（机械电子工程专业论文）仿人型残疾人假手机构及控制的研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 仿人型残疾人假手的研究是为了改善残疾人的生活条件和促进社会康复 事业的发展，这项研究已经成为生物医学工程及机器人学科的一个热点方 向。重量轻、体积小、可靠性高、控制简单和操作灵活是多自由度假手的发 展趋势。本文将欠驱动原理和耦合原理引入到假手的机构设计中，以解决假 手的复杂性和灵活性之间的矛盾，在保证假手重量轻、体积小的同时，使假 手具有很好的操作性能。 本文首先综述国内外灵巧手以及假手的发展现状，分析假手的发展趋 势，在此基础上提出基于欠驱动原理和耦合原理的设计方案。 其次，以驱动器少和重量轻为目标，采用四连杆机构实现手指的欠驱动 和耦合；设计基于扭转弹簧、带轮和齿轮减速的手指驱动机构，使假手具有 很好的灵活性；为了实现抓握不同物体的有效性，通过仿真实验，给出拇指 的布置位置；采用基于霍尔效应的集成霍尔位置传感器，实现手指基关节位 置的非接触测量：设计基于应变测量的基关节力矩传感器及指尖力矩传感 器，分别实现基关节力矩和指尖力矩的测量：并基于模块化和集成化的思想 设计假手的本体结构，实现假手机构、传感、驱动和微处理器系统的集成。 建立假手欠驱动拇指的静力学模型，给出抓握不同物体时驱动力矩和各 指节受力之间的关系，对拇指抓握物体时的稳定性进行分析。进行手指连杆 机构运动学分析，完成手指耦合四连杆的参数设计，确定连杆机构的参数。 最后，采用基于位置的阻抗控制方法，实现手指的柔顺控制，并且用实 验验证假手控制方法的可行性和有效性。 关键词假手：欠驱动：耦合；阻抗控制 哈尔滨t 业大学t 学硕士学位论文 a b s t r a c t t oi m p r o v et h el i v i n gs i t u a t i o no ft h ed i s a b l e da n dt h ed e v e l o p m e n to ft h e i r c o n v a l e s c e n c ea f f a i r s ，h u m a n o i dp r o s t h e t i ch a n dh a v eb e c o m eo n eo ft h em o s t s i g n i f i c a n t f i e l d so fb i o m e d i c a le n g i n e e r i n ga n dr o b o t i c s t h ep u r p o s eo ft h i s r e s e a r c hi st oi n v e n tam u l t i - d e g r e e sp r o s t h e t i ch a n dw i t hl o w w e i g h t ，s m a l l - v o l u m e ，h i g h r e l i a b i l i t y ，e a s y c o n t r o la l g o r i t h ma n ds a t i s f a c t o r y m a n i p u l a t i v e p e r f o r m a n c e t h i sp a p e r i n t r o d u c e sa l li n n o v a t i v eu n d e r a c t u a t i o n t h e o r y a n d c o u p l i n gt h e o r y i tr e s o l v e st h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nm u l t i - d o fa n dd e x t e r i t y o f p r o s t h e t i ch a n d o n t h ep r e m i s eo fl o w w e i g h ta n ds m a l l - v o l u m e ，t h eh a n di s a l s od e x t e r o u se n o u g h f i r s to fa l l ，t h ep a p e rc a r r yo u ta ne x t e n s i v er e s e a r c ho nt h es t a t e o f - t h e - a r t d e v e l o p m e n to f d e x t e r o u sh a n da n dp r o s t h e t i ch a n d ，a n da n a l y z et h ed e v e l o p i n g t r e n do fp r o s t h e t i ch a n d b a s e do nt h i s s t u d y ，ad e s i g n s c h e m eb a s e do n u n d e r a c t u a t i o nt h e o r ya n d c o u p l i n gt h e o r yi sp u tf o r w a r d s e c o n d l y ，o nt h ep r e m i s eo