一種新型肌腱-連桿雙模態(tài)靈巧手指的設(shè)計與分析

1、一種新型肌腱-連桿雙模態(tài)靈巧手指的設(shè)計與分析摘要：本研究設(shè)計了一種具有內(nèi)收外展功能的新型仿生假手指機械結(jié)構(gòu)?；谇夫?qū)動理念，通過連桿機 構(gòu)實現(xiàn)仿生手指的內(nèi)收外展功能，聯(lián)合腱繩傳動實現(xiàn)仿生手指的屈曲伸展運動。通過研究該肌腱-連桿雙 模態(tài)仿生手指結(jié)構(gòu)的運動原理，提出了 一種分離合成式數(shù)學模型$通過仿真對仿生手指的屈曲伸展和內(nèi)收 外展運動進了校驗分析，結(jié)果表明食指、無名指和小指的內(nèi)收外展運動角度范圍分別為0 25。,0 15。和0 35。，屈曲伸展運動符合人手正常運動情況$仿真實驗驗證了本研究所設(shè)計結(jié)構(gòu)的正確性和可行性。關(guān)鍵詞：肌腱傳動；連桿傳動；內(nèi)收外展;運動學;仿生手指Design and an

2、alysis of a new tendon - link bimodal dexterous fingerAbstract: We designed a new type of bionic artificial finger mechanical structure with adduction function. Based on the under - driving concept, the bionic fingers realized the adduction function through the link mechanism, and the flexion and ex

3、tension movement in conjunction with the tendon rope transmission. By Studying the movement principle of this tendon - link bimodal bionic finger structure ,a separate synthetic mathematical model was proposed, and the flexion extension and adduction movement of the bionic fingers were verified thro

4、ugh simulation. The adduction movements range of the index finger, ring finger and little finger was 0 25。, 0 15。 and 0 35。respectively, the flexion and extension function were in accordance with the normal movement of the human hand. The simulation results verify the correctness and feasibility of

5、this design.Key words： Tendon transmission ; Link drive; Adduction; Kinematics; Bionic fingers1引言手的高度靈活性使人們能夠完成各種復(fù)雜的動 作，其功能的缺失給患者帶來諸多不便。為提高截 肢患者的生活質(zhì)量，國內(nèi)外一直致力于研究仿生手 的機械設(shè)計1-3 $國外的典型代表為Michelangelo、 i - Limb! Bebionic 假手$ Michelangdlo 假手使用 兩個肌電傳感器捕獲前臂肌電信號進行假手控制， 特殊的手指對齊方式配合拇指能實現(xiàn)七種抓握模 式，腕部屈伸功能可鎖定在八個不同位置

6、角度;i -Limb假手使用兩個電極進行控制信號的采集，每 個手指由驅(qū)動器進行控制，可實現(xiàn)五指單獨的屈曲 伸展運動；Bebionic假手中采用直流電機絲桿并 結(jié)合連桿實現(xiàn)四指的傳動控制，拇指采用電機齒輪 傳動實現(xiàn)假手6自由度11關(guān)節(jié)的運動$上海交 通大學研制的一種五指仿生假手采用連續(xù)體差速機DIP和MCP的串聯(lián)機構(gòu)Fig. 1 The structure of the index fingerDIP和MCP的串聯(lián)機構(gòu)Fig. 1 The structure of the index finger2. 2內(nèi)收外展結(jié)構(gòu)設(shè)計人手的真實活動中，每根手指均可進行單獨的 內(nèi)收外展運動，但在抓取物體時,五根

7、手指會以一定 的協(xié)同運動成形成特定的抓取姿勢，而非單獨運 動$本研究中四連桿機構(gòu)采用欠驅(qū)動設(shè)計理念，使 用一個舵機使仿生手四指同時做內(nèi)收外展運動，其Fig. 2 The diagram of the movement驅(qū)動舵機固定在手掌內(nèi)蓋上，舵盤與舵機上的 齒輪固連，舵盤、連桿1、連桿2、連桿3之間鉸接，其 中連桿3與手掌內(nèi)蓋鉸接，以維持整個連桿的相對 位置;連桿1的另一端與小指掌骨關(guān)節(jié)鉸接，連桿4 的兩端分別于連桿3和食指的掌骨關(guān)節(jié)鉸接，通過 驅(qū)動舵機可帶動食指和小指產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動；連桿5 的兩端與小指和無名指的掌骨關(guān)節(jié)鉸接，可通過小 指掌骨關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動帶動無名指掌骨關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動。3結(jié)構(gòu)建模及運動

