（机械电子工程专业论文）基于adams外骨髓康复机械手的设计和仿真分析.pdf

a b s t r a c t f i l ll l l 1 l l l l 1 1 l l ll l l 1 l 1 1 l li l l i l li ii y 2 2 5 9 4 9 8 e x o s k e l e t o nr e h a b i l i t a t i o nm a n i p u l a t o rs y s t e mi so n eo ft h ei m p o r t a n tb r a n c h e si nt h e f i e l do ft h er o b o t s ，i tw a sa s y s t e mw h i c hw a ss i m i l a rt oh u m a nh a n df i n g e rj o i n t sa n di t s ae x t e r n a ls y s t e mw a sa t t a c h e dt ot h eh u m a n sh a n d s i nt h i sp a p e r , f r o mt h ep o i n to f v i e wo fc a r r y i n go nt h ea n a l y s i sa th u m a nh a n dm o t i o np r i n c i p l e ，a c c o r d i n gt ot h e s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fh u m a nh a n da n df u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t so fw e a r a b l e e x o s k e l e t o nf i n g e rr e h a b i l i t a t i o nm a n i p u l a t o r , a n db a s e do nt h ed e s i g no fm a c h i n e r y s t r u c t u r ei nt h eo r i g i n a le x o s k e l e t o nr e h a b i l i t a t i o nm a n i p u l a t o r , w o r kw a sd o n ea st h e f o l l o w i n g ： 1 t h er e v i e w e do ft h ee x o s k e l e t o nh a n dr e h a b i l i t a t i o nm a n i p u l a t o r t h ed o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a lr e s e a r c hs t a t u so fe x o s k e l e t o nh a n dr e h a b i l i t a t i o n m a n i p u l a t o rw a si n t r o d u c e d r e f e rt o t h er e l a t e dr e f e r e n c em a t e r i a l ；u n d e r s t a n dt h e f u n c t i o n so ft h ee x o s k e l e t o n m a n i p u l a t o r i nt h e a u x i l i a r yp a t i e n t sf o rm e d i c a l r e h a b i l i t a t i o na n dt h ee x o s k e l e t o nh a n dr e h a b i l i t a t i o n m a n i p u l a t o r s t r u c t u r ew e r e d e s i g n e d 2 t h es t r u c t u r ed e s i g no f t h ee x o s k e l e t o nh a n dr e h a b i l i t a t i o nm a n i p u l a t o r t h ee x i s t i n ge x o s k e l e t o nh a n dr e h a b i l i t a t i o ne q u i p m e n tw a sa n a l y z e da n dr e f i n e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em a n m a c h i n ec o o