刘洪波，耿德旭，刘齐，祝燕

(1.北华大学工程训练中心，吉林吉林 132021；2.北华大学护理学院，吉林吉林 132013)

0 前言

作为手臂和手爪之间的重要连接部件，手腕主要用来调整手爪的空间位姿以及确定手爪与目标物体的接触状态，是人类使用较多且易受损伤的关节。随着老龄化程度的不断加剧，中风患者和行动缺失患者群体数量呈逐年增加的趋势，其中近2/3的患者会出现手臂麻痹和失能[1]。为解决手臂，尤其是腕部失能人群的术后康复训练等问题,国内外许多学者对手腕康复机器人开展深入研究。赵耀虹等[2]研制了一款3-RRP 球面并联的柔顺手腕，该手腕具有三个自由度，能够实现掌屈/背伸、尺偏/桡偏和旋转运动，可用于腕关节康复训练。LUO等[3]研究了一种三自由度的适用于前臂和手腕的康复架，但其结构较为笨重，携带困难。MARTINEZ等[4]通过3组转动关节串联制成了一种用于腕部的康复训练器，但整体刚性较大，柔性不足。

目前，多数手腕康复训练器为刚性结构，虽然能够保证定位精度和承载能力，但整体柔顺性不足，人机安全性差。因此，如何将弹性材料引入手腕本体，使它具有结构上的柔顺性成为解决上述难题的一个重要途径。PRATT和WILLIAMSON[5]最早提出采用串联弹性驱动器解决输出力可控可调的问题，其结构设想被广泛应用到医疗康复、服务、人机协作等机器人上。KATO等[6]利用3个气动柔性驱动器研制了一种可穿戴式手腕康复器，可对佩戴在人体手腕的设备进行位置跟踪和姿态控制。SAITO等[7]设计了一种由气动人工肌肉驱动的球形手腕机器人，可通过各人工肌肉收缩量间的协调配合精确控制手腕姿态。彭媛[8]研制了一款由形状记忆合金驱动的手腕，实现了俯仰、横摆功能，运动范围可达±45°。刘伟等人[9]基于2SPS/U并联机构研制了一款绳索驱动串并混联肘腕康复机器人，具有柔弹性好、惯性冲击小等优点，保证了康复训练的安全性、舒适性。

为解决脑外伤和中风等患者术后腕部康复训练等问题，本文作者采用伸长型气动人工肌肉与球形制动器相并联的结构，研制一种气动柔性手腕，搭建动力学实验平台，分别在不同阻尼情况下(即制动器是否工作)对手腕进行2种激励信号(阶跃和脉冲)动力学实验，分析得到阻尼对手腕动力学性能的影响规律。

1 手腕结构与功能

如图1所示，柔性手腕由圆周均布的4根轴向伸长型气动肌肉[10]和中间的一个气动环形制动器并联而成，具有2个自由度、2个机动度，每相邻2个人工肌肉同时驱动可实现手腕的俯仰和横摆运动，如图2所示。气动肌肉距离中心45 mm，圆周90°均布。制动器为薄壁球体结构，如图3所示，主要由上/下球座、限位片、制动片和鼓形气囊组成。手腕整体为圆柱状结构，直径为110 mm、高为100 mm、质量为540 g。为保证手腕整体变形协调，在轴向50 mm处增添一个保持架，连接4根人工肌肉，如图2所示。

如图3所示，制动器安装时，气囊、制动片和上球座之间存在初始间隙(T1和T2)，手腕此刻可以自由弯曲。当外界负载发生变化或任务需要时，制动器工作，实现加压制动。其工作原理如下：压缩气体由进气管进入鼓形气囊后，气囊受压膨胀，由于上下限位片限制了气囊的轴向膨胀，只能沿径向膨胀，推动制动片与上球座接产生正压力，增大了二者间的摩擦力，阻碍了相对运动，进而实现制动；制动力大小与通入气压值成正比；泄压后，在气囊自身弹性作用下，制动各零部件恢复到初始位置，制动力减少至0，制动失效。因此，该柔性手腕可通过不同驱动肌肉的协调配合实现类人手腕的俯仰和横摆，且能够根据任务需要，通过制动器加压制动，实现位置保持。

2 手腕动力学实验研究

利用图4所示的动力学实验原理，采用单一变量(制动器是否工作)对手腕进行不同激励信号下的动力学对比实验。实验装置由三维运动捕捉系统(型号：Optotrak)、气源、控制平台和气动元件等组成，如图5所示。通过PLC编程控制系统输出激励信号，然后由三维运动捕捉系统对手腕上的标记点进行捕捉和追踪，获得不同时刻手腕动态数据(位置矢量、速度和加速度等)。具体实验条件如表1所示。

