仿生机械灵巧手的手指设计

马翔宇，杨武成，李阿为

(西安航空学院 a.机械工程学院； b.机电技术研究所, 西安 710077)

仿生机械灵巧手的手指设计

马翔宇a，b，杨武成a，b，李阿为a

(西安航空学院 a.机械工程学院； b.机电技术研究所, 西安 710077)

针对医疗假肢手指难以解决残疾人日常生活问题的情况，结合人体手指运动的机理，设计了一种仿生机械灵巧手。该机械灵巧手由手掌体、设在手掌体上的1根大拇指和4根手指构成；大拇指由两拇指段构成，大拇指单自由度转动连接于手掌体；四指结构形式一致，且由2个手指段构成，二者之间采用单自由度转动连接。基于指数积公式对所设计的灵巧手进行运动学分析，求解相关数学模型；采用UG软件对灵巧手进行仿真分析，结果表明：所设计的灵巧机械手能满足残疾人简单握持及敲打等日常需要，对康复机械设计有一定的参考价值。

灵巧手；结构设计；仿真分析

近年来，因为交通事件、疾病以及工作伤病等原因，残疾人数目增加。据相关资料数据统计，全国约有6 000万残疾人，其中肢体有残疾的人约为900万，他们无法独立生活和完成劳动任务，而安装假肢可使他们重新恢复运动能力。由于人手结构十分复杂，假手的制造成本高昂，但功能性无法与真正的人手媲美，因此医疗假手的研究具有很大的潜力和迫切性。

我国从20世纪50年代初期开始从事应用肌电控制假手研究，60年代中期成功研制出单自由度肌电控制前臂假手，1979年成功研制出3自由度肌电控制假手。2001年，哈工大成功研制HIT/DLR I[1]多指灵巧手，它的4个手指有相同的结构，每一根手指有4个关节、3个自由度，其中大拇指有1个相对手掌来说展开和握持的自由度，共13个自由度。每一根手指都安装有指端传感器、力矩传感器、关节位置传感器等，可做出拉抽屉、抓取鸡蛋等行为动作。2008年，哈工大再次成功研制出HIT/DLR II[2]多指灵巧手，由1个手掌和5根手指组成，每一根手指有3个自由度和4个关节，共15个自由度，末端的双关节通过机械耦合而成，相比前一代质量更轻，尺寸更小，工作稳定性能更强。德国的Otto Bock公司最早研制出的是一种单自由度三手指假手[3]。意大利科学家成功研制出三手指多关节肌电MARCUS假手[4]，这种医疗手的传感器应用种类繁多，能实现力量抓取和精准抓取。2005年，日本东京大学成功研制出一种腱驱动假手[5]，该假手由5个手指及手腕构成。每一根手指有3个关节，采用腱驱动来驱动指间关节，采用电机来驱动基关节。2007年，英国[6]David Gow 研制了一种应用于临床恢复的仿生手i-Limb。然而，目前仿生医疗假手存在很多问题，诸如驱动方式不灵活、不可靠，自由度低，运动灵活性较差等，且大部分设计的机械手采用欠驱动方式，这种驱动方式导致可靠性不高，而且难以控制单关节运动，因此本文设计了一种拥有五指的全驱动多自由度机械手，驱动可靠性高，运动灵活，可以控制单指或者单关节运动，不仅满足基本的握持和拿捏功能，也能实现敲击等更多功能，将为残疾者带来福音。

1 机械灵巧手手指设计

机械手的主要组成部分包括手部零件、运动结构和控制系统。手部零件用来实现握持和抓持等日常需要的功能，按照被抓持物体的外形、大小、质量、制造材料和作业要求分为很多结构方式，如夹持型、托持型和吸附型等。使用运动结构可使手部做出各种旋转运动、复杂运动或简单移动来完成要求的动作，从而改变被抓持物件的空间位置和运动状态。机械手的自由度体现在运动结构的升起和降落、伸缩和旋转方面。为了能抓持任何位置的物体，需要至少6个自由度。自由度的体现在机械手上十分重要，自由度使用得越多，手部越灵活，可满足的功能需求越多，实际应用越广，但这会导致机械手的组成更加复杂。