fa f e wd r i v e r sa n dl o w - w e i g h t ，f o u r - l i n k a g e s t r u c t u r ei su s e dt o a c c o m p l i s hu n d e r a c t u a t i o na n dc o u p l i n go ff i n g e r ；d r i v i n g m e c h a n i s mw h i c hi s d e s i g n e d b a s e do n t o r q u es p r i n g ，b e l t w h e e la n d g e a r r e d u c e rm a k es u r et h ed e x t e r i t yo fp r o s t h e t i ch a n d ；s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so f g r a s p i n go b j e c t sw i t hv a r i o u sf i g u r e si sc o m p l e t e dt of i xt h ep o s i t i o no ft h u m b ； i n t e g r a t e dh a l ls e n s o ri sd e s i g n e dt oc o m p l e t en o n e - c o n t a c tm e a s u r i n go fb a s e - j o i n to ff i n g e r ；b a s e - j o i n ta n df i n g e r t i pt o r q u es e n s o rw i t hs t r e s s - m e a s u r i n ga r e d e s i g n e dt om e a s u r e b a s ej o i n ta n df i n g e r t i pt o r q u e ；s t r u c t u r eo f p r o s t h e t i ch a n d i sd e s i g n e dw i t hm o d u l a r i z a t i o na n di n t e g r a t i o nt h i n k i n g ，a n dr e a l i z e di n t e g r a t i n g s t r u c t u r e ，s e n s o r ，c o n t r o l l i n ga n dd r i v i n gc i r c u i ts y s t e mo fp r o s t h e t i ch a n d s t a t i cm o d e l i n go ft h eu n d e r a c t u a t i n gt h u m bo f p r o s t h e t i ch a n di sf o u n d e d a n dt h e r e l a t i o n s h i p o fd r i v i n g t o r q u e a n dr e c e i v e d - f o r c eo fe a c hp h a l a n xi s g a i n e dw h e ng r a s p i n gv a r i o u so b j e c t s t h es t a b i l i t yo ft h et h u m bi ng r a s p i n g o b j e c ti sa n a l y z e da n dl i n k a g ek i n e m a t i c so ff i n g e ri sp u tu p p a r a m e t e ro ft h e c o u p l i n gl i n k a g e sw a sd e s i g n e da n dt h e s t r u c t u r e p a r a m e t e ro ft h ec o u p l i n g l i n k a g e si sm a d e c e r t a i n f i n a l l y , p o s i t i o nb a s e di m p e d a n c ec o n t r o lm e t h o d i ss t u d i e dt or e a l i z e i i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 c o m p l i a n c e c o n t r o lo f f i n g er p r o p e re x p e r i m e n t se v i n c et h e v a l i d i t y a n d f e a s i b i l i t yo f t h ec o n t r o l l i n gm e t h o d s k e y w o r d s p r o s t h e t i ch a n d ：u n d e r a c t u a t i o n ：c o u p l i n g ：i m p e d a n c ec o n t r 0 1 1 1 1 哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 由于交通事故、工伤和疾病等原因，近年来残疾人的数量显著增加，这 是一个世界范围内的问题。