p e r a t i o na n dc o n s i d e r i n gt h e h u m a nf i n g e rs t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ef u n c t i o no fw e a r a b l ee x o s k e l e t o nh a n d r e h a b i l i t a t i o n m a n i p u l a t o r u s i n gt h es o f t w a r ep r o e ，t h ee x i s t i n ge x o s k e l e t o nh a n d r e h a b i l i t a t i o nm a n i p u l a t o rw a si m p r o v e dt h es t r u c t u r eo ft h ed e s i g n ；t h ee x o s k e l e t o nh a n d r e h a b i l i t a t i o nm a n i p u l a t o rc o u l da s s i s th u m a nh a n dr e h a b i l i t a t i o n t h ee x o s k e l e t o nh a n d r e h a b i l i t a t i o nm a n i p u l a t o rs t r u c t u r ep r i n c i p l ew a si l l u s t r a t e di nt h i sp a p e r 3 t h ek i n e m a t i ca n a l y s i so fe x o s k e l e t o nh a n dr e h a b i l i t a t i o nm a n i p u l a t o rb a s e do n a d a m s u s i n gt h ed - h m e t h o do f c o n n e c t i n gr o dc o o r d i n a t es y s t e m ，t h r e ek n u c k l ea n ds e c o n d k n u c k l ee x o s k e l e t o nm a n i p u l a t o rm o v e m e n tm o d e lw a se s t a b l i s h e d s e p a r a t e l yc a r r i e do n t h et w oc a s e so fk i n e m a t i c sa n a l y s i sa n dt h et w ok i n d so fa n a l y s i sr e s u l t sa r ec o m p a r e d v e r i f yt h ec o r r e c t n e s so f t h ed e s i g ni d e ao f t h i ss u b j e c t 4 t h ed y n a m i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no fe x o s k e l e t o nh a n dr e h a b i l i t a t i o n m a n i p u l a t o r u s i n gt h es e c o n dt r a n s f o r m a t i o nm e t h o da n dt h es e c o n do r d e rl a g r a n g ei n v e r s e d y n a m i c sm e t h o df o re x o s k e l e t o n sr e h a b i l i t a t i o nm a n i p u l a t o rt oc a l c u l a t eo u to ft h e d r i v i n gf o r c e ；b a s e do nd a l e m b e r t sp r i n c i p l eo fn e w t o n e u l e r ，sm e t h o d t h e e x o s k e l e t o n f i n g e r r e h a b i l i t a t i o n m a n i p u l a t o rd y n a m i c se q u a t i o nw a se s t a b l i s h e d ， e x o s k e l e t o n sr e h a b i l i t a t i o nm a n i p u