智能仿生假手结构设计与研究

2022-07-07范虓杰邹任玲李成浩覃冬雲胡秀枋

生物医学工程学进展 2022年2期

范虓杰，邹任玲，李成浩，覃冬雲，胡秀枋

上海理工大学健康科学与工程学院（上海， 200093）

0 引言

仿生假手能帮助肢体障碍患者完成日常生活和工作的基本动作要求，具有重要的临床意义［1］。当前国内外仿生假手研究的热点是在紧凑的结构中实现高自由度、灵巧的动作［2］。2016 年，诺维萨德大学设计了一款拇指具有侧摆功能的仿生手，展现出较好的灵活性［3］。2017 年，意大利Controzzi 研发的SSSA-MyHand［4］仅用3 个电机实现了仿生手，具有较好的抓取能力，但无法实现指关节的小范围旋转，限制了抓握空间。2020 年，意大利团队制作的一款包含手部和腕部的仿生手”The Hannes Hand”［5］，传动机构采用复杂的欠驱动结构，可以实现90% 的人手功能。我国仿生手起步较晚，比较典型的是东南大学与丹阳假肢厂合作设计的肌电假手，可以通过识别肌电信号完成8 种手势动作，完成动作又快又准［6］。

上述设计在实现仿生手抓握功能时都展现出了较好的性能，但未能实现四指侧摆功能，在进行如手指的夹持和大型物体抓握等功能上受到限制。因此，本研究基于欠驱动结构设计了一款智能仿生假手，在掌指关节处采用连杆传动来实现四指的侧摆运动，在拇指关节处设计了转向机构，增加抓取空间。并通过仿真实验，验证了设计的科学性和合理性。

1 机械结构设计

人类的手由5 块掌骨、14 块指骨和16 个关节构成［7］，复杂的结构使其具有高自由度，可以满足日常生活中大多数的功能和手势需求。本研究基于解剖学［8］中的人手指骨尺寸和手指各个关节的运动范围，建立了包括四个手指屈伸机构、拇指机构、四指侧摆机构的仿生手模型（见图1）。

图1 仿生手模型Fig.1 Bionic hand model

1.1 单指屈伸结构设计

拇指外的四根手指（以下简称四指）包括掌指关节、近端指间关节和远端指间关节，通过和韧带与相应肌肉协同配合完成屈曲、伸展等动作［9］。设计其近指尖关节和远指尖关节做耦合运动，通过蜗轮蜗杆的配合传递、齿轮组的传动、连杆机构的运动实现手指机构的屈曲伸展运动，其结构见图2。

图2 食指结构图Fig.2 Structure of the index finger

1.2 四指侧摆结构设计

为实现手指夹持功能，设计四指在掌指关节处耦合，通过四个指根异形连杆机构，实现四指的侧摆功能，其结构见图3。

图3 四指侧摆运动结构Fig.3 Structure of swing movement of four fingers

1.3 拇指结构设计

拇指包括第一腕掌关节、掌指关节和拇指之间关节，通过和韧带关联与相应肌肉配合完成屈曲、伸展、外展和内收等动作，使拇指具有很大的活动范围［10］。为实现这一特点，设计了拇指转向机构（见图4），通过滚动轴承的底座与手掌相连，在电机的驱动下，通过滚动轴承内圈的转动实现绕指掌关节处的旋动，通过锥齿轮间的配合带动相连的拇指机构实现拇指的转向，使仿生手具备更好的抓握能力。

图4 拇指转向机构结构图Fig.4 Structure of the thumb stcering mechanism

2 运动学建模及分析

为了验证仿生手的运动效果和设计的合理性，对所设计的仿生手进行运动学建模，求解机械手指的末端位置和姿态，确定其运动轨迹［11］。

2.1 手指屈伸运动学分析

以单个手指为例建立其几何模型，求解手指末端位置P与掌指关节运动角度θ1之间的关系，进一步建立电机位置和手指末端运动的关系，建立单指关节坐标系简图，见图5。以A 点为原点，设AB=L1，BE=L2，DE=L3，PF=L4，FP=L5，FG=L6，PG=L7，CG=L8，B=(L1cosθ1,L1sinθ1)，E(L3cosθ2-a,L3sinθ2+b)，D=(-a,b)。