8、學分析為簡化仿生手的運動學分析，本研究提出了一 種分離合成式機器人運動學分析方法，即對仿生手構(gòu)，可實現(xiàn)簡單的手指彎曲伸展以及聯(lián)合運動囪， 華中科技大學采用欠驅(qū)動方式，使用4個電機控制 五根手指完成簡單的抓握功能哈爾濱工業(yè)大學 研制了四代假手，其中的第三代假手采用欠驅(qū) 動連桿傳動方式，具備大拇指和食指的自適應(yīng)抓取 功能，第四代假手的手指可進行單獨驅(qū)動并使用特 殊的連桿機構(gòu)實現(xiàn)五指的耦合運動。上述仿生假手能夠?qū)崿F(xiàn)手部的抓握功能，但均 未充分考慮設(shè)計手指的內(nèi)收外展功能，且剛性結(jié)構(gòu) 造成假手柔順性不足M $本研究依照仿生學并結(jié) 合人手特點,設(shè)計了一種新型欠驅(qū)動仿生靈巧手，它 不僅能實現(xiàn)常規(guī)的包絡(luò)抓取，

9、而且能夠?qū)崿F(xiàn)指尖抓 取和指側(cè)間抓取，具有高度的仿生性以及靈活性。 該仿生手的手指結(jié)構(gòu)采用單驅(qū)動方式實現(xiàn)手指的掌 指關(guān)節(jié)、中指關(guān)節(jié)和遠指關(guān)節(jié)的耦合運動，與傳統(tǒng)電 機加連桿、電機加齒輪傳動方式不同，本研究設(shè)計的 仿生手采用舵機加腱繩和連桿雙模態(tài)傳動方式，使 結(jié)構(gòu)設(shè)計得更加緊湊。2手指結(jié)構(gòu)設(shè)計本研究基于仿生學理念,參照人手國標尺寸設(shè) 計了手指結(jié)構(gòu)，包括食指、中指、無名指、小指和拇 指。每個手指均由舵機加腱繩進行單獨驅(qū)動，實現(xiàn) 其屈曲伸展運動;在四指的掌指關(guān)節(jié)處采用欠驅(qū)動 原理創(chuàng)新性設(shè)計了一種四連桿機構(gòu)，由一個舵機驅(qū) 動，可實現(xiàn)仿生手四指的內(nèi)收外展功能。整體具有 高度的仿生性和靈活性。2.1屈曲伸展結(jié)

10、構(gòu)設(shè)計手指的外形是參照人手的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行設(shè)計, 五指的傳動方式均由舵機加腱繩進行控制。本研究 以食指的相關(guān)結(jié)構(gòu)為例，見圖1$為降低控制的復(fù) 雜性，假手的近指關(guān)節(jié)（PIP）、遠指關(guān)節(jié)（DIP）和掌 骨關(guān)節(jié)（MCP）設(shè)計成耦合運動，為增加手指的靈活 性，在手指的每個掌指關(guān)節(jié)處增加了內(nèi)收外展的自 由度，單個手指總共具有4個自由度,可聯(lián)合實現(xiàn)包 絡(luò)抓取，指尖抓取和指側(cè)間抓取功能$由肌腱傳動原則,仿生手的四指利用腱繩和滑 輪完成相互運動間的傳遞$在DIP和PIP處設(shè)計有 微型法蘭軸承，在MCP處設(shè)計有滑輪，每個手指由 3個部件組成，每個部件內(nèi)部均設(shè)計有線道,手指指 尖均設(shè)計有線鉤，腱繩通過線道在法蘭軸承

11、和滑輪 之間進行擺布并纏繞在線鉤上。DIP、PIP和MCP 關(guān)節(jié)處均安裝有扭簧用于實現(xiàn)各關(guān)節(jié)的屈曲和伸展 動作,單個手指是由一個舵機驅(qū)動PIP,并同時帶動圖3四連桿三維模型Fig. 3 3D model of the four 圖3四連桿三維模型Fig. 3 3D model of the four - link手指各參數(shù)按中國成年人人體尺寸標準設(shè)計, 手指各關(guān)節(jié)彎曲角度在8010014，以食指為例, 其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1$表1食指參數(shù)Table 1 The parameters of the index finger：-1 T - Rot( )，!$ 一J Trans( * $ 一1,0,0)R