l a t o rj o i n tm o m e n tw a sl e to u ta n dt h ee x o s k e l e t o n r e h a b i l i t a t i o nm a n i p u l a t o rd y n a m i c sa n a l y s i sw a sc o m p l e t e d t h ed y n a m i cs i m u l a t i o no f e x o s k e l e t o n sr e h a b i l i t a t i o nm a n i p u l a t o rf i n g e r si nt h et w od i f f e r e n th y p o t h e s e s t h e p a p e r a s s u m e dt h et h r e ek n u c k l e so fh a n d si n t o t w ok n u c k l e s ；t h ee x o s k e l e t o nh a n d r e h a b i l i t a t i o nm a n i p u l a t o rw a sd e s i g n e dt ob et h et w o k n u c k l er e c o v e r ye q u i p m e n t t h e f i r s tk i n dh y p o t h e s i sa s s u m e dt h a tu n d e rt h ei d e a lc o n d i t i o ne x o s k e l e t o n m a n i p u l a t o rt w o k n u c k l ep l a c ed i dn o th a v ee x t e r n a l f o r c e ，a f t e rr e p e a t e dt e s tf o rac o m f o r t a b l eh a n d m o v e m e n to ft h ec y l i n d e rd r i v i n gs p e e dr a n g e ；t h es e c o n dh y p o t h e s i sw a se x o s k e l e t o n f i n g e rr e h a b i l i t a t i o nm a n i p u l a t o ri nt h ea u x i l i a r yp a t i e n t sg r a s p i n gt h ec u pi nt h ep r o c e s s ， t w ok n u c k l e sw e r er e s p e c t i v e l y30 0 nf o r c e ，t h r o u g ha d a m s s i m u l a t i o np l a t f o r ma r e d e d u c e dt h eg r a p ho ft w of i n g e r sd r i v ec y l i n d e rd r i v i n gf o r c e a c c o r d i n gt o t h ed a t a o b t a i n e d ，d r i v ec y l i n d e rp o w e rc a nb ec a l c u l a t e d ，w h i c hw i l lm a k er e a s o n a 【b l ed a r 锄e t e r s f o rt h ea c t u a ld r i v ec y l i n d e rs e l e c t i o n t h ep a r a m e t e rs e l e c t i o nf o rc y l i n d e rp r o v i d e s r e a s o n a b l er e f e r e n c e k e yw o r d s ：e x o s k e l e t o nr e h a b i l i t a t i o nm a n i p u l a t o r ；a d a m s ；k i n e m a t i c s ，a n a l y s i s ： d y n a m i c sa n a l y s i s 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 研究背景1 1 2 1 外骨骼机械手的概述1 1 2 2 外骨骼康复机械手研究的意义2 1 3 外骨骼康复机械手国内外研究现状2 1 3 1 国外研究现状一2 1 3 2 国内研究现状一3 1 4 本文研究的主要内容4 1 4 1 本文研究的主要内容4 1 4 2 