根据中圈残疾人联合会的资料统计，全国现有残 疾人总数约6 0 0 0 万人，其中肢体残疾近8 7 7 万人。因此假肢( 包括假 手) 的研究对于残疾人能够进行正常的生活和更好地融入社会是非常重要 的，已经得到了社会各界的高度重视。 现有的商业假手尽管具有3 5 个手指，但是大部分只有1 个自由度， 只能实现简单的张台运动，很难完成复杂的动作。商业假手厂家的典型代表 是德国o t t ob o c k 公司【2 j 。同时，美国、加拿大和英国等也有类似的产品。 由于运动的自由度较少，从而大大降低了假手操作的灵活性。近2 0 年来， 智能的多指机器人灵巧手有了飞速的发展，灵巧手的典型特征是具有多个运 动自由度( 一般大于1 0 个) 和多种感知功能，如关节位置和力矩传感器、 表面皮肤触觉传感器等，其典型代表是德国宇航中心的d l r 。i ，i i 型灵巧手 【3 1 【4 1 和美国宇航局的n a s a 灵巧手【5 j 。但是，灵巧手的体积一般较大，且重 量均在l 公斤以上，需要复杂的外部计算机处理系统，目前很难直接应用于 残疾人的假手。以灵巧手技术为基础，国外许多大学及科研机构进行了多自 由度假手的研究，其中的典型代表是加拿大的t b m 手【6 】和意大利的假手 7 】 等。这些假手均基于传统的驱动原理，只是使手指的自由度和关节数有所减 少，并没有根本上的突破。 欠驱动机构是指在机构中独立控制变量( 驱动单元) 的数量少于系统的 自由度数( 关节数) ，其概念最早是在被动机器人中提出的【8 1 ，主要用于实 现机器人的自身保护功能。加拿大科研机构基于欠驱动机理，采用连杆机构 研制了用于空间机器人的s a r a h 手【9 j 【1 0 】，但是体积较大，非常笨重。本课 题提出采用欠驱动原理解决假手研究中灵活性和复杂性之间的矛盾，其目标 是用较少的驱动器实现尽可能多的转动关节运动，从而提高假手的灵活性和 可操作性，实现不同形状物体的自适应抓取。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 2 残疾人假手的国内外研究现状 最早的假手出现于1 5 0 9 年，当时人们为在战争中失去一只手的年轻战 士b e r l i c h i n g e n 制作了通过弹簧驱动的假手。这只假手在战斗中发挥了很大 的作用，但是在生活中却很不方便i i “。 由t o m o v i c 和b o n i 于1 9 6 0 年研制的b e l g r a d e 手最初就是为南斯拉夫 的一位伤寒病患者而设计的，它被认为是世界上最早的灵巧手l l “。 在太空和无人环境作业的要求下，各国对灵巧手的发展极为重视，各国 都相继研制成功各种不同类型的机器人灵巧手，如美国麻省理工学院和犹他 大学于1 9 8 0 年联合研制成功的u t a h m i t 手，它是。种拟人化的灵巧手 【l 川，美国斯坦福大学研制的s t a n f o r d j p l 手( 又称s a l i s b u r y 手) d 4 ，日本 在1 9 8 4 年研制成功的h i t a c h i 手【】”。2 0 世纪9 0 年代以后，以德国和意大利 为代表的欧洲在灵巧手方面的研究非常活跃，典型代表是意大利研制的 d i s t 手【16 1 、u b 手【17 1 和德国宇航中心研制的d l r 手等p 儿4 1 。美国国家航空 和宇航局约翰逊空间中心于1 9 9 9 年研制成功了n a s a 多指灵巧手等 5 1 。 由于假手主要是为了残疾人能够像常人一样完成一些人手的基本活动， 而灵巧手驱动器较多，每个自由度需要一个驱动器，结构和控制都比较复 杂，不可能直接应用于残疾人假手。但在灵巧手技术的推动下，假手的研制 工作近年来也取得了很大进展。 德国o t t ob o c k 公司单自由度假手是目前商业上运作最成功，实际运用 中最广泛的假手，如图卜l 所示。该手的特点是肌电信号的处理与控制比较 成熟，使用性能稳定，有滑动觉传感器，最大抓取力可达9 0 n 1 2 。 图1 - 1o t t ob o c k 公司研制的假手 f i g ，1 1p r o s t h e t i ch a n dd e v e l o p e db yo t t ob o c k 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 英国南安普顿大学近年来对假手和机器人灵巧手的研制是基于对人手的 研究基础之上的。在假手的研制过程中，他们采取了五手指的方案，每个手 指有三个指节，其中末端两个指节的运动是耦合的，相邻两指节的最大相对 运动角度是9 0 。每个手指各有一个电机驱动，电机和齿轮箱等组成的驱 动器安放于手掌中。图1 2 是其在抓握灯炮时的照片【1 蚋。 