一种新型肌腱-连杆双模态灵巧手指的设计与分析

1、一种新型肌腱-连杆双模态灵巧手指的设计与分析摘要：本研究设计了一种具有内收外展功能的新型仿生假手指机械结构。基于欠驱动理念，通过连杆机 构实现仿生手指的内收外展功能，联合腱绳传动实现仿生手指的屈曲伸展运动。通过研究该肌腱-连杆双 模态仿生手指结构的运动原理，提出了 一种分离合成式数学模型$通过仿真对仿生手指的屈曲伸展和内收 外展运动进了校验分析，结果表明食指、无名指和小指的内收外展运动角度范围分别为0 25。,0 15。和0 35。，屈曲伸展运动符合人手正常运动情况$仿真实验验证了本研究所设计结构的正确性和可行性。关键词：肌腱传动；连杆传动；内收外展;运动学;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引言手的高度灵活性使人们能够完成各种复杂的动 作，其功能的缺失给患者带来诸多不便。为提高截 肢患者的生活质量，国内外一直致力于研究仿生手 的机械设计1-3 $国外的典型代表为Michelangelo、 i - Limb! Bebionic 假手$ Michelangdlo 假手使用 两个肌电传感器捕获前臂肌电信号进行假手控制， 特殊的手指对齐方式配合拇指能实现七种抓握模 式，腕部屈伸功能可锁定在八个不同位置

6、角度;i -Limb假手使用两个电极进行控制信号的采集，每 个手指由驱动器进行控制，可实现五指单独的屈曲 伸展运动；Bebionic假手中采用直流电机丝杆并 结合连杆实现四指的传动控制，拇指采用电机齿轮 传动实现假手6自由度11关节的运动$上海交 通大学研制的一种五指仿生假手采用连续体差速机DIP和MCP的串联机构Fig. 1 The structure of the index fingerDIP和MCP的串联机构Fig. 1 The structure of the index finger2. 2内收外展结构设计人手的真实活动中，每根手指均可进行单独的 内收外展运动，但在抓取物体时,五根

7、手指会以一定 的协同运动成形成特定的抓取姿势，而非单独运 动$本研究中四连杆机构采用欠驱动设计理念，使 用一个舵机使仿生手四指同时做内收外展运动，其Fig. 2 The diagram of the movement驱动舵机固定在手掌内盖上，舵盘与舵机上的 齿轮固连，舵盘、连杆1、连杆2、连杆3之间铰接，其 中连杆3与手掌内盖铰接，以维持整个连杆的相对 位置;连杆1的另一端与小指掌骨关节铰接，连杆4 的两端分别于连杆3和食指的掌骨关节铰接，通过 驱动舵机可带动食指和小指产生相对转动；连杆5 的两端与小指和无名指的掌骨关节铰接，可通过小 指掌骨关节的转动带动无名指掌骨关节的转动。3结构建模及运动

8、学分析为简化仿生手的运动学分析，本研究提出了一 种分离合成式机器人运动学分析方法，即对仿生手构，可实现简单的手指弯曲伸展以及联合运动囱， 华中科技大学采用欠驱动方式，使用4个电机控制 五根手指完成简单的抓握功能哈尔滨工业大学 研制了四代假手，其中的第三代假手采用欠驱 动连杆传动方式，具备大拇指和食指的自适应抓取 功能，第四代假手的手指可进行单独驱动并使用特 殊的连杆机构实现五指的耦合运动。上述仿生假手能够实现手部的抓握功能，但均 未充分考虑设计手指的内收外展功能，且刚性结构 造成假手柔顺性不足M $本研究依照仿生学并结 合人手特点,设计了一种新型欠驱动仿生灵巧手，它 不仅能实现常规的包络抓取，

9、而且能够实现指尖抓 取和指侧间抓取，具有高度的仿生性以及灵活性。 该仿生手的手指结构采用单驱动方式实现手指的掌 指关节、中指关节和远指关节的耦合运动，与传统电 机加连杆、电机加齿轮传动方式不同，本研究设计的 仿生手采用舵机加腱绳和连杆双模态传动方式，使 结构设计得更加紧凑。2手指结构设计本研究基于仿生学理念,参照人手国标尺寸设 计了手指结构，包括食指、中指、无名指、小指和拇 指。每个手指均由舵机加腱绳进行单独驱动，实现 其屈曲伸展运动;在四指的掌指关节处采用欠驱动 原理创新性设计了一种四连杆机构，由一个舵机驱 动，可实现仿生手四指的内收外展功能。整体具有 高度的仿生性和灵活性。2.1屈曲伸展结

10、构设计手指的外形是参照人手的结构参数进行设计, 五指的传动方式均由舵机加腱绳进行控制。本研究 以食指的相关结构为例，见图1$为降低控制的复 杂性，假手的近指关节（PIP）、远指关节（DIP）和掌 骨关节（MCP）设计成耦合运动，为增加手指的灵活 性，在手指的每个掌指关节处增加了内收外展的自 由度，单个手指总共具有4个自由度,可联合实现包 络抓取，指尖抓取和指侧间抓取功能$由肌腱传动原则,仿生手的四指利用腱绳和滑 轮完成相互运动间的传递$在DIP和PIP处设计有 微型法兰轴承，在MCP处设计有滑轮，每个手指由 3个部件组成，每个部件内部均设计有线道,手指指 尖均设计有线钩，腱绳通过线道在法兰轴承