本文各章节具体的安排5 第二章外骨骼康复机械手总体结构设计6 2 1 外骨骼康复机械手的结构设计6 2 1 1 手的功能及运动约束6 2 1 2 外骨骼康复机械手的设计原理7 2 2 外骨骼康复机械手的总体结构设计8 2 3 基于p r o e 的外骨骼康复机械手机械结构的改进设计9 2 3 1原有外骨骼康复机械手的结构分析9 2 3 2 外骨骼康复机械手手掌机架部分的改进设计1 0 2 3 3 外骨骼康复机械手手指指节的改进设计1 1 2 4 外骨骼康复机械手的工作原理1 2 第三章基于a d a m s 的外骨骼康复机械手运动学分析l5 3 1 三指节机械手运动模型的运动学分析1 5 3 1 1 三指节虚拟指3 的位姿方程的正向解1 5 3 1 2 连杆变换的相对矩1 6 3 1 3 空间虚拟指3 的速度分析1 8 3 1 4 基于a d a m s 的三指节虚拟指的运动学仿真1 9 3 2 二指节机械手运动模型的运动学分析2 6 3 2 1 二指节虚拟指2 的位姿方程的正向解2 6 3 2 2 虚拟指2 连杆变换的相对矩2 7 3 2 2 空间二指节虚拟指2 的速度分析2 9 3 2 3 a d a m s 对二指节虚拟指2 的运动学仿真3 0 3 3 本章小结3 6 第四章外骨骼康复机械手的动力学分析与仿真3 7 4 1 外骨骼康复机械手的动力学分析一3 7 4 2 外骨骼手指康复机器人动力学分析3 8 4 2 1 外骨骼手指康复机器人的动力学坐标系的确定3 8 4 2 2 外骨骼康复机械手的静力学分析3 8 4 2 3 求解外骨骼康复机械手的驱动力3 9 4 2 4 求解外骨骼康复机械手的驱动力矩4 3 4 3 外骨骼康复机械手的动力学仿真分析4 6 4 3 1 动力学数值计算数据及仿真流程4 6 4 3 2 外骨骼康复机械手三维实体建模导入4 7 4 3 3 动力学仿真参数设置的内容4 8 4 3 4 外骨骼康复机械手的动力学仿真结果分析5 1 4 5 本章小结5 8 第五章总结与展望6 0 5 1 总结6 0 5 2 展望6 0 参考文献6 2 攻读学位期间的研究成果6 4 致 射6 5 学位论文独创性声明6 6 学位论文知识产权权属声明6 6 青岛大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 外骨骼康复机械手是现代新型的一类机器人，它是能够附加在人体表面的一种机 器人，也称之为可以穿戴式的机器人，其主要的作用是辅助人体完成自身不能够实现 或很难实现的动作。在对外骨骼康复机械手的设计方面也有严格要求：1 外骨骼康复 机械手的材料一定要坚固、重量轻、且要有一定弹性，这样才能够保护好使用者穿戴 时不受到机械手的伤害。2 外骨骼康复机械手相关驱动的系统应该是轻型、利于供能、 且应该满足能量充足能够保证机械手在工作时的连续使用。3 外骨骼康复机械手应该 同步人体的正常动作，其中有各个肢体的相关运动、手指指节的运动，就是使机械手 在辅助人体运动时相协调【l 】。 本文首先对原有外骨骼康复机械手进行分析，并对原有外骨骼康复机械手的结构 进行了改进设计。其次是基于p r o e 和a d a m s ，对外骨骼康复机械手的手部外骨骼系 统进行了运动学和动力学研究。本文对外骨骼康复机械手运动学和动力学问题的研究， 是假设在理想的约束下对外骨骼机械手的手指指节部分的运动学和动力学的问题进行 分析，用齐次坐标变换的方法以及拉格朗日法分析力学的第二类方程，推导得出外骨 骼机械手的运动学、动力学的相关方程。然而，本文的分析只是理论的结果，要做出 真实外骨骼康复机械手设备的验证会存在一定的风险，且是低效、昂贵的。因此，本 文运用了计算机的虚拟仿真技术对外骨骼康复机械手进行了模拟仿真，为外骨骼康复 机械手进行实施试验奠定了基础。 虚拟样机仿真技术的研究在很大程度上提高了机械手的研制水平，节省了大量经 费、精力，为机械手的结构优化设计提供有力的依据【2 】。在机械手运动学、动力学的模 拟仿真的研究过程中，通过虚拟样机的仿真技术可以建立模型、进行运动学及动力学 的相关计算、优化设计等，虚拟样机仿真技术能够把它们有机地结合在一起，大大的 提高了工作效率【3 圳。 1 2 研究背景 1 2 1 外骨骼机械手的概述 我们研究的外骨骼机械手是一种为人类提供的可穿戴式的机构实体。目前，外骨 骼机械手的相关研究发展一直处在初步阶段，其中主要原因有三方面：一是能源限制 的问题，外骨骼康复机械手自身驱动的系统要求满足足够的供能需求，保证外骨骼机 青岛大学硕士学位论文 械手能长时间连续的运作。二是材料限制的问题，作为一种能够穿戴在人体上并能随 人体进行同步运动的机械手，其大部分的负荷是需要人体去支撑的，所以对外骨骼机 械手材料的选择应该轻巧，同时还要保证机械手的材料有足够的硬性以及柔韧性。三 是运动上限制的问题，要求外骨骼机械手和人体在运动上有较高的耦合度，也就是要 保证有相当大的协调性，所以运动的实现对一般的机械而言是难以实现的难题。