图1 2 英国南安普顿大学研制的假手 f i g 1 - 2p r o s t h e t i ch a n dd e v e l o p e db ys o u t h a m p t o n 上面提到的o t t ob o c k 假手由于自由度少，手指只能完成简单的张合运 动，手指缺乏必要的灵活性和操作能力。而英国南安普顿大学的假手驱动器 较多，重量大。 s t a n f o r d 大学新近研制成功了种内置骨骼式无手套假手i 旧l ，如图1 - 3 所示。该假手由四个完全一样的手指和一个拇指构成。每个手指有三个关 节，拇指是从动式的，可以由使用者确定它的位置以实现不同的抓取，即力 量抓取或精确抓取。这种假手具有重量轻、体积小、造价低以及功能强的特 点，具有很实用的商业价值。 图l - 3s t a n f o r d 大学研制的五手指假手 f i g 1 - 3f i v e f i n g e rp r o s t h e t i ch a n dd e v e l o p e db ys t a n f o r du n i v e r s i t y 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 较以往的假手，该手的最大突破在于采用了一种新型材料；聚亚安酯， 它的硬度类似人体肌肉。将金属材料的手指内置于材料内部，这种方法可以 取代传统假手所使用的手套，而直接制成在外形上更加接近人手的假手，而 且这种方法对手指运动造成的阻力比手套要小，因而具有更高的效率。同 时，由于材料具有弹性，在抓取物体时，能够与被抓物体有更大接触，这增 加了抓取的摩擦力，因而提高了抓取稳定性；另外，这种弹性也使假手可以 适应更多复杂形状物体的抓取。该手的传动用绳的材料也采用了不同于传统 用的钢材，而是聚乙烯纤维，它与聚车氟乙烯的衬垫的配合使用有很高的强 度和较低的摩擦阻力。但是该手由于靠绳索驱动，运动不平稳，精度较低， 抓握力较小。 美国i o w a 州立大学新近研制出了一种新颖的假手【2 ”，如图1 4 所 示。与以往假手不同的是，它采用的手指机构由弹簧、压缩连杆、绳索和导 管组成。每个弹簧就是一个手指的指节。压缩连杆是用来作为弹簧的连接支 架和抑制弹簧的移动使弹簧完成伸缩和弯曲变形，从而达到模拟手指的弯 曲。绳索连在手指的朱端指节上，通过驱动绳索使手指的三个指节同时完成 弯曲变形，从而实现抓握物体的运动。 图i - 4 美国i o w a 州立大学研制的假手 f i g 1 4t h ei o w ah a n dp r o s t h e s i sd e v e l o p e db yt h eu n i v e r s i t yo fi o w a 该假手相比以前的假手有了很多的优点。过去的假手大多是只有拇指和 食指是主动弯曲的，其它的手指多为从动式，这使得手指的弯曲不能完全模 仿人手的运动，而且受自由度的限制，不能实现手指的外展和并拢。而该手 的五个手指都是主动式的，曲于弹簧是弹性元件，可以完成各个方向的移 动，它能随物体形状的变化产生各种各样的包络形式，从而完成对物体的抓 堕笙堡三些查兰三堂堡圭堂堡笙兰 握。由于弹簧的重量比较轻，相比以前的假手而言，该手的重量要轻很多。 但是也因为弹簧是弹性元件，控制较难，同样也是因为靠绳索驱动，运动不 平稳，精度较低。 2 0 0 1 年多伦多大学研制成功多手指从动自适应控制式假手，即t b m 手，如图卜5 所示。该手主要是为儿童患者研制，具有机构简单小巧( 可达 一般孩童手的尺寸) 、控制方便、重量轻、外形好的优点。使用机械结构来 取代力传感和触觉传感器构成的力反馈系统，实现稳定抓取，可以减少信号 处理所使用的电路，减小手的重量和体积，简化了控制方法【6 】。但由于手指 之间的耦合，每个手指缺乏足够的灵活度；同时因为五个手指靠一个电机驱 动，在抓取物体时存在着力的不平衡问题。 图1 5 多伦多大学研制的多手指从动自适应控制式假手 f i g 1 - 5p a s s i v ea d a p t i v eg r a s pp r o s t h e t i ch a n dd e v e l o p e db yt o r o n t ou n i v e r s i t y 近年来为解决假手手指的驱动与自由度的矛盾，国际上有研究人员先后 提出了假手的欠驱动机构，所谓欠驱动，即驱动器的数量少于自由度的数 量，这样的机构保证了手指的运动灵活性，也限制了手的重量和体积，是当 前假手机构研究的一个新的突破 9 】1 1 0 j 。欠驱动假手一般采用两种运动传递方 式：绳索驱动和连杆驱动。绳索驱动可以减小假手的结构尺寸，但是传递力 较小，刚度较低：而连杆驱动可以传递较大的力，且精度较高。 意大利的r t r i i 手【z 1 1 ，如图1 6 所示，就是基于欠驱动原理的绳索驱动 的假手。该手机构简单，控制也比较简单。每个手指有三个指节，每个关节 处安装有一个滑轮和扭转弹簧，绳索通过滑轮驱动三个指节运动，实现对物 体的抓取，依靠扭转弹簧的恢复力实现手指的伸直，进而释放物体。该手还 有一个创新机构就是采用了一个机械调整装置，如图1 7 所示。