机械手的4个手指类似于人的手指分布，大拇指也为2个指节，在抓取物品时起辅助支撑作用，能防止其他3个手指在抓取物体时由于受力不均向一边滑动，三关节欠驱动手指机构的手指基本关节可以依据设计理念和实际功能的要求改变手指的空间方位，也可以根据物体的实际形状自行调节抓持动作。在弹簧的控制和差动齿轮的作用下，每一个手指关节根据被抓取物品的外形进行闭合，实现被抓物品的可靠抓取[7]。

本文设计的医疗机械假手的尺寸参考了人类手指尺寸的统计数据，并根据实际设计要求进行了小幅修改，或依据设计所要满足的功能需求及适用场合进行调整。大数据的来源为某中学青少年学生手指尺寸统计，统计结果见表1。表1中的数据是本文设计尺寸的主要参考依据[8]。

本文采用五指多关节设计，除大拇指外，其余 4 根手指完全相同，均由 2 个模块组成：近手掌部分为第1模块；远离手掌的部分为第2模块。进行手掌结构设计时需要综合考虑，首先需要考虑手指和手掌相配合的安装问题；其次，需要考虑支撑和定位问题，手掌一般有 2 个作用， 第一是作为连接手指的部件， 第二是为了与手臂部件进行连接，手掌部分的设计是一个截面为五边形的块体。

第一模块起到承前启后的作用，它是连接手掌和远手模块的重要部分，也是传递和带动第二指节运动的重要部分，其主要的运动为内屈和外展。手指远手掌的一端为第二模块，由第一模块的连接片实现相连，外形主体也是由一个圆柱体构成，顶部为半球体，下端安装2个连接片，三维设计图和二维设计图见图1、2所示。

图1 灵巧手三维设计图

图2 灵巧手二维设计图

2 运动学分析

机器人运动学主要是利用几何的方法来分析机器人运动。机器人运动学的主要任务是描述机器人关节和组成机器人的刚体之间的运动关系，机器人的位置与速度是求解机器人运动学的基础，它主要讨论机器人输入与输出构件之间的位置与速度关系，是机器人运动学研究的最基本任务。描述机械手的运动学，通常采用D-H参数法。D-H参数法的核心在于引入了连杆坐标系。因大拇指结构简单，故本文仅对4指关节的运动学方程进行求解。

(1)

利用D-H参数法对单指进行正向运动学求解。利用D-H参数可以建立相邻连杆坐标系间的齐次变换矩阵。其中：ai表示连杆的长度；αi表示连杆之间的扭转角；di是连杆偏距；θi是关节转角，故有式(2)。

（2）大豆原料的粉碎程度也会对大豆油脂产生影响。将大豆完全粉碎后，分别过20、40、60、80和100目筛，最后经过5道目筛称取10g的大豆粉，配合水配成浓度为10%的培养基。而在pH值为5、温度为38℃条件下的恒温摇床中则要再培养菌种19h，最后测量提油量。

(2)

进而根据式(2)进行正向运动学求解

(3)

由式(3)代入可得正向运动学求解表达式：

x=l1cosθ1+l2cos(θ1+θ2)

y=l1sinθ1+l2sin(θ1+θ2)