综上， 我们在外骨骼机械手的设计上只有克服了以上这些难题，才能够使得外骨骼机械手的 相关研究发展有质的飞跃。 1 2 2 外骨骼康复机械手研究的意义 随着外骨骼康复机械手技术在康复医学领域的不断发展，在欧美国等国家，医疗 外骨骼康复机械手的发展市场呈逐年上升趋势【5 】。我国和其他国家类似，在老龄化的 人群中存在着许多脑血管疾病及神经科疾病的患者，这些患者中大多都伴有着偏瘫的 症状【6 。”。此外，由其它疾病引起的各种肢体的运动性障碍的病人也在明显的增加，所 以仅通过人工或者简单的康复设备对患者进行康复理疗已远远不能够满足患者病人的 需求。因此，四肢医疗外骨骼康复机械手的研究及其应用发展前景有着较好的发展空 间。 本课题设计的是一种针对人体手部康复的外骨骼康复机械手，利用可穿戴式的外 骨骼机械手系统来驱动患者手指指节的运动，使患者能够模拟在日常的生活中所需要 手部的运动，从而达到人体手部各个关节的运动康复锻炼以及神经功能的康复训练， 使外骨骼康复机械手与人体手指能够协调的运动，从而达到最佳的手部康复训练效果。 1 3 外骨骼康复机械手国内外研究现状 外骨骼康复机械手是工业机器人与医用器人的相互结合，其最终的目标是为了使 人体肌体组织的运动功能得到恢复，从而能够实现人体肌体组织自然化的动作8 1 。外骨 骼康复机械手技术在欧美国家已经得到了普遍的重视 9 1 。 1 3 1 国外研究现状 1 9 8 7 年，英国人m i k et o p p i n g 1 0 1 研制出h a n d y l 康复机械手使一个患有脑瘫的l l 岁男孩能够独立的用餐，它的这个设计结构紧凑、思路新颖，他发明了历史上最成功 的康复机械手。 m a n u s 是一种手臂康复机械手，它是由荷兰的e x a c td y n a m i c s 1 1 】公司研发的。 2 青岛大学硕士学位论文 这个康复机械手可以安装在床边的桌面上或者轮椅上，其工作的范围可以由地面到达 人体站立时候的高度。 日本东京大学的s t a r c h y 教授1 2 1 研发出一种移动式的康复机器人m e l d o g ，它能够 用作类似于导盲犬来帮助盲人完成搬运物体的任务。 2 0 0 3 年，美国的科研人员研发出了针对人体五个手指康复的外骨骼康复机械手 【1 3 】，机械手指端的弯曲伸展带动了整个手指的弯曲伸展运动。 2 0 0 4 年，英国曼彻斯特大学的科研人员设计出一种外骨骼式的康复机械手机构 ( 如图3 所示) ，它采用了模块化的结构设计思想，实现了人体手部四个手指的康复运 动。同时，美国的卡内基梅隆大学机器人研所1 5 1 的科研人员研制出一种新型的手部c p m 机( 如图4 所示) 。 图1 1 外骨骼式手部c p m 机图1 2 气动手部c p m 机 2 0 0 4 2 0 0 5 年，亚利桑那州立大学 1 6 - 17 】设计出气动肌肉和弹簧并联的驱动机构，并 用此驱动机构进一步开发出手部康复的治疗系统、踝部的康复治疗系统以及步态训练 的辅助系统，从而达到恢复患者受伤部位的功能。 2 0 0 5 年，英国的s h a d o w 公司研制出目前世界上最先进的仿人机械手1 8 】。 2 0 0 0 2 0 0 6 年，英m s a f f o r d 大学正在研究1 0 个自由度的下肢外骨骼机器人及仿 人手的远程控制。 1 3 2 国内研究现状 自2 0 世纪9 0 年代以来，我国陆续的开始了外骨骼康复机械手领域的研究。 哈尔滨工业大学开展研究外骨骼式的上肢康复机器人，浙江大学研制出一种可穿 青岛大学硕士学位论文 戴式柔性外骨骼康复机械手【2 0 】。 2 0 0 5 年，车仁炜，吕广明，陆念力【2 1 1 进行了5 自由度的医疗康复机械手的动力学 分析为机械手的优化设计及其控制提供了理论的依据。 2 0 0 5 年，哈尔滨工业大学的王祖温等人【2 2 】设计了气动人工肌肉驱动的有4 自由度 的仿人机械手臂、6 足机器人及外骨骼式的反馈数据手套。 2 0 0 6 年，北京理工大学的彭光正等人口3 1 设计出6 足爬行的机器人和1 7 自由度仿人 的五指灵巧手。 2 0 0 8 年，北京联合大学张丽霞，杨成志【2 4 1 根据拿取非规则物品的任务要求，设计 出五指型的机器手，对实用型的仿人机械手机构的设计具有参考价值。 2 0 0 9 年，杨玉维 2 5 1 等人对轮式悬架的移动2 连杆柔性机械手作出了动力学的研究 与仿真，应用矩阵、矢量构建出该移动柔性机械手系统动力学的模型，并对其进行了 模拟仿真。 2 0 0 9 年，罗志增，顾培民【2 6 】研究出了一种单电机驱动的多手指多关节的机械手。 尽管现在已经出现了多种外骨骼康复机械手，但在康复领域中还有较大的研究空 间。譬如，外骨骼机械手系统的设计与自由度等都需要和人体结构、自由度相互匹配； 对外骨骼机械手的关节位置、关节速度观测以及康复力柔顺控制问题。