多自由度氣動柔性手腕動力學性能實驗研究

劉洪波，耿德旭，劉齊，祝燕

(1.北華大學工程訓練中心，吉林吉林 132021；2.北華大學護理學院，吉林吉林 132013)

0 前言

作為手臂和手爪之間的重要連接部件，手腕主要用來調整手爪的空間位姿以及確定手爪與目標物體的接觸狀態，是人類使用較多且易受損傷的關節。隨著老齡化程度的不斷加劇，中風患者和行動缺失患者群體數量呈逐年增加的趨勢，其中近2/3的患者會出現手臂麻痹和失能[1]。為解決手臂，尤其是腕部失能人群的術后康復訓練等問題,國內外許多學者對手腕康復機器人開展深入研究。趙耀虹等[2]研制了一款3-RRP 球面并聯的柔順手腕，該手腕具有三個自由度，能夠實現掌屈/背伸、尺偏/橈偏和旋轉運動，可用于腕關節康復訓練。LUO等[3]研究了一種三自由度的適用于前臂和手腕的康復架，但其結構較為笨重，攜帶困難。MARTINEZ等[4]通過3組轉動關節串聯制成了一種用于腕部的康復訓練器，但整體剛性較大，柔性不足。

目前，多數手腕康復訓練器為剛性結構，雖然能夠保證定位精度和承載能力，但整體柔順性不足，人機安全性差。因此，如何將彈性材料引入手腕本體，使它具有結構上的柔順性成為解決上述難題的一個重要途徑。PRATT和WILLIAMSON[5]最早提出采用串聯彈性驅動器解決輸出力可控可調的問題，其結構設想被廣泛應用到醫療康復、服務、人機協作等機器人上。KATO等[6]利用3個氣動柔性驅動器研制了一種可穿戴式手腕康復器，可對佩戴在人體手腕的設備進行位置跟蹤和姿態控制。SAITO等[7]設計了一種由氣動人工肌肉驅動的球形手腕機器人，可通過各人工肌肉收縮量間的協調配合精確控制手腕姿態。彭媛[8]研制了一款由形狀記憶合金驅動的手腕，實現了俯仰、橫擺功能，運動范圍可達±45°。劉偉等人[9]基于2SPS/U并聯機構研制了一款繩索驅動串并混聯肘腕康復機器人，具有柔彈性好、慣性沖擊小等優點，保證了康復訓練的安全性、舒適性。

為解決腦外傷和中風等患者術后腕部康復訓練等問題，本文作者采用伸長型氣動人工肌肉與球形制動器相并聯的結構，研制一種氣動柔性手腕，搭建動力學實驗平臺，分別在不同阻尼情況下(即制動器是否工作)對手腕進行2種激勵信號(階躍和脈沖)動力學實驗，分析得到阻尼對手腕動力學性能的影響規律。

1 手腕結構與功能

如圖1所示，柔性手腕由圓周均布的4根軸向伸長型氣動肌肉[10]和中間的一個氣動環形制動器并聯而成，具有2個自由度、2個機動度，每相鄰2個人工肌肉同時驅動可實現手腕的俯仰和橫擺運動，如圖2所示。氣動肌肉距離中心45 mm，圓周90°均布。制動器為薄壁球體結構，如圖3所示，主要由上/下球座、限位片、制動片和鼓形氣囊組成。手腕整體為圓柱狀結構，直徑為110 mm、高為100 mm、質量為540 g。為保證手腕整體變形協調，在軸向50 mm處增添一個保持架，連接4根人工肌肉，如圖2所示。

如圖3所示，制動器安裝時，氣囊、制動片和上球座之間存在初始間隙(T1和T2)，手腕此刻可以自由彎曲。當外界負載發生變化或任務需要時，制動器工作，實現加壓制動。其工作原理如下：壓縮氣體由進氣管進入鼓形氣囊后，氣囊受壓膨脹，由于上下限位片限制了氣囊的軸向膨脹，只能沿徑向膨脹，推動制動片與上球座接產生正壓力，增大了二者間的摩擦力，阻礙了相對運動，進而實現制動；制動力大小與通入氣壓值成正比；泄壓后，在氣囊自身彈性作用下，制動各零部件恢復到初始位置，制動力減少至0，制動失效。因此，該柔性手腕可通過不同驅動肌肉的協調配合實現類人手腕的俯仰和橫擺，且能夠根據任務需要，通過制動器加壓制動，實現位置保持。

2 手腕動力學實驗研究

利用圖4所示的動力學實驗原理，采用單一變量(制動器是否工作)對手腕進行不同激勵信號下的動力學對比實驗。實驗裝置由三維運動捕捉系統(型號：Optotrak)、氣源、控制平臺和氣動元件等組成，如圖5所示。通過PLC編程控制系統輸出激勵信號，然后由三維運動捕捉系統對手腕上的標記點進行捕捉和追蹤，獲得不同時刻手腕動態數據(位置矢量、速度和加速度等)。具體實驗條件如表1所示。