11、和滑轮 之间进行摆布并缠绕在线钩上。DIP、PIP和MCP 关节处均安装有扭簧用于实现各关节的屈曲和伸展 动作,单个手指是由一个舵机驱动PIP,并同时带动图3四连杆三维模型Fig. 3 3D model of the four 图3四连杆三维模型Fig. 3 3D model of the four - link手指各参数按中国成年人人体尺寸标准设计, 手指各关节弯曲角度在8010014，以食指为例, 其结构参数见表1$表1食指参数Table 1 The parameters of the index finger：-1 T - Rot( )，!$ 一J Trans( * $ 一1,0,0)R

12、ot( ,，$) Tran=( 0,+ ,-$_)( 1)/图4食指D-H坐标系Fig. 4 D 一 H coordinate system of index finger式中,$-1 T表示坐标系$相对于坐标系$ -1的 变换矩阵;Rot(),!, _1)和Rot(分别为绕=和L轴的变化矩阵;Trans( *,一# ,0,0)和 Trans( 0,0,-,一#) 分别为沿=和l轴的平移变换矩阵。由4矩阵连乘 可知,-1 T的变换通式为：的屈曲伸展运动和内收外展运动进行单独分析，其 最终运动轨迹应是两种运动分析结果的合成。3.1结构建模及参数设计为了给假手零件开发和运动学分析作基础，本研究建立

13、了手部结构的三维模型，见图1、图3$名称长度(mm)运动角度(。)远指节2090中指节3090基指节4090手指内收外展的角度范围一般在30。40。之 间,根据此范围进行四连杆尺寸的设计见表2$表2连杆尺寸参数Table 2 The parameters of the four - link连杆号12345长度( mm)12201516183. 2屈曲伸展运动学分析D-H表示法是机器人运动学分析中比较常用 的方法，其可以分析出关节活动角度与末端执行器 之间的关系。手指整体是一个串联结构，采用D - H建模分析方法可以求出每个手指指尖相对于掌指 关节基坐标系的空间位姿关系，本研究以食指为 例进行

14、分析,建立其D-H坐标系，见图4 (图中l轴 均垂直纸面向外)。表3 D-H参数表Table 3 The parameters table of D 一 H连杆,3%,_1#$_110002&20030)20可采用D-H坐标法中的坐标系链式法则可知 其基础变换方程为：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) #根据式(2)和表3所

15、示连杆参数,可求得各连杆变换矩阵如下：-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-各连杆变换矩阵相乘，可得仿生手指的变换矩 阵：3 T =: ( &1) 2 (&2 ) 2 (&3 )假设远指关节相对基坐标系的矩阵为:(3),(3)Ol-0 0 0P,Pl1 -式中，$, n2T是远指关节的,3轴在基 坐标系中的方向矢量；。，。，。T是远指关节的 ,3轴在基坐标系中的方向矢量；Ol-0 0 0P,Pl1 -指关节的L3轴在基坐标系中方向矢量; P, P, P

16、l T是远指关节在基坐标系中位置。联立上式可求出仿生手远指关节的运动学基本 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)连杆名称长度角速度角加速度AB舵盘Z1J11BC连杆2Z2w22CE连杆3Z3J3连杆名称长度角速度角加速度AB舵盘Z1J11BC连杆2Z2w22CE连杆3Z3J33EF连杆4

17、Z4J44FG食指Z5J55图5中1、匕、2、匕分别是AD两点水平距 离、AD两点垂直距离、DG两点水平距离、DG两点 垂直距离。图5中各参数含义见表5$表5连杆参数含义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)内收外展

18、运动学分析本结构中每根手指的内收外展运动均采用连杆 进行传动，其运动学分析方法都是相似的，为避免繁 琐，本次运动学分析仅对食指进行较详细的描述，其 它手指采用食指的分析方法均可实现运动学的探 索，运用解析法K建立其运动学模型，见图5$3. 3图5内收外展原理Fig. 5 Principle of adduction and abduction4顽 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 联立上式，即得连杆的位移公式：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 $根据式(10)对时间5进行一次和两次求导，即 可分别得出手指运动的角速度和角速度的表达式。4仿真与验证在理论上经过上述对仿生手相关机械结构的运 动分析之后,为验证所分析模型的合理性，本研究使 用ADAMS对仿生手食指结构进行了运动学仿真分 析，获得各关节运动角度范围，然后将其代入上述分 析公式并利用MATLAB编程对上述所建立的食指 运动学模型进行拟合，最后与ADAMS分析结果做 对比验证其合理性。图6屈曲伸展仿真根据表1、表2和食指运动学理论模型，使用 ADAMS进行运动仿真。仿真时忽略各关节之间的 摩擦效应，并在舵盘处和对应关节处施加驱动，建立 的

21、屈曲伸展仿真模型和内收外展仿真模型见图6、 图7 图6屈曲伸展仿真Fig. 6 Simulation of flexion and extension图7内收外展仿真Fig. 7 Simulation of adduction and stretch同时利用MATLAB进行理论求解，其仿真结果以及理论计算结果见图8、图9 $Fig. 880 -70 -* XFig. 880 -70 -* X轴位移仿真.y轴位移仿真 x轴位移理论图8屈曲伸展分析294of 14x10； and extension353025105通2015小指仿真 一-小指理论-一无名指仿真+无名指理论 3025105通2015小指仿真 一-小指理论-一无名指仿真+无名指理论 食指仿真 食指理论图9 内收外展分析Fig. 9 2he analysis of adduction and stretch由图8可知，不管是在ADAMS中还是在MATLAB 中,仿生手食指的屈曲伸展运动仿真曲线和与 其相对应的理论曲线基本保持一致，验证了本研究 所建立仿生手运动模型的准确性与合理性。由图9 可知，内收外展运动的仿真曲线和理论拟合曲线基 本一致。同时,本研究所设