在抓握物体 过程中，当食指和中指其中之一与大拇指先接触物体时，传统假手的另外一 哈尔滨工业大学 学硕士学位论文 图1 6 意大利r t r i i 假手 f i g 1 6t h er t r i ip r o s t h e t i c h a n do fi t a l y 壮d _ - 哪il j l * 如 j 蘑 蓦蓬 r吾p 图1 7 白适应抓取机械调接装置 f i g 1 - 7a d a p t i v eg r a s pm e c h a n i s m s c h e m a t i z a t i o n 个手指就停止运动，从而不能接触到物体，这样就不能完成抓握物体，而该 机构由于压缩弹簧的作用，另外一个手指可以继续运动，从而完成抓握过 程。当抓握物体需要手指输出较大的力时，压缩弹簧可以达到极限位置，从 而可以看成一个刚体，驱动器的驱动力可以通过滑块和压缩弹簧传递到手指 的各个关节。但该手外形不太美观，不像人手。 意大利的博洛尼亚大学近年来在机器人手方面的研究取得了很有价值的 成果，他们最新提出的采用刚性连杆作为骨架，由弹性铰链连接的腱驱动仿 人机器人手可以看作假手和灵巧手的个新的研究领域。基于上述方法于 2 0 0 5 年设计的u bh a n d3 仿人机器人手1 22 j 结构简单，重量轻，有很好的灵 活性，运动接近人手。该手更进一步的研究和实验还有待于完成。图1 8 是 u bh a n d3 机器人手和人手比较的图片。 我国的清华大学在8 0 年代初引进了德国o t t ob o e k 的肌电控制假手，在 此基础上他们对假手的结构作了一定的改进工作，设计了双螺旋传动的增力 机构，没有使用超越离合器，机构较以前简单、可靠，抓取力也得到增强。 同时清华大学还研制成功了指物之间的压觉和滑觉传感器，压觉传感器检测 抓握力的大小，滑觉传感器实现假手抓握力的自适应控制f 2 3 f 2 4 】。 由假手的研究现状可以看出，假手的发展趋势可以归结为以下几个方 面：( 1 ) 具有多个活动的关节，运动灵活；( 2 ) 实现对不同形状物体的自适应 抓取；( 3 ) 整体系统重量轻，体积小，简单可靠；( 4 ) 局部自主控制；( 5 1 高度 喻尔滨工业丈学1 二学醺上学位论文 图1 8u 1 3h a n d3 手和a 手的比较图 f i g 1 - 8t h eu bh a n d3i nc o m p a r i s o nt ot h eh u m a nh a n d 集成的驱动和控制系统。可以看到，上述要求中的( 1 ) 和( 3 ) 是一对矛盾。按 照传统的驱动机理，转动关节的增多意味着驱动器数量的增加，必然导致系 统体积的增大、重量的提高和整个系统可靠性的降低，因此假手的灵活性和 复杂性是一对突出的矛盾。 微机械加工、微电子学、计算机和控制理论的发展为多关节多自由度的 仿人型假手的发展提供了很大的可能性。为了采用欠驱动原理解决假手研究 中自由度和复杂性之间的矛盾，并获得较大的传递力，可以采用小型连杆机 构设计仿人型残疾人假手，这既能减小假手的尺寸，又能够传递较大的力， 这f 是本文要研究的内容。 本课题基于欠驱动原理和耦台原理，使用小型连杆机构设计仿人型残疾 人假手，同时运用实验室在多指机器人灵巧手的研究中的机电体化设计思 想和成功经验，实现假手机构、传感、驱动和微处理器系统的高度集成。 1 3 课题来源及研究的目的和意义 本文研究的内容来源于国家自然科学基金重点项目“新一代仿人型残疾 人假手系统及理论的研究( 课题号：5 0 4 3 5 0 4 0 ) ”。 课题研究的目的：研制一种新型多自由度的假手，为残疾人提供类似人 手状，体积小、重量轻的具有人手大部分抓取功能和适当操作功能的假手。 课题研究的意义：新型的多自由度仿人型残疾人假手的研究，不仅具有 非常大的理论研究价值，而且具有很大的潜在市场价值。本项目的研究成功 将大大提高假手的智能化水平和作业水平，缩短高性能多自由度假手的国产 化进程，对于提高残疾人的生活能力和促进整个社会的发展进步具有重要的 意义。 1 4 本文的主要研究内容 本文研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 基于欠驱动原理和耦合原理，采用四连杆机构设计一种新型多自由 度的假手机构，在不增加假手体积和重量的情况下保证假手具有很好的灵活 性。 ( 2 ) 假手机构、传感、驱动和微处理器系统的集成化设计。 ( 3 ) 手指四连杆机构的静力学和运动学分析以及连杆参数的确定。 ( 4 ) 采用基于位置的阻抗控制方法，实现手指的主动柔顺，并且用实验 验证假手控制方法的可行性和有效性。 哈尔滨工业大学t 学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章假手的本体结构设计 在当前的仿人灵巧手以及残疾人假手的应用中，为了适应不同的抓取环 境和抓取对象，对灵巧手或假手的适应性提出了很高的要求。为了能够满足 这些复杂的抓握要求和操作要求，各种灵巧手都具备了复杂的控制系统和机 构，而控制系统的复杂性、体积和重量的增加又限制了灵巧手或假手的应用 范围。反之，为优先满足重量和体积限制于一定范围的要求，很多的假手虽 然没有复杂的电气控制系统，在结构和运动上趋于简单，但是不能很好的模 拟人手的运动，因而不具备良好的抓握适应性，阻碍了其应用和发展。 灵巧手或假手的传动方式一般有两种：绳索传动和连杆传动。由绳索传 动的手可以实现柔性的和稳定的抓握，即手指的工作特征可以随抓握情况和 条件的不同而变化，这些工作特征都不是在设计阶段确定的。然而，这类手 在结构和控制上仍然很难实现，并且存在摩擦和变形等很多问题，也不能提 供足够大的抓取力【8 】f 2 5 】【2 6 】。 