随着材料、能 源及控制技术的不断发展进步，外骨骼机械手在医疗康复的领域中大有潜力可挖。 1 4 本文研究的主要内容 1 4 1 本文研究的主要内容 1 对国内外的外骨骼康复机械手进行分析研究，对国内外的外骨骼康复机械手进 行分析研究，总结现有外骨骼手指康复设备存在的不足，在课题中对外骨骼康复机械 手结构进行改进设计。 2 对原有外骨骼康复机械手的整体结构进行了改进设计，利用设计软件p r o e 建立外骨骼康复机械手总体的结构模型，并分析了外骨骼康复机械手的结构及其工作 原理。 3 基于a d a m s 平台，对外骨骼康复机械手的手指指节机构进行运动学分析。分别 建立了三指节和二指节外骨骼机械手的运动模型，进行了两种情况下的运动学分析， 再通过a d a m s 平台建立了三指节和两指节手指抓取杯子过程的虚拟模型，对模型施加 两种不同的模型驱动，得出两种驱动下的仿真结果。将两种情况下的分析结果进行比 4 青岛大学硕士学位论文 较，验证了本课题设计思路的正确性。 4 对外骨骼康复机械手的动力学进行仿真分析。用其次变换法和二阶拉格朗日逆 动力学方法求出外骨骼康复机械手的驱动力；基于运动坐标系及达朗贝尔原理的牛顿一 欧拉方法来建立相应的动力学方程求出外骨骼康复机械手关节力矩，完成外骨骼康复 机械手的动力学理论分析。本文将人体手部的三个指节假设成二个指节，把外骨骼康 复机械手设计成为一个二指节的康复设备。首先在理想状态下，外骨骼康复机械手的 两个指节处没有外力作用时，经多次试验得到一个适合人手舒适运动的气缸驱动速度 范围；再假设外骨骼机械手的两个指节处分别受到3 0 0 n 的反作用力时，经过a d a m s 平台仿真计算反推出两个手指驱动气缸的驱动力的曲线图，根据得出的数据可以计算 出驱动气缸的功率，为气缸的选取做出合理的参数依据。 1 4 2 本文各章节具体的安排 图1 3 本文各章节内容安排 青岛大学硕士学位论文 第二章外骨骼康复机械手总体结构设计 本文研究的外骨骼康复机械手在医疗康复领域的应用，其主要的任务是辅助手部 患者进行治疗后的康复训练，能够辅助患者恢复手部健康【2 。 外骨骼康复机械手是一种可穿戴式的机械手，主要功能是辅助人体手指完成手指 指节弯曲伸展的动作。为了能够适应大众人群的手指尺寸，假设人体手指的两个指节 等长度，其长度均为5 0 m m ，本文将按照这一尺寸进行外骨骼康复机械手的设计。 本章从实用的角度对人体手指的运动原理进行分析，利用设计软件p r o e 对已有的 外骨骼手部康复设备进行分析和提炼，根据人机合作的特点，考虑到人体手指结构的 特点以及可穿戴外骨骼康复机械手的功能，对已有外骨骼康复机械手的结构进行改进 设计，使外骨骼康复机械手能够满足辅助人体手部康复的功能，并说明了外骨骼康复 机械手的结构原理。 2 1 外骨骼康复机械手的结构设计 2 1 1 手的功能及运动约束 一个健康人的手指都能够完成指节的弯曲伸展运动。手指的弯曲4 , 展运动是指在 手掌自然水平状态时，手指在纵向垂直平面上的运动，主要是通过手掌指关节和指间 关节之间的转动完成的。 人体手指的运动约束主要分为两类：第一类是由人手生理结构的原因造成的运动约 束；第二类是在人手的运动过程中产生的约束。经查阅相关的资料可知，第一类的约 束主要包括【2 8 】： 0 0 一腰9 0 0 0 8 悱f e 1 1 0 0 n o d i p 一腰9 0 0 1 5 0 一朋1 5 0 一朋= 0 0 其中f e 和a a 分别是代表了人手关节屈伸、内收外展时的自由度。m c p 代表了人手 的指掌关节，p i p 代表了人手的近指关节，d i p 代表了人手的远指关节。 第二类的约束主要在以下的一些情况中体现出来：当人手食指m c p 关节进行弯曲的 时候，中指的m c p 关节也会随着呈现出不同程度下的弯曲现象；m c p 关节弯曲、内收 6 青岛大学硕士学位论文 外展的运动不是两个相互独立的自由度，它们之间包含着特定的约束关系，当人手关 节弯曲时就能够减小人手侧向外展的运动幅度：在人手的运动过程中，各个手指d i p 关节 和p p 关节之间也存在特定的相互约束关系，一般表示式子为【2 8 1 ： 9 9 啪= 三e d i p j 2 1 2 外骨骼康复机械手的设计原理 人体手部共有2 7 个自由度( d e g r e e so ff r e e d o m ，简称d o f ) ，其中有6 个是臂部 的自由度，它们表示出了人手的位置及方向；人体手掌部有2 1 个自由度，每个手指 ( i i v ) 都有4 个自由度，其中，基关节( m p ) 有2 个自由度、中间关节( p i p ) 和末端 关节( d 口) 各有1 个自由度；大拇指有5 个自由度。人手的模型及其关节定义如图2 1 所示。 