表1 实验条件

2.1 阶跃激励下时域响应对比分析

图6所示为手腕自由变形时，在不同气压激励下的阶跃时域响应曲线。可知：手腕达到稳态时，超调量几乎为0，属于过阻尼系统，且弯曲角度与驱动气压呈正比。在充气过程中，随着气压的增加，手腕弯曲角度的增速增加。

图7所示为驱动气压为0.30 MPa时，不同阻尼对手腕阶跃激励时域响应对比曲线。可知：随着制动器工作气压的增加，阻尼逐渐增大，手腕达到稳态时的弯曲角度逐渐减少。

2.2 脉冲激励下时域响应对比分析

2.2.1 无制动时脉冲激励响应分析

图8所示为手腕在驱动气压0.30 MPa时，不同脉宽(0.5、1.0、1.5 s)激励下的时域响应曲线。可知：脉宽0.5 s时，弯曲角度一直呈缓慢增加的趋势，未达到稳态值；脉宽为1.0、1.5 s时，手腕形变达到稳态位置，且二者稳态值误差较小，基本一致，说明手腕重复定位精度较高。

图9所示为脉宽为1.5 s时，不同驱动气压0.10、0.20、0.30 MPa激励下的脉冲响应曲线。可知：随着气压的增加，手腕达到稳态位置时的弯曲角度增大。卸压过程中，由于气压刚度逐渐消失，手腕整体刚度下降，导致手腕存在一定的抖动。

2.2.2 制动时脉冲时域响应分析

采用脉宽1.5 s的激励信号，设定驱动气压分别是0.10、0.20、0.30 MPa，分析不同阻尼(通过调节制动器的工作气压)对手腕动力学性能的影响，结果如图10所示。可知：随着制动器工作气压的增加，手腕达到稳态时的弯曲角度逐渐减少；在驱动肌肉卸压过程中，手腕恢复到平衡位置的振幅随着制动器工作气压的增加而逐渐减少。由于制动器一直处于工作状态，手腕恢复到平衡位置与初始位置存在一定偏差，且该偏差与制动器工作气压成正比。

2.3 频域响应分析

利用三维运动捕捉系统获得了手腕在不同阻尼下的脉冲时域响应，如图8—图10所示。对上述脉冲激励下数据进行傅里叶变换处理可得驱动气压、制动气压、脉宽等因素对手腕固有频率的影响规律，结果如图11—图13所示。

由图11可知：脉宽对手腕固有频率的影响存在一个阈值(即该脉宽下手腕弯曲变形是否已经达到稳态值)，当脉宽值大于阈值时，如脉宽1.0、1.5 s，不同脉宽对手腕固有频率没有影响；当脉宽值小于阈值时，如脉宽为0.5 s，手腕固有频率受脉宽和驱动气压的双重影响。

对图11中的数据进一步处理分析，可得不同脉宽时，手腕固有频率随气压变化曲线，如图12所示。可知：脉宽相同时，随着气压的增加，手腕固有频率逐渐减少。这主要是因为随着驱动气压的增加，手腕弯曲变形程度逐渐加剧，导致其整体刚度减弱，固有频率随之降低。

图13所示为驱动气压0.30 MPa、脉宽1.5 s下不同阻尼对手腕固有频率影响幅频特性曲线。可知：手腕固有频率与阻尼无关，始终为1 Hz；手腕泄压后的振幅随着阻尼的增加逐渐减小。由此可知，增大阻尼可有效减小手腕抖动，减少冲击，使其尽快达到稳态。

3 结论

研制了一种阻尼可调的气动柔性手腕，该手腕具有2个自由度和2个机动度，能够实现俯仰、横摆运动，且能根据任务需要，实现位置保持。采用三维运动捕捉系统对手腕进行了动力学实验，获得了不同激励信号和不同阻尼下手腕的时域和频域特性，得到以下结论：

(1)脉宽相同时，随着驱动气压的增加，手腕固有频率逐渐降低，且主要集中在低频区；

(2)脉宽对手腕固有频率的影响存在一个阈值(即该脉宽下手腕弯曲变形是否已经达到稳态值)；当脉宽值大于阈值时，不同脉宽对手腕固有频率没有影响；当脉宽值小于阈值时，手腕固有频率受脉宽和驱动气压的双重影响；

(3)固有频率与阻尼的大小无关，但增大阻尼可有效减小手腕形变达到稳态的弯曲角度，同时还可增加振幅衰减速度。