采用连杆欠驱动机构应用于灵巧手或假手的设计将能很好地解决这个问 题。欠驱动手指同样可以实现稳定的和柔性的抓握，达到精确抓握和力量抓 握的要求，其中的杆传动机理可以保证提供足够大的抓握力。在力量抓握 时，手指可以根据抓取对象的形状而将之包络于手指和手掌中，具有很好的 自适应能力。这种通过欠驱动机构而获得的自适应能力，极大地简化了手的 控制系统，为减轻重量、增强对环境的适应能力和扩大应用范围提供了保 障。 2 2 人手的结构和抓取物体方式 由人体构造学可知，普通人手是由五个手指构成，每个手指都由很多骨 骼组成。手指各个关节的运动都有一定的顺序，手指的运动范围也是一定 的，它们靠各个关节处限制手指无序运动的骨骼构造来完成，从机械学的角 度称之为运动限位。人手的运动方式也有很多种，能够完成手指的外展并 拢，内收外放等动作，而假手要想完全模仿人手的运动非常困难。人手骨 哈尔滨工业火学工学硕十学位论文 骼构造【2 7 i 的几个主要特征可以用图2 - 1 描述。除了拇指以外，每个手指有三 个关节，每个关节的名称在图中给出。腕关节( t m ) 有2 个自由度，掌骨关 节( m c p ) 有2 个自由度，其他几个指骨关节( i p ) 、近指骨关节( p i p ) 、远指骨 关节( d i p ) 分别有1 个自由度，所以整个人手可以由2 1 个自由度来描述。对 于每个手指来泌，拇指有3 个自由度，其他手指分别有4 个自由度。 中指 i n t e r p a l a n g e a l ( i p ) d is t a li n t e r p h a l a n g e a l ( d i p ) p r o x i m a li n t e r p h a l a n g e a l ( p i p ) m e t a c a p o p h a l a n g e a l ( 胍p ) t r a p e z i o m e t a c a r p a l ( t p ) 图2 - i 人手骨骼构造简图 f i g 2 - 1s k e t c hm a po f t h eh a n ds k e l e t o ns t r u c t u r e 人手抓握物体一般可分为手掌抓握和非手掌抓握，包括精确抓取、力量 抓取、捏拿等，抓握方式如图2 2 所示【2 8 】。图2 - 2 ( a ) 为柱状抓握，2 - 2 ( b ) 为 手指侧向捏取，2 - 2 ( c ) 为手心拿取，2 - 2 ( d ) 为三指捏取，2 - 2 ( e ) 为手指正向捏 取。这些对于分析和设计假手有着非常重要的意义。 2 , - 3 欠驱动机构的工作原理 设计假手的过程中，为了做到与人手保持致，需要设计很多的关节， 每个关节相当于一个自由度。传统的驱动方式就是每个自由度有一个驱动 器，这样的设计会增加手的重量，给使用者带来很大的不便，不能满足使用 者的要求。如果减少手指的关节数，减少驱动器的数目，这样假手又不能像 哈尔滨工业大学t 学硕士学位论文 ( a ) 柱状抓握；( b ) 手指侧向提取；( e ) 手心拿取；( d ) 三指捏取；( e ) 手指正向捏取； 图2 - 2 人手抓握物体的方式 ( a ) t h ec y l i n d r i c a lp a l m a rp r e h e n s i o n ；( b ) t h ep r e h e n s i o nb ys u b t e r m i n o - l a t e r a lo p p o s i t i o n ； ( c ) t h ec e n t r a l i s e dg r i p ；( d ) t h et r i d i g i t a lg r i p ；( e ) t h ep r e h e n s i o nb ys u b t e r m i n a lo p p o s i t i o n f i g 2 - 2t h ef u n c t i o n a lg r a s p so ft h eh u m a nh a n d 人手一样灵活，也同样不能满足使用者的要求。为了解决上面存在的问题， 欠驱动原理给我们提出了一种解决的办法。 为了获得静定系统，在欠驱动机构中需引入弹性元件和限位装置。手指 的抓握形式是由手指与被抓握物体的相对位置和形状决定的。图2 3 是欠驱 动系统的抓握过程示意图。当没有受到外力作用时，整个手指以单一刚体绕 支点运动，各指节在弹簧力与机械限位的作用下保持在一条直线上，可以避 免手指的弯曲和其他干扰的影响，如图2 3 ( a ) 和( b ) 所示。当近指节首先受 到外力时，中指节向物体方向弯曲，这时驱动力需要克服近指节的弹簧作用 力，如图2 3 ( c ) 所示；当中指节与物体接触以后，驱动力需要克服中指节 弹簧作用力，远指节向物体方向弯曲，最后3 个指节均与物体接触，手指完 固画 ( d ) 图2 - 3 欠驱动系统的抓握过程示意图 f i g 2 - 3g r a s p i n gp r o c e s ss k e t c hm a po f t h eu n d e r - a c t u a t e ds y s t e m 哈尔滨工业火学工学硕七学位论文 成物体形状的适应阶段，驱动件的驱动力传递到3 个指节上，如图2 3 ( d ) 所示。