表1 實驗條件

2.1 階躍激勵下時域響應對比分析

圖6所示為手腕自由變形時，在不同氣壓激勵下的階躍時域響應曲線。可知：手腕達到穩態時，超調量幾乎為0，屬于過阻尼系統，且彎曲角度與驅動氣壓呈正比。在充氣過程中，隨著氣壓的增加，手腕彎曲角度的增速增加。

圖7所示為驅動氣壓為0.30 MPa時，不同阻尼對手腕階躍激勵時域響應對比曲線。可知：隨著制動器工作氣壓的增加，阻尼逐漸增大，手腕達到穩態時的彎曲角度逐漸減少。

2.2 脈沖激勵下時域響應對比分析

2.2.1 無制動時脈沖激勵響應分析

圖8所示為手腕在驅動氣壓0.30 MPa時，不同脈寬(0.5、1.0、1.5 s)激勵下的時域響應曲線。可知：脈寬0.5 s時，彎曲角度一直呈緩慢增加的趨勢，未達到穩態值；脈寬為1.0、1.5 s時，手腕形變達到穩態位置，且二者穩態值誤差較小，基本一致，說明手腕重復定位精度較高。

圖9所示為脈寬為1.5 s時，不同驅動氣壓0.10、0.20、0.30 MPa激勵下的脈沖響應曲線。可知：隨著氣壓的增加，手腕達到穩態位置時的彎曲角度增大。卸壓過程中，由于氣壓剛度逐漸消失，手腕整體剛度下降，導致手腕存在一定的抖動。

2.2.2 制動時脈沖時域響應分析

采用脈寬1.5 s的激勵信號，設定驅動氣壓分別是0.10、0.20、0.30 MPa，分析不同阻尼(通過調節制動器的工作氣壓)對手腕動力學性能的影響，結果如圖10所示。可知：隨著制動器工作氣壓的增加，手腕達到穩態時的彎曲角度逐漸減少；在驅動肌肉卸壓過程中，手腕恢復到平衡位置的振幅隨著制動器工作氣壓的增加而逐漸減少。由于制動器一直處于工作狀態，手腕恢復到平衡位置與初始位置存在一定偏差，且該偏差與制動器工作氣壓成正比。

2.3 頻域響應分析

利用三維運動捕捉系統獲得了手腕在不同阻尼下的脈沖時域響應，如圖8—圖10所示。對上述脈沖激勵下數據進行傅里葉變換處理可得驅動氣壓、制動氣壓、脈寬等因素對手腕固有頻率的影響規律，結果如圖11—圖13所示。

由圖11可知：脈寬對手腕固有頻率的影響存在一個閾值(即該脈寬下手腕彎曲變形是否已經達到穩態值)，當脈寬值大于閾值時，如脈寬1.0、1.5 s，不同脈寬對手腕固有頻率沒有影響；當脈寬值小于閾值時，如脈寬為0.5 s，手腕固有頻率受脈寬和驅動氣壓的雙重影響。

對圖11中的數據進一步處理分析，可得不同脈寬時，手腕固有頻率隨氣壓變化曲線，如圖12所示。可知：脈寬相同時，隨著氣壓的增加，手腕固有頻率逐漸減少。這主要是因為隨著驅動氣壓的增加，手腕彎曲變形程度逐漸加劇，導致其整體剛度減弱，固有頻率隨之降低。

圖13所示為驅動氣壓0.30 MPa、脈寬1.5 s下不同阻尼對手腕固有頻率影響幅頻特性曲線。可知：手腕固有頻率與阻尼無關，始終為1 Hz；手腕泄壓后的振幅隨著阻尼的增加逐漸減小。由此可知，增大阻尼可有效減小手腕抖動，減少沖擊，使其盡快達到穩態。

3 結論

研制了一種阻尼可調的氣動柔性手腕，該手腕具有2個自由度和2個機動度，能夠實現俯仰、橫擺運動，且能根據任務需要，實現位置保持。采用三維運動捕捉系統對手腕進行了動力學實驗，獲得了不同激勵信號和不同阻尼下手腕的時域和頻域特性，得到以下結論：

(1)脈寬相同時，隨著驅動氣壓的增加，手腕固有頻率逐漸降低，且主要集中在低頻區；

(2)脈寬對手腕固有頻率的影響存在一個閾值(即該脈寬下手腕彎曲變形是否已經達到穩態值)；當脈寬值大于閾值時，不同脈寬對手腕固有頻率沒有影響；當脈寬值小于閾值時，手腕固有頻率受脈寬和驅動氣壓的雙重影響；

(3)固有頻率與阻尼的大小無關，但增大阻尼可有效減小手腕形變達到穩態的彎曲角度，同時還可增加振幅衰減速度。