φ=θ1+θ2+θ3

式中：x、y、φ表示灵巧手手指末端的位姿。

图3 手指连杆位置关系

图4 手指连杆坐标系

3 仿真分析

为了实现运动仿真，做如下的基本假设：

1) 机械手是一个刚性物体，也就是说材料表面受力均匀。

2) 材料质量均匀分布。

3.1 仿真步骤设置

1) 连杆的选择

将手掌和镶嵌在手掌里的电机作为一个连杆(除去电机上的齿轮)，并选择固定。

2) 运动副的选择及定义1

将手掌内嵌电机的第1个齿轮定义为第1个旋转副，确定矢量方向；

将啮合齿轮、手指第1关节以及第1关节内镶嵌的电机定义为第2旋转副；

将第1指节内电机上的齿轮定义为第3个旋转副，确定矢量方向。这时要点击啮合连杆，将第1指节啮合在一起，并加以驱动。

3) 运动副的选择及定义2

将手掌内嵌电机的第1个齿轮定义为第1个旋转副，确定矢量方向；

将啮合齿轮，第1关节以及第1关节内镶嵌的电机定义为第2旋转副；

将第1指节内电机上的齿轮定义为第3个旋转副，确定矢量方向。这时要点击啮合连杆，将第1指节啮合在一起，并加以驱动。

3.2 握持功能仿真

仿真结果见图5。

图5 灵巧手握持功能仿真

3.3 敲击功能演示

本文将手掌与第1指节的旋转关节处设置为简谐运动的驱动方式，振幅设定为45°，频率依据要求而加，而第2手指关节与第1手指关节固定一个角度。仿真结果见图6。

图6 灵巧手敲打功能仿真

4 结束语

为丰富假肢的功能需求研究，结合人体的躯体和手指的特点及运动机理，设计了一种仿生机械灵巧手，灵巧手手指由大拇指和4个手指构成。对所设计的灵巧手进行运动学数学建模，并对灵巧手的握持功能及敲打功能进行仿真分析。仿真结果表明：所设计的机械灵巧手可实现设定的功能，能为康复机械的设计提供一些思路和经验。本文的不足之处在于仅对仿生手指的运动结构进行了借鉴，下一步将研究手指各关节神经系统的关联，为仿生康复机器人的设计积累经验。

[1] LIU Hong,PETER Meusel,GERD Hirzinger.The Modular Multisensory DLR-HIT-Hand:Hardware and Software Architecture[J]．IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2009,13(4) :461-469.

[2] 樊绍巍,刘伊威,金明河,等.HIT/DLR Hand Ⅱ类人形五指灵巧手机构的研究[J].哈尔滨工程大学学报,2009,30(2):171-177.

[3] 王利波,张志军,王领.气动类人仿生机械手设计[J].大连交通大学学报,2013,34(2):63-66.

[4] PUCHHAMMER G,TACTILERUTSCHSENSOR Der.Integration Miniaturisierter Sensorik in einer Myo-Hand[J].Orthopedic Technique，1999(7):112-129.

[5] BERGAMASCO M,SCATTAREGGIA S M.The Mechanical Design of the MARCUS Prosthetic hand[J].IEEE International Workshop on Robot and Human Communication[Z].0-7803-2904-x/95,1995:356-372.

[6] ISHIKAWA Y,YU W,YOKOI H,et al.Development of Robot Hands with an Adjustable Power Transmitting Mechanism[J].Intelligent Engineering Systems Through Neural Networks,2000(18):71-72.

[7] 查理.肌电假手的研究进展[J].国防科技,2007(9):6-13.

[8] 张永德,刘廷荣.机器人多指灵巧手的结构参数优化设计[J].机器人,1999,21(3):234-240.

(责任编辑杨黎丽)

DesignofFingerwithBionicDexterousRobotHand

MA Xiangyua,b, YANG Wuchenga,b, LI Aweia

(a. School of Mechanical Engineering；b. Institute of Electromechanical Technology, Xi’an Aeronautical University, Xi’an 710077, China)

According to that the medical prosthetic finger is difficult to achieve the daily lives of persons with disabilities and other issues, combined with the mechanism of human finger movement, a bionic robot dexterous hand is designed. And the mechanical dexterous hand is consist of a palm, the thumb and four fingers. The two thumb segments are designed in the palm with a single degree of freedom rotational connection. The four refers to the structure, consists of two fingers,are designed with single degree of freedom rotational connection. Then, the kinematic mathematical model of the dexterous hand is solved based on the POE. Finally, the simulation analysis of the dexterous hand by UG software shows that the fingers of manipulator designed can meet the disabled simple grip and beating other daily problems, and it provides certain reference value for the rehabilitation of mechanical design.

dexterous hand; structural design; simulation

2017-05-29

陕西省教育厅科研计划资助项目(17JK0396)；西安航空学院校级科研基金项目(2017KY1113)

马翔宇(1990—)，男，河南商丘人，硕士，助教，主要从事机器人技术及应用研究，E-mail：xaaumxy@163.com；杨武成(1976—)，男，陕西韩城人，副教授，硕士，主要从事机械制造技术、计算机仿真及非标设计研究。

马翔宇，杨武成，李阿为.仿生机械灵巧手的手指设计[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(11):117-121.

formatMA Xiangyu, YANG Wucheng LI Awe.Design of Finger with Bionic Dexterous Robot Hand[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(11):117-121.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.11.017

TH12

A

1674-8425(2017)11-0117-05