如果远指节先碰到物体，那么手指将不再弯曲，可以实现物体的精确 抓取。 2 4 假手的本体机构 2 4 1 假手的整体设计 对于假手的研制来说，首先要保证重量轻，外形尺寸与人手保持致， 还要具有很好的灵活性，只有这样才能满足残疾人使用的要求，并具有很高 的商业价值和实用意义。本课题就是基于上述要求来设计假手的。 本文采用欠驱动自适应原理和耦合原理研制的残疾人假手的三维p r o e 模型如图2 - 4 ，结构如图2 5 所示。该手共有5 个手指，1 3 个活动关节，分 图2 - 4 假手p r o e 模型 f i g 2 - 4p r o em o d e lo ft h ep r o s t h e t i ch a n d 图2 - 5 假手结构图 f i g 2 - 5m e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h e p r o s t h e t i ch a n d 别为拇指、食指、中指、无名指和小拇指。该假手拇指和小拇指有两个指 节，其他手指分别由3 个指节组成，即近指节、中指节和远指节，其中近指 节和中指节之间采用欠驱动，中指节和远指节之间采用耦合传动。整个假手 总重量约为5 0 0 9 。整个假手共有3 个电机，两个电机分别驱动拇指和食 指，一个电机驱动其他三个手指。在假手的整个设计过程中，充分采用模块 化的思想，食指、中指和无名指采用相同的结构，小拇指和大拇指采用相同 的结构。 哈尔滨工业大学丁学硕士学位论文 每个手指各个指节的最大运动空间都是由机械结构的机械限位来决定 的。设计机械限位时，充分考虑假手所要完成的抓握i f l 标，同时考虑人手手 指实际的运动范围，设计手指的运动空间。各个手指的运动范围如表2 - l 所 示。设计的假手要求能够完成精确抓取圆柱体的直径范围是1 0 5 0 i n t o ，抓 取球形物体的直径范围是1 0 5 0 m l t l ，完成力量抓取圆柱体的直径范围是 4 0 。9 0 m m ，力量抓取球形物体的直径范围是5 0 1 0 0 m m 。在这样的范围内 已经能够满足残疾人日常生活中的抓握要求。 表2 - i 假手各个手指的运动空间 t a b l e 2 1t h em o v e m e n ts p a c eo f e v e r y f i n g e ro f t h ep r o s t h e t i ch a n d 近指节( 度)中指节( 度) 。 远指节( 度) 拇指 1 0 7 51 0 8 0 食指 o 8 51 0 7 51 0 7 5 中指o 8 5】0 7 51 0 7 5 无名指 o ，8 51 0 7 51 0 7 5 小拇指 0 8 51 0 7 5 2 4 2 食指、中指和无名指的机构设计 在食指、中指和无名指的设计过程中，采用欠驱动自适应原理和耦合原 理设计手指的结构，整个手指采用与人手相同的结构。食指的结构如图2 - 6 所示。整个手指通过各个关节处的机械限位来限制各个指节的运动角度。近 指节和中指节之间采用欠驱动原理实现手指的运动和力的传递，中指节和远 指节之间采用耦合机构。当手指的近指节和物体接触时，能够使手指以较快 的速度完成对物体的包络。为了避免手指弯曲过程中指节的颤动，在中关节 处安装有扭簧。 由于中指和无名指以及小拇指采用了一个电机驱动，所以中指和无名指 的结构与食指并不是完全相同，基关节以上的部分与食指完全相同，而基关 节处有很大的区别，具体的结构将会在三个手指驱动机构的设计部分详细介 绍。中指和无名指的结构如图2 7 所示。 整个手指有三个指节，尺寸大小与人手相当。各指节长度分别为 3 8 m i l l 、2 7 m m 和2 4 m m e 手指由一个电机驱动，驱动电机选用直流电机。 减速系统由行星齿轮头减速器和锥齿轮减速器组成，减速比分别为1 6 6 ：l 和 2 ：1 。单个手指的重量为8 0 9 ，指尖力可达1 0 n 。 在运动过程中，当手指没有接触到物体时，电机通过减速器驱动锥齿轮 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图2 - 6 食指的结构 f i g 2 - 6s t r u c t u r eo f t h ei n d e xf i n g e r 图2 7 中指和无名指的结构 f i g 2 7s t r u c t u r eo f t h em i d d l ea n d r i n gf i n g e r 转动，锥齿轮带动整个手指以单一刚体绕基关节轴运动；当近指节接触到物 体时，近指节停止运动，这时锥齿轮通过基关节力矩传感器驱动欠驱动连杆 继续运动，连杆驱动力在克服中关节扭簧的作用下，驱动另外两指节运动； 由于另外两个指节采用了耦合连杆结构，它们将会按照事先给定的传递速比 实现1 ：1 传动，直到手指的中指节和远指节其中之一接触到物体为止停止运 动，从而达到对物体的完全包络。 设计的手指结构尺寸小巧。外形美观，内部传动布置合理，电机和手指 在一条直线上，为实现整个手的模块化提供了基础。采用一级伞齿轮减速， 既保证了手指的输出力矩对传动的要求，又使运动传递合理商效、结构紧 凑。力矩传感器与传动杆的一体化设计，既使力的测量精确方便，也使整个 机构更加紧凑，不会增加手指的重量和体积。