基于SolidWorks的手部骨骼机器人运动仿真研究

2018-01-18杨振坤

制造业自动化 2017年10期

樊琛，杨振坤，白园

（1.西安交通大学，西安 710049；2.西安交通大学城市学院，西安 710018）

0 引言

手作为人体最重要、最灵巧的器官，它的功能与作用在日常生活与工作中无可代替，小到一针一线，大到各类器械，手都可以灵活运用操作。但手也极其脆弱，常因疾病或意外事故发生瘫痪或骨折等现象。这给患者及其家庭带来极大的痛苦和压力。在传统康复治疗中，主要依靠康复医师对患者进行一对一的手工操作和主观临床经验对患肢进行评估，主要完成的是从感受器经周围神经、脊髓、脑干、丘脑至大脑皮质的上行传导通路的训练[3,4]。康复水平低、周期长、人工陪护等费用高。近年来，康复医学尤其是康复机器人的逐渐兴起，在康复评估、精细化康复操作、康复规范及改革等方面发挥了极大的作用。而人因为年龄、性别、工种、遗传等因素，手部尺寸相差较大；在手部运动操作过程中，由于习惯、熟练度及情绪等因素，运动过程和运动参数也有很大差异。如何掌握手部运动学与动力学规律，模拟手部运动提取相关参数，用于控制系统的进一步建立成为研究关键点[5]。

本文在分析了人体手部结构、自由度及运动范围的解剖学理论基础上，研究了手部机器人骨骼设计及基于SolidWords的等速运动仿真法，包括机构参数的合理化选择、关节的连接设计、手部骨骼模型的装配及机构的干涉检查和参数优化等。运用Solidwords软件后台SolidWords Simulation的Motion分析仿真并导出运动曲线，并验证了该运动仿真满足摆线运动规律。

1 骨骼模型总体设计

通过对手部骨骼的解剖分析，确定骨骼模型的机构由掌底部的碎骨、第1、2、3、4、5掌骨、五个手指的近节骨、远节骨和食指、中指、无名指和小指的中节骨组成。手部关节运动分为弯屈-伸展与内收-外扩两种方式，即各指骨向掌骨靠近或远离为弯屈-伸展运动及各手指以中指为中心，向中指靠近或远离为内收-外扩运动。

取手指伸直时的顺手指方向为Z轴正方向；垂直掌心指向掌心外方向为Y轴正方向；垂直Z轴和Y轴方向为X轴，指向大拇指方向为正；其食指的自由度分布如图1所示，拇指的自由度分布如图2所示。

图1 食指自由度分布图

食指的掌指关节分别绕X轴和Y轴转动，近端指关节和远端指关节则仅绕X轴转动；拇指腕掌关节和掌指关节分别绕X轴和Y轴转动。指节关节则仅是绕X轴转动。其绕X轴的转角用θ表示，绕Y轴的旋转用α表示。

图2 拇指自由度分布图

不同运动下各关节的角度范围不同。拇指、食指、中指和无名指的MP（掌指关节）弯屈范围是0°～90°；小拇指的MP弯屈范围是0°～95°；五指的PIP（近端指关节）弯屈范围是0°～110°；五指的DIP（远端指关节）弯屈范围0°～90°；拇指的IP（指节关节）弯屈范围是0°～90°；拇指后伸范围是0°～5°；拇指腕掌关节的旋前运动范围是0°～20°。拇指的外扩范围是0°～40°；五指掌指关节的收扩范围-15°～15°。

为完整地仿真人体手部的各运动轨迹，尤其是拇指的运动情况，运用SolidWorks软件仿真手部运动所有的21个自由度。自由度分布如表1所示。

表1 手部自由度分布

由于手部尺寸因年龄、性别、身高、体重、职业等因素差别较大，因此，取手部运动仿真个体为年龄22岁、身高175cm，体重70公斤的男性学生右手作为研究示例，骨骼尺寸如表2所示。其中，手指长为L，上部半径为r，下端半径为R。