2 9 1 p 3 p 2 n 图2 1 右手的关节模型 人手具有多个自由度，在满足医疗康复的前提下，为了简化结构、便于外骨骼康 复机械手的模块化设计以及对机械手的动力学分析，本文将手掌定义为“虚拟指l ”，并 作为固定的机架；将除大拇指外的四指视为一体，将四指的指托定义为“虚拟指”，“虚 拟指”的作用是进行相对面的抓取物体，由于在实现抓取物体的过程中，手指的末端指 节发挥作用不大，结合设计结构的方便性，本文假设“虚拟指2 ”只有两个指节，并定 义靠近手掌的指节为“指节1 ”，与“指节1 ”相连的为“指节2 ”。手掌及四指与被抓 杯子的大面积接触，使手有足够的抓取力，同时能够提供足够的摩擦力，因此保证了 最大的抓取力和抓取杯子的稳定性。 因为外骨骼康复机械手是直接对患者的手指进行操作，所以在机械手的结构设计 中，要求外骨骼康复机械手不能与患者手指的运动空间发生干涉，机构不允许对患者 手指产生太大的拉力，所以外骨骼康复机械手对患者手指的固定机构和支撑的机构应 7 青岛大学硕士学位论文 该存在一定的灵活度，便于在康复训练的过程中患者可进行小范围的调整；再考虑到 外骨骼康复机械手是依附在人体手部表面来带动手指运动，故机械手的自由度应该与 人手指的自由度相同；外骨骼康复机械手带动人体手指运动的时候，理想的情况下， 外骨骼机械手的指节运动轴心应该与人体手指指节的运动轴心重合，这样才能够保证 外骨骼机械手手指的运动角度与人体手指指节的运动角度是一样的。 2 2 外骨骼康复机械手的总体结构设计 由于外骨骼康复机械手的操作对象是人体手指，从空间上要解决机构小型化的问 题。为了实现辅助患者手指连续动作，同时也要佩戴方便舒适，本文采用穿戴式外骨 骼式关节型的机械联动装置，采用并联机构设计的，其关节型的结构特点有体积小、 操作的空间大、操作的灵活性能好。 本文外骨骼康复机械手系统在运动的过程中需要实现两个自由度，即两个手指指 节的弯曲自由度。实现这两个弯曲自由度是通过并联机构来实现的。并联机构指的是 运动平台和固定平台之间有两个或两个以上的分支相连，机构具有两个或两个以上的 自由度，并且驱动器分布在不同支路上的机构【3 0 j 。并联机构可以分对称并联机构、不 对称并联机构。所谓对称并联机构指的是机构的各个分支有相同的运动链机构，相反 的称为不对称并联机构。本文外骨骼康复机械手的结构示意图如图2 2 所示。 图2 2 外骨骼康复机械手的机构示意图 由图2 2 可知，本文外骨骼康复机械手系统选取了不对称并联机构。此机构中，中 指关节、近指关节分别是用两个并联运动链进行驱动，这两个并联运动链被约束在外 骨骼康复机械手系统的手掌机架上。在这两个并联的运动链上，驱动的设计是不同的， 因此这是一个不对称的并联机构，根据并联机构的表示方法，这是一个5 一的并联机 构，即在近指关节分支上有5 个运动副，在中指关节分支上有6 个运动副【3 l 】。驱动指节 青岛大学硕士学位论文 动作的气缸1 、气缸2 分别在这两个并联的运动链上，各个节点间是由铰链进行连接的。 外骨骼康复机械手有两个自由度，即“指节1 和“指节2 ”的两个弯曲自由度， 为实现这两个弯曲的自由度，我们用两个气缸分别驱动这两个指节，经过这两个气缸 驱动器建立两个不同的传递分支，这是比较理想的设计思路。由于人体手部两个指节 的弯曲没有相关的规律，“指节1 的弯曲和“指节2 的弯曲没有理论上的相互影响 的生理关系，因此不能采用欠驱动系统进行外骨骼康复机械手的驱动设计，假如采用 前驱动方式进行驱动设计，在实现人手抓取动作的时候，“指节1 ”和“指节2 ”之间 的转动变量就存在着一定比例关系，这与实际不符。综上，双驱动非对称并联机构是 实现本文两自由度外骨骼康复机械手的最佳选择。 外骨骼康复机械手作为一种医疗康复器械不应像工业机械手那样生硬机械的运 动，而是应具有像医护人员那样柔顺安全的工作，这是保证外骨骼康复机械手能顺利 推广的一个重要应用因素。在现实应用过程中，外骨骼康复机械手与患者的手部直接 的接触，考虑到患者手部的生理感受，应该使外骨骼康复机械手的固定装置与患者手 部接触时具有良好的柔顺性、舒适性，其中过紧或者过松的固定及机械手的材料选择 都会直接影响到患者的手部感受。因此，本文外骨骼康复机械手与人体手指固定的部 分选用的是皮带捆绑方式，在外骨骼机械手的固定装置上设计有皮带穿孔，通过这个 穿孔将外骨骼康复机械手与人体的手指固定起来。 外骨骼康复机械手在运动的过程中，应该有平滑、稳定、速度易控制的特点。这 些特点的实现都取决于设备的驱动部分，所以本文外骨骼康复机械手的驱动部分采用 日本s m c 公司的c q 2 系列缸径1 6 无磁性开关通孔式c q 2 b 气缸和c j 2 系列缸径1 0 双作 用气缸【3 l 】。 2 3 基于p r o e 的外骨骼康复机械手机械结构的改进设计 2 3 1 原有外骨骼康复机械手的结构分析 如图2 3 所示原有外骨骼康复机械手的结构图，图中外骨骼机械手指节2 处与人体手 指发生了干涉现象，这样的结构在康复的过程中会使患者手部受伤，所以说原有外骨 骼康复机械手的设计不合理。为了解决这一问题，本文基于p r o e 绘图软件将图2 3 所 示原有外骨骼康复机械手的结构进行了改进设计。 