位置传感器采用霍尔传感器， 位置传感器电路板安装在基座内部，磁钢安装在减速器输出轴端，可以用来 准确测量手指的绝对位置。电机的另一端装有码盘，可以用来测量电机的相 对位置，两者结合就可以准确测量手指的精确位置。基关节力矩传感器电路 板安装在欠驱动连杆上，利用了手指内部的空间。这样的布置使得整个手指 的结构紧凑，方便安装和拆卸，也排除了因线路原因丽造成的对信号采集的 干扰。 哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 2 4 3 拇指和小拇指的机构设计 对于人手来说，拇指和小拇指的尺寸相比于其他三个手指要小了很多， 而且小拇指与其他三个手指具有相同的结构( 图2 1 所示) 。在设计的过程 中，如果将小拇指和其他三个手指设计成相同的结构，由于受到杆件尺寸运 动干涉的制约，使设计变得难以实现。人手在平时抓握物体的过程中，小拇 指只是起到一个辅助作用，对物体并没有旋加多大的力。为了使设计的假手 美观，又能保证假手的外形尺寸与人手保持一致，在不影响抓握功能的情况 下，设计了拇指和小拇指的结构，采用两个自由度的欠驱动结构。由于其他 三个手指的末端两个指节采用了耦合原理，小拇指设计成两个指节不会影响 到三个手指抓握物体时电机的运动范围，所以也不会影响到手指的抓握功 能。与人手相比较，拇指和小拇指少一个关节，但是同样可以实现很好的抓 握功能，而且这样还可以减小手指的重量和体积。拇指和小拇指两个指节的 长度分别为4 5 i t i f i 和2 8 m n q 。拇指的结构如图2 8 ，小拇指结构如图2 - 9 所 示。拇指与小拇指的机构在基关节以上部分完全相同，在基关节处，拇指由 带轮驱动，小拇指由安装在无名指处的电机通过小拇指弹簧支架传递运动。 图2 - 8 拇指的结构 f i g 2 8s t r u c t u r eo f t h et h u m b 图2 - 9 小拇指的结构 f i g 2 - 9s t r u c t u r eo f t h el i t t l ef i n g e r 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 4 4 拇指布置方案的设计 人手抓握物体时，拇指起着很重要的作用。没有拇指施加力，其他手指 只能完成很小直径的柱状物体的抓握，所以在设计假手的过程中，拇指的设 计是整个设计中最为关键的部分，不但要考虑拇指的结构尺寸，还要考虑拇 指在整个手掌上的布置位置，这对于假手实现抓握物体的功能有惹很大的影 响。由于受到自由度数的限制，假手不可能像人手一样灵活，本文设计的目 标是尽可能使假手完成较多的抓握动作，例如力量抓握、精确抓握、捏拿、 握拳等。根据这些抓握方式，分析假手操作时手指的位置和姿态，采用仿真 的方法，确定在抓握中起重要作用的拇指的位置，具体布置尺寸如图2 1 0 所示。手指功能抓握仿真如图2 1 l 至图2 1 4 所示。 ( 1 ) 柱状抓握 图2 1 0 拇指布置图 f i g 2 - 10t h el o c a t i o no ft h u m b 抓握柱状物体时，直径小的物体可以靠拇指和手掌抓握，而直径比较大 的物体，需要手掌、拇指和其它几个手指同时作用于物体。图2 1 1 给出了 抓握不同物体时的仿真结果。由仿真结果可知，抓握小直径的柱状物体时， 由于只有拇指施加抓握力，抓握效果不是很好；抓握直径大的物体时。由于 手指尺寸的限制，手指很难对物体施加作用力，过大就不能形成对物体的包 络。因此，设计的假手抓握柱状物体的最佳直径范围为4 0 9 0 m m 。 堕叠鎏三些查主三堂堡! ：堂垡堡苎 一 ( a ) 抓握d = 3 0 n l l n 圆柱体 ( a ) g r a s p i n gc y l i n d e rw i t h d i a m e t e ri s3 0m n ( b ) 抓握d = 5 0 m m 圆柱体 ( b ) g r a s p i n gc y l i n d e rw i t h d i a m e t e ri s5 0m m ( d ) 抓握d = 8 0 m m 圆柱体 ( d ) g r a s p i n gc y l i n d e rw i t h d i a m e t e ri s8 0n l m ( c ) 抓握d = 7 0 n l l r l 圆柱体 ( c ) g r a s p i n gc y l i n d e rw i t h d i a m e t e rj s7 0m m ( e ) 抓握d = 9 0 i t i i t i 圆柱体 ( e ) g r a s p i n gc y l i n d e rw i t h d i a m e t e ri s9 0i t t m 图2 - 1 1 抓握直径为3 0 1 1 1 r n 、5 0r f l m 、7 0 m m 、8 0 r a i n 、9 0 m i l l 的圆柱体 f i g 2 - 1 1g r a s p i n gc y l i n d e r s w i t hd i a m e t e r i s3 0 m m ，5 0 t l q l n ，7 0 m i t t ，8 0 m m a n d9 0r n m ( 2 ) 球状抓握 抓握球形物