12、ot( ,，$) Tran=( 0,+ ,-$_)( 1)/圖4食指D-H坐標系Fig. 4 D 一 H coordinate system of index finger式中,$-1 T表示坐標系$相對于坐標系$ -1的 變換矩陣;Rot(),!, _1)和Rot(分別為繞=和L軸的變化矩陣;Trans( *,一# ,0,0)和 Trans( 0,0,-,一#) 分別為沿=和l軸的平移變換矩陣。由4矩陣連乘 可知,-1 T的變換通式為：的屈曲伸展運動和內(nèi)收外展運動進行單獨分析，其 最終運動軌跡應(yīng)是兩種運動分析結(jié)果的合成。3.1結(jié)構(gòu)建模及參數(shù)設(shè)計為了給假手零件開發(fā)和運動學分析作基礎(chǔ)，本研究建立

13、了手部結(jié)構(gòu)的三維模型，見圖1、圖3$名稱長度(mm)運動角度(。)遠指節(jié)2090中指節(jié)3090基指節(jié)4090手指內(nèi)收外展的角度范圍一般在30。40。之 間,根據(jù)此范圍進行四連桿尺寸的設(shè)計見表2$表2連桿尺寸參數(shù)Table 2 The parameters of the four - link連桿號12345長度( mm)12201516183. 2屈曲伸展運動學分析D-H表示法是機器人運動學分析中比較常用 的方法，其可以分析出關(guān)節(jié)活動角度與末端執(zhí)行器 之間的關(guān)系。手指整體是一個串聯(lián)結(jié)構(gòu)，采用D - H建模分析方法可以求出每個手指指尖相對于掌指 關(guān)節(jié)基坐標系的空間位姿關(guān)系，本研究以食指為 例進行

14、分析,建立其D-H坐標系，見圖4 (圖中l(wèi)軸 均垂直紙面向外)。表3 D-H參數(shù)表Table 3 The parameters table of D 一 H連桿,3%,_1#$_110002&20030)20可采用D-H坐標法中的坐標系鏈式法則可知 其基礎(chǔ)變換方程為：C&s&,0%,_1s&,ca,_1c&,ca,_is#,_l3,s#,一s&,sa,_1c&,sa,_ic#,_i3,ca,_10001:T T( 2)式中,C& 表示 cos( &,) , s&, 表示 sin ( &,) , ca,_ 表示 cos ( a,),sa,z1 表示 sin ( a,z1) #根據(jù)式(2)和表3所

15、示連桿參數(shù),可求得各連桿變換矩陣如下：-c&s&00 _0i Ts&c&10010010-0001 -c&2s&200 _1(2 (s&2c&2000010-0001-C&s&01 2 T s&c&0000100001-各連桿變換矩陣相乘，可得仿生手指的變換矩 陣：3 T =: ( &1) 2 (&2 ) 2 (&3 )假設(shè)遠指關(guān)節(jié)相對基坐標系的矩陣為:(3),(3)Ol-0 0 0P,Pl1 -式中，$, n2T是遠指關(guān)節(jié)的,3軸在基 坐標系中的方向矢量；。，。，。T是遠指關(guān)節(jié)的 ,3軸在基坐標系中的方向矢量；Ol-0 0 0P,Pl1 -指關(guān)節(jié)的L3軸在基坐標系中方向矢量; P, P, P

16、l T是遠指關(guān)節(jié)在基坐標系中位置。聯(lián)立上式可求出仿生手遠指關(guān)節(jié)的運動學基本 方程： TOC o 1-5 h z &,cos(&3)cos( &1&2)=in( &3) =in(&#&2)&Hcos(&3)=in( &1&2)=in( &3) cos(&#&2)&L = Usin(&3)cos( &+ &2)- cos(&3)sin(&1+&2)-sin(&3)sin( &1+ &2)+ cos(&3)cos(&1+&2)連桿名稱長度角速度角加速度AB舵盤Z1J11BC連桿2Z2w22CE連桿3Z3J3連桿名稱長度角速度角加速度AB舵盤Z1J11BC連桿2Z2w22CE連桿3Z3J33EF連桿4

