用于肌肉電信號控制的仿生機械手設計與仿真

劉樂遠 閆炳成 黃經緯 李敏 魏德軒

摘 要： 針對肌肉電信號（EMG）控制假手的需求，介紹了一種仿生機械手的設計和控制仿真。此機械手優勢在于關節和手指尺寸完全還原真實人手的大小。首先，在多自由度的基礎上，建立了五指的運動學模型并求出其運動學正解和逆解。然后，通過仿真來驗證其運動學解的正確性，從而為仿生機械手的運動軌跡規劃和進一步的控制提供了理論依據。最后，簡要說明了肌肉電信號如何實現對仿生機械手的運動控制。

關鍵詞： 肌電信號; 仿生機械手; 運動學; 運動仿真

文章編號： 2095-2163（2021）03-0048-04 中圖分類號：TP24 文獻標志碼：A

【Abstract】Aiming at the demand of electromuscular signal （EMG） to control artificial hand， this paper introduces the design and control simulation of a bionic manipulator. This manipulator is mainly based on the design of fingers and joints， and it can complete a variety of gestures. The advantage is that the size of joints and fingers completely restore the size of real hands. Firstly， the kinematics model of the five fingers is established on the basis of multiple degrees of freedom and the kinematics forward solution and inverse solution are obtained. Then， the correctness of the kinematics solution is verified by simulation， which provides the theoretical basis for the motion trajectory planning and further control of the bionic manipulator. Finally， the paper briefly explains how to realize the motion control of the biomimetic manipulator by muscle electrical signal.

【Key words】 EMG; bionic manipulator; kinematics; motion simulation

0 引 言

隨著科技的進步，工業等方面的機械化飛速發展。其中，機械手的應用越來越廣泛。機械手的分類大致可分為工業用機械手和假肢用機械手。假肢用機械手又可叫做仿生機械手[1]，近年來國內外學者對其的研究也日趨深入。如崔鵬等人[2]采用腱傳動式仿生機械手取代了簡單的夾具，提高了末端執行器的適應性。南卓江等人[3]研發了一種質量輕且具有良好柔順性、靈巧性的仿生機械手。隨著信號采集技術的日益發展，通過采集到的生物電信號實現運動控制正成為一種趨勢。如王宏等人[4]提出的一種基于肌肉電信號控制的假肢用機械手的設計，為機械手控制問題提供了理論依據。劉帥等人[5]利用ADAMS軟件建立仿生機械手的虛擬樣機。李振浩等人[6]通過ADAMS進一步對仿生機械手進行運動學仿真分析。呂美鳳等人[7]針對機械手運動過程中的運動軌跡進行了研究分析。而對于更多自由度的機械手研究，適合更加復雜的運動。侯歆巖[8]對5R機械臂進行坐標建模并確定其連桿參數。同樣地，周睿等人[9]也對一種5自由度機械手進行了運動學分析。陳珂等人[10]對六自由度機械手進行了ANSYS靜力學仿真。王衛兵等人[11]對六軸機械手進行運動學分析，并進行仿真實驗。仿生機械手的設計和分析，能夠為后續的肌電輸入控制做準備。

1 仿生機械手結構及參數

建立仿生機械手的模型，拇指具有2個關節，食指、中指、無名指、小指都具有3個關節。因此，在solidworks中的機械手模型具有14個自由度。機械手結構簡圖如圖1所示，除拇指外其余四指均含有3個臂，拇指含有2個臂 ，以手掌對稱軸與拇指軸線相交處建立機械手的世界坐標系xyz。

在圖1中，a、b、c分別為20.785 mm、12.5 mm、39.131 5 mm，a為關節Oi在x方向距離世界坐標系的距離，b為四指間距離。具體參數見表1。

2 運動學分析

由于除拇指外其余四指的運動學具有相似性，因此先對四指進行運動學分析。利用圖1機械手在H方向視圖，可將四指簡化為如圖2所示的結構，其中Oi（i=1～4）分別為四指與手掌的連接的關節，角度為θi1（i=1～4），Ai和Bi（i=1～4）分別為四指中間的兩關節，角度分別為θi2和θi3（i=1～4），Ci（i=1～4）分別為四指的指尖，以各個關節及指尖分別建立坐標系，如圖2所示。

通過D-H參數計算方法獲得機械手四指D-H參數表，見表2。

利用機械手在K方向視圖，可得拇指簡化圖，如圖3所示。在世界坐標系下O5的坐標為（0，0，-c）。其中，O5表示拇指與手掌的連接的關節，θ51表示角度，A5表示拇指中間關節，θ52表示角度，B5表示拇指的指尖，以各個關節及指尖分別建立坐標系。通過D-H參數計算方法獲得拇指D-H參數表，見表3。

3 仿真實驗

在Matlab中導入solidworks建立的仿生機械手模型，會生成簡單的各個關節和指節的Simulink代碼。如果想要進行復雜的手勢運動需要添加激勵源，為了驗證各個手指的逆運動學方程的正確性，給出關節角度，仿生機械手會執行并運動到特定的關節，Simulink設計如圖4所示。

人手的運動是一個持續的過程，因此需要仿真出機械手運動的過程。設置一個函數使手勢做出動態的變化，從五指彎曲到食指伸直，關節角度隨時間變化、最終手勢如圖5所示。

本文設計的仿生機械手主要是為了結合肌電信號實現手勢還原。首先人體手臂做出特定手勢，然后肌電采集設備采集肌電信號（EMG）到上位機，上位機通過Matlab處理數據并執行分類算法，識別出實際手勢，并通過仿真還原出手勢。控制流程如圖6所示。

4 結束語

本研究以肌電控制假手的需求為背景，設計了一種多自由度仿生機械手，并進行了運動學分析和動態仿真。首先，參照實際人手設計出一種14自由度的機械手，并設置好各個關節參考坐標系，對每個手指進行正逆運動學分析。然后，為了方便肌電信號的數據處理和接口對接，采用Matlab對仿生機械手進行導入和仿真設計，實現了機械手的仿真模型建立和手勢控制。最后，給出實際信號如何控制機械臂仿真模型的流程，為后續肌肉電信號控制仿生機械臂提供了充足的理論和實驗準備。

參考文獻

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