9 青岛大学硕士学位论文 图2 3 原有外骨骼康复机械手的结构图 2 3 2 外骨骼康复机械手手掌机架部分的改进设计 为了外骨骼康复机械手与患者手部腕关节能够良好的配合，使外骨骼机械手更好 地与患者手部固联，本文将原有外骨骼机械手的手部机架部分进行了改进，如图2 4 所 示，将图2 4 中原有外骨骼机械手的手部机架图a ) 改为图b ) 。 笺i 豢。i 娄i i 螽i l 麓 鍪攀 | ；| 爹；萋菱二墨；潮 一 a ) 原有 ? 舞一? 董糍叠囊 j 嚣缝* 蕊豢i 霪? i i 。然i 孽 鬻磐黧鬻鬻i 鬻鬻。鹫 鬟 豢豢豢雾麓蘩溪 羞 图2 4 外骨骼康复机械手手掌部分结构图 b ) 改进后 从图2 4 中可以看出，主要改进是外骨骼康复机械手的手部机架与患者手腕和手掌 连接的部分结构，改进后的手腕结构加大了外骨骼机械手手腕机架和人体手腕接触的 面积，能够使外骨骼机械手与人体手腕完全接触；原有外骨骼手掌机构在与人体手部 接触时可能发生人机的干涉问题，可能使人手部受伤，改进后的手掌机构能够克服原 有外骨骼手掌机构的不足，从而使外骨骼机械手的手掌机架与人体手背良好接触，更 加符合康复设备的要求。 1 0 青岛大学硕士学位论文 2 3 3 外骨骼康复机械手手指指节的改进设计 人体手指在实现抓握杯子的过程中，手指的弯曲需要有相对的旋转，因此有相对 位移的补偿，否则外骨骼康复机械手的手指指节会和人体手指指节发生干涉，导致人 体手部受伤，因此手指指节弯曲时的相对位移补偿问题是外骨骼康复机械手手指设计 时应该考虑的关键因素。由图2 5 中a ) 图所示原有外骨骼机械手的手指指节的设计没有 考虑到人体手指弯曲时的位移补偿要求这一要素，不能够实现外骨骼机械手康复的要 求。为了实现人体手指弯曲时所需的位移补偿，本文将原有外骨骼机械手手指指节改 进设计为如图b ) 所示的结构。经过仿真验证图b ) 中改进后的两个指节能够满足人体 手指指节弯曲的康复要求。 a ) 原有b ) 改进后 c ) 改进后外骨骼机械手指节ld ) 改进后外骨骼机械手指节2 图2 5 外骨骼康复机械手手指的指节结构图 最终改进设计后的外骨骼康复机械手如图2 6 所示。从图2 6 中可以看出外骨骼康复 机械手依附在人体手的外部，能够有效地辅助人体手指完成抓握杯子的康复动作。在 青岛大学硕士学位论文 完成此运动的整个过程中，外骨骼康复机械手与人体手指指节没有干涉的现象，所以 改进设计后的外骨骼康复机械手能够达到理想的康复要求。 图2 6 外骨骼康复机械手抓握杯子的效果图 2 4 外骨骼康复机械手的工作原理 外骨骼康复机械手的两个手指指节的运动原理是完全相同的( 如图2 7 所示) ，两 个手指指节都采用液压气缸作为关节的驱动器。对指节1 来说，为减轻指节1 在人体 手指上的重量，将液压气缸1 放置在手掌的背部，通过气缸1 的推杆驱动着外骨骼机 械手的指节1 运动，指节1 和手掌的关节处与气缸推杆相联的部分采用的是槽装置， 能够起到导向作用，而且能够推动指节1 做旋转运动，进而将外骨骼机械手指节的运 动和力传递到人体手指的指节上，带动着人体的手指做弯曲的动作；同理，对指节2 来说，其结构与指节1 相类似，通过气缸2 的推杆驱动外骨骼机械手的指节2 运动， 指节1 和指节2 的关节处与气缸推杆相联的部分也采用了槽装置，起到导向作用的同 时能够驱动指节2 做旋转运动，将外骨骼机械手指节的运动和力传递到人体手指的指 节上，带动着人体的手指做弯曲动作，实现了驱动气缸1 和指节1 、驱动气缸2 和指节 2 分别以m p 关节、p i p 关节为旋转中心做弯曲抓握的动作，能够完成手指抓握杯子的 康复运动。 1 2 青岛大学硕士学位论文 a ) 外骨骼康复机械手的三维实体图 b ) 外骨骼康复机械手的结构图 图2 7 外骨骼康复机械手的总体结构 1 3 青岛大学硕士学位论文 在康复运动的过程中，外骨骼康复机械手的指节1 、指节2 与人体手指的m p 关 节、p i p 关节的轴线需要时刻保持对齐，这样可以保证外骨骼机械手的康复力始终能够 垂直作用在人体的指骨上，避免外骨骼康复机械手对人体手部指关节软组织的破坏。 为了保证外骨骼康复手指有足够的运动空间，并且保证在康复运动的过程中外骨 骼康复手指与人体手指之间不发生运动干涉，人体四个手指的弯曲f 申展康复运动必须 同步。考虑到外骨骼康复机械手与人体手指运动的一致性和设计过程的复杂程度，我 们将人体手部的四指同时依附在外骨骼机械手的指托上，并且用两个气缸分别驱动外 骨骼机械手的两个指节。以单个外骨骼康复机械手的指节1 为例，外骨骼机械手指节1 的中间有一个可以系附在人体四指上的指托l ( 如图2 7 所示) ，指托l 与指节1 之间 有相对的摆动角度，摆动的角度范围是参考人体手指的活动范围规定的，可以定为 一4 5 0 4 5 0 ，这样可以保证外骨骼康复机械手在带动人体手部四指做同步运动的过程 中，指托和人体手指之间有灵活的相对运动空