手指聯合完成“OK”動作較為順暢，運動平穩，因此，仿真驗證了仿生手聯合運動的可行性以及機械結構的合理性。

圖12 拇指內外驅動滑塊線性位移圖

圖13 聯合運動仿真

圖14 聯合運動角位移曲線圖

圖15 聯合運動驅動滑塊線性位移曲線圖

Fig.15Linear displacement curve of combined motion drive slider

4 控制系統設計

為了實現仿生手的功能，通過氣動肌肉的收縮來帶動驅動滑塊的運動，復位運動通過彈簧的彈性力對滑塊進行復位，氣動肌肉安裝在仿生手的外部，與驅動滑塊兩者通過鋼絲繩連接。仿生手下位機整體控制線路見圖16，主要分為控制線路和氣動回路。本研究采用數字PID位置型控制算法[14]來實現關節運動的閉環控制，PID控制原理見圖17。本研究使用的是Arduino單片機，可調用官方PID庫來編寫PID控制程序，創建一個PID控制器來設定Kp，Ki，Kd系數值。其工作原理是通過傳感器得到仿生手的實際運動角度y(t)，利用理論輸出角度值θ(t)與實際輸出角度y(t)進行比較得到偏差e(t)作用于PID控制器，通過對誤差e(t)的加權計算，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，從而實現仿生手的閉環控制。

圖16 下位機整體控制線路

圖17 PID控制原理

4.1 硬件平臺設計

氣動肌肉需要一個氣源來提供動力，電磁比例閥可以根據輸入信號的大小精確地調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MEGA2560，用于接受和發送控制信號，同時外接藍牙模塊，實現了與Android設備之間的通訊，可以實現無線控制。由于MEGA2560只能產生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外接一個運算放大器OP07MODULE來對信號進行放大。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的氣壓值實現對氣動肌肉的控制。

4.2 軟件平臺設計

軟件平臺的設計主要包括上位機用戶界面程序以及下位機控制程序。系統交互方式采用無線和有線兩種模式。下位機的控制程序通過Arduino IDE上傳到單片機MEGA2560中。無線連接依靠單片機外接藍牙HC-05模塊實現，移動端的安卓平板或者安卓手機自帶藍牙功能，移動端上位機控制軟件基于Android平臺，將預先設計的指令應用于Android界面程序當中，當上位機對下位機發出相應的控制指令時，下位機硬件平臺即可做出相應的響應，從而完成仿生手指定的動作。而對于PC端而言，下位機的控制程序不變，只需要改變上位機控制軟件的設計方法，使用USB串口通信，實現PC端與下位機硬件平臺的交互。采用Visual studio2017進行上位機界面程序的設計，整個控制界面包括DA控制界面和AD控制界面，DA控制界面負責對電磁比例閥控制，控制氣動肌肉內部壓力值的大小，而AD控制界面只要實現對角度和壓力數據的采集工作。