表2 手指尺寸（mm）

模型设计以手部碎骨为始，采用由下而上的绘制设计方法，生成骨骼仿真模型图，如图3所示。

2 骨骼机构设计

2.1 骨骼连接设计

骨骼连接设计针对具有不同自由度的关节分别采用铰链连接和十字万向节连接方法。铰链连接方法可使关节绕同一轴线作相对运动。因此，对只有1个弯屈-伸展自由度的关节采用铰链连接。设计时，在底部零件凸台两侧设置直径为2mm的对称圆台，凸台总长设为4mm，如图4所示。十字万向节连接法可实现弯屈-伸展和内收-外扩运动。因此，对具有弯屈-伸展和内收-外扩2个自由度的关节采用十字万向节连接方法，获得两个垂直向的旋转自由度，如图5所示。

图4 铰链连接图

图5 十字万向节连接图

为使模型弯屈到最大位置时不发生干涉，在关节凸台处切除16mm×（R-2）的矩形块，经倒圆角处理后如图6所示。同时，为模型伸展至极限位置时不继续后仰，在相应关节中间位置设置厚2mm的凸台，以使其限位，如图7所示。

图6 手指骨骼模型倒圆角图

图7 手指骨骼凸台限位图

骨骼碎骨与手指没有相对运动，运用铰链连接，装配时进行面与面之间的锁定配合，避免干涉。

2.2 骨骼结构设计

由于四指结构和设计方法完全相同，因此，模型以食指和拇指为主要研究对象，其他四指参照食指进行设计。为实现拇指和四指的自由度，分别采用挖通槽、设凸台、打孔和倒圆角等方法。

拇指关节处的孔径为3mm与同尺寸十字万向节相配合，在配合过程中采用过盈配合，以增强连接强度，在运动仿真时不会出现零件脱落现象。同时，为避免发生干涉在掌骨的上下端分别挖去20×16mm、17×14mm的通槽，如图8所示。

图8 拇指掌骨设计图

拇指近节骨的底端与十字万向节配合的孔径为3mm，挖去17×16mm的矩形通槽，在近节骨的上部中心位置处留有长2mm的凸台，以作限位。在距离凸台顶部5mm处设直径为2mm的双侧拉伸4mm的凸台，用来连接远端指关节。在距离小凸台2mm处切16×（r-2）mm的矩形槽，而后倒R8圆角，如图9所示[6]。

拇指远节骨的底端挖去长2×6mm的矩形通槽，在底部切除4mm深的孔，用来与近节骨的小凸台配合，并在底端倒R4圆角，如图10所示。

图9 拇指近节骨设计图

图10 拇指远节骨设计图

食指掌骨上部切去15×16mm的矩形通槽，在距离顶部4mm的中心处，切直径为3mm的通槽，与十字万向节连接。底端切2×11mm的通槽，在中心位置切除4mm深的孔，如图11所示。

图11 食指掌骨设计图

食指近节骨的底端与十字万向节配合的孔径为3mm，挖去17×16mm的矩形通槽，在近节骨上部中心位置处设2mm长凸台，以限位。在距离凸台顶部5mm处设直径为2mm双侧拉伸4mm的凸台，用来连接中节骨的底部，以实现关节屈-伸运动。在距离小凸台2mm处切16×（r-2）mm的矩形，倒R10圆角，如图12所示。

图12 食指近节骨设计图

食指中节骨的底端倒R10圆角，切2×8mm通槽，在距离底端3mm的中心处切直径为2mm双侧拉伸切除4mm的孔，与掌骨关节配合。在中节骨上部设2mm的凸台，以限位。在距离顶部4mm中心处设直径为2mm双侧拉伸为4mm的凸台，倒R8的圆角，如图13所示。

图13 食指中节骨设计图

图14 食指远节骨设计图

骨骼模型的整体装配以食指为例，装配掌骨与十字万向节时运用SolidWorks软件进行两次心轴对齐、距离设定约束，装配成组件；将完成的组件与近节骨装配时运用与十字万向节装配方法进行组装生成新组件；将新组件与中节骨装配时，主要运用中心轴对齐、面重合或边界重合约束进行装配；在与远节骨进行装配时运用轴对齐、面重合或边界重合的约束方法，最后经过软件干涉检查及参数合理化调整后完成整体装配。手部骨骼仿真模型的三维实体图如图15所示。