17、Z4J44FG食指Z5J55圖5中1、匕、2、匕分別是AD兩點水平距 離、AD兩點垂直距離、DG兩點水平距離、DG兩點 垂直距離。圖5中各參數(shù)含義見表5$表5連桿參數(shù)含義Table 5 Connecting rod parameter meaning在ABCDPA中有：(5)%,P,即：Z1COS$1 + Z2COS$2 + Z)C0S$3 = # -i=in$ + Z$sin$(5)%,P,即：Z1COS$1 + Z2COS$2 + Z)C0S$3 = # -i=in$ + Z$sin$2 + sin$)=在DEFGQ中有：Z4 + Z5 + Z6 2 + -2(6)(7)Ph(4)內(nèi)收外展

18、運動學分析本結(jié)構(gòu)中每根手指的內(nèi)收外展運動均采用連桿 進行傳動，其運動學分析方法都是相似的，為避免繁 瑣，本次運動學分析僅對食指進行較詳細的描述，其 它手指采用食指的分析方法均可實現(xiàn)運動學的探 索，運用解析法K建立其運動學模型，見圖5$3. 3圖5內(nèi)收外展原理Fig. 5 Principle of adduction and abduction4頑 1$3$4$5即：r Z4cos$3 + Z(cos$4 + Z,cos$5 = 2-Z4=in$3 + Z(=in$4 + Z,sin$5 ；2 聯(lián)立上式，即得連桿的位移公式：Z1cos$1 + l2cc=$2 + Z3cos$3 1Z=in$1

19、+ Z2=in$2 + Z3 =in$3 =；1 VZ4cOS$3 + Z(cOS$4 + Z6cOS$5 2Z4=in$3 + Z(=in$4 + Z,sin$5 即可求得：.(2 + Z2 2 + )2 Z3 =arcsin()2 Z2.(2 + Z3 2 + )2 - Z2 2)=arc=in(垃).Z *2 + Z5 2 + 2 - Z6 =arc=in().Z *2 + Z6 2 + 2 - Z5 =arcsin()2 Z6arctan(arctan(8)(9)arctan()arctan()( 1U)式中，(=X# - Z#cos$i ,)=匕 + Z#sin$i , * =X$

20、- cos$3 , =+ !sin$3 $根據(jù)式(10)對時間5進行一次和兩次求導(dǎo)，即 可分別得出手指運動的角速度和角速度的表達式。4仿真與驗證在理論上經(jīng)過上述對仿生手相關(guān)機械結(jié)構(gòu)的運 動分析之后,為驗證所分析模型的合理性，本研究使 用ADAMS對仿生手食指結(jié)構(gòu)進行了運動學仿真分 析，獲得各關(guān)節(jié)運動角度范圍，然后將其代入上述分 析公式并利用MATLAB編程對上述所建立的食指 運動學模型進行擬合，最后與ADAMS分析結(jié)果做 對比驗證其合理性。圖6屈曲伸展仿真根據(jù)表1、表2和食指運動學理論模型，使用 ADAMS進行運動仿真。仿真時忽略各關(guān)節(jié)之間的 摩擦效應(yīng)，并在舵盤處和對應(yīng)關(guān)節(jié)處施加驅(qū)動，建立 的

21、屈曲伸展仿真模型和內(nèi)收外展仿真模型見圖6、 圖7 圖6屈曲伸展仿真Fig. 6 Simulation of flexion and extension圖7內(nèi)收外展仿真Fig. 7 Simulation of adduction and stretch同時利用MATLAB進行理論求解，其仿真結(jié)果以及理論計算結(jié)果見圖8、圖9 $Fig. 880 -70 -* XFig. 880 -70 -* X軸位移仿真.y軸位移仿真 x軸位移理論圖8屈曲伸展分析294of 14x10； and extension353025105通2015小指仿真 一-小指理論-一無名指仿真+無名指理論 3025105通2015小指仿真 一-小指理論-一無名指仿真+無名指理論 食指仿真 食指理論圖9 內(nèi)收外展分析Fig. 9 2he analysis of adduction and stretch由圖8可知，不管是在ADAMS中還是在MATLAB 中,仿生手食指的屈曲伸展運動仿真曲線和與 其相對應(yīng)的理論曲線基本保持一致，驗證了本研究 所建立仿生手運動模型的準確性與合理性。由圖9 可知，內(nèi)收外展運動的仿真曲線和理論擬合曲線基 本一致。同時,本研究所設(shè)