图15 手部骨骼仿真三维设计图

3 运动仿真研究

3.1 等速法运动仿真

运用CAE（计算机辅助工程）建立食指与拇指的线性模型，如图16所示。

图16 食指与拇指线性模型图

根据手指的实际运动情况，取手指的运动范围为5.2～10.5rad/s，其运动与对应参数如表3所示。

屈伸运动仿真设手指完全伸直状态为起始状态，仿真15s后，食指掌指关节弯曲90°、近端指关节弯曲105°、远端指关节弯曲90°；拇指腕掌关节弯屈20°掌指关节弯屈90°、指间关节弯屈90°。旋前运动仿真起始状态不变，仿真4秒后，拇指腕掌关节向前旋转20°，掌指关节与指节关节的弯曲角度都为0°如图17所示[7]。

表3 运动参数表

图17 运动仿真图

运用Motion进行动态等速仿真，运用“结果和图解”功能导出自变量与因变量的运动曲线图，食指掌指关节与拇指掌指关节运动相似。以食指为例，食指掌指关节选取6rad/s，仿真15s，角位移等速由0°变化至90°，角加速度为0，如图18所示。

拇指屈-伸运动仿真算例生成后，用Motion仿真进行运行动态仿真，然后再利用SolidWorks软件的“结果和图解”功能导出自变量与因变量的运动曲线图，其中曲线图的曲线类型采用立方样条曲线，并保存导出的图解。

3.2 收扩运动仿真

设收扩运动中外扩为正，内收为负，食指、中指、无名指和小指的运动速度-时间参数如表4所示。

欧盟食品安全监管局具有更雄厚的资金，职责非常明确，实际运作独立，能促使欧盟食品安全监管体系的完善，也会增强欧盟成员国自身的国际地位。在该程度上，不仅能达到整体的标准化，也能为食品安全标准提供科学依据。不仅如此，欧洲食品监管权力机构的形成，也需要食品卫生和科研机构之间的合作，统一分析食品安全问题，对有关的食品进行全面分析，还需要加强食品安全监管标准的统一化，以维护欧盟各国食品销售工作和生产运输工作的安全性。

图18 食指屈伸运动仿真曲线

四指收扩运动自由度极限位置仿真过程截图如图19所示[8]。

在食指、中指、无名指和小指的十字万向节处分别使用4个微型电动机，其控制过程如图20所示。食指电机运动控制为0～10s和20～30s，小指电机运动控制为10～30s，中指与无名指20～30s。

3.3 仿真运动可靠性验证

如图16所示，角速度与角加速度轨迹均从0开始并

图19 收扩运动图

图20 电机控制图

表4 收扩运动参数

【】【】以0结束，连续且无突变，故既无刚性冲击又无柔性冲击，符合摆线运动规律[9]。

角位移：

角速度：

角加速度：

上式中i=1、2、3为别表示腕掌关节、掌指关节、指间关节；θi0分别表示腕掌关节、掌指关节、指节关节绕图2的X轴旋转所转过的角度；t0为整个运动用时；t为时间变量。

利用SolidWorks软件导出食指、拇指仿真运动的角位移变化数据及曲线图。以掌指关节为例，取输出数据，带入式(1)得出角度位移θ2，与输出曲线进行对比，如表5所示。得出仿真数据与曲线满足摆线运动规律，仿真数据合理可靠。

4 结论

本文基于SolidWorks软件进行了手部骨骼机器人总体机构设计、骨骼连接设计、骨骼结构设计；并运用等速法运动仿真手指屈伸及收扩运动。同时，通过Simulation插件还可运用数据点法和跟踪轨迹法进行运动仿真。最后，通过多种方法导出的数据表明该运动仿真满足摆线运动规律。随着康复机器人在康复医疗器械的兴起，手部外骨骼机器人的研究为脑卒中等患者中后期的康复治疗具有重大意义，本文基于SolidWords的手部机器人运动仿真研究为手部外骨骼康复机器人机构设计及控制系统的研究奠定基础。