一種新型的欠驅(qū)動(dòng)仿擬人機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)-肌電假肢手傳動(dòng)和執(zhí)行部分含12張CAD圖

一種新型的欠驅(qū)動(dòng)仿擬人機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)-肌電假肢手傳動(dòng)和執(zhí)行部分含12張CAD圖,一種,新型,驅(qū)動(dòng),擬人,機(jī)械,手爪,設(shè)計(jì),假肢,傳動(dòng),以及,執(zhí)行,履行,部分,部份,12,十二,cad XXX 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) 課題：機(jī)械手爪的設(shè)計(jì) （傳動(dòng)和執(zhí)行部分設(shè)計(jì)） 學(xué)院名稱： XXXXXXXXXX 專業(yè)班級(jí)： XXXXXX 學(xué)生姓名： XXXX 學(xué)生學(xué)號(hào)：__ XXXXXXXXXX___ 指導(dǎo)教師姓名： XXXX 20XX 年6月 摘要 目前擬人假肢普遍采用多指靈巧手的設(shè)計(jì)思想，利用電機(jī)、電子和傳感器等領(lǐng)域的最新技術(shù)成果，實(shí)現(xiàn)假手的多自由度和多感知，從而最大程度地提高假手的靈活性和可操作性。但是，從生物／機(jī)械系統(tǒng)接口技術(shù)的研究現(xiàn)狀來(lái)看，基于殘余臂EMG(肌電)信號(hào)的運(yùn)動(dòng)解碼器對(duì)于手的運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別功能十分有限且識(shí)別率低，利用EMG信號(hào)控制多指手這樣的靈巧操作機(jī)構(gòu)各驅(qū)動(dòng)單元的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)在技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)；并且，多自由度靈巧手由于驅(qū)動(dòng)單元過(guò)多，重量較重，也很難被市場(chǎng)接受。 為了解決上面的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種新型的欠驅(qū)動(dòng)肌電機(jī)械手。仿人假肢手由4個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)15個(gè)關(guān)節(jié)，克服了現(xiàn)有技術(shù)中手指靈活度不夠的缺點(diǎn)，減小了功耗，利于機(jī)械手的小型化。該手對(duì)于不同的抓取物體具有良好的形狀適應(yīng)性，且在部分手指運(yùn)動(dòng)受限的情況下具有理想的力分配特性。 本文描述該假手的具體設(shè)計(jì)與機(jī)構(gòu)組成，介紹了其兩大主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：一是彈性交叉四連桿手指，二是指間差動(dòng)機(jī)構(gòu)。 ABSTRACT Nowadays lots of human prosthetic hands are designed; they all followed the idea of the dexterous hands, which using high performance motors, sensors or other new technology to get more freedom or feeling. However the more motors are deployed, the more requirements to the bio-mechanical interface and the power will be higher. Because of the limitations of biological/mechanical interface technology, most of the prosthetic hands are low dexterousness and functionality, and with high weight, these kinds of hands are unaccepted by the market. In order to resolve the problem, a prototype of underactuated prosthetic hand is designed and developed. The hand has 15 revolute joints, actuated by 4 motors. The hand is more dexterous, more energy solving and smaller size. It can grasp different objects, like the mobile phones, the books, the bottles, the pingpong balls and etc, and has the good force distribution capability. This thesis introduces two main innovative structures: first One is underactuated finger; another is a miniature differential mechanism which is embedded inside the palm of the hand to control the differential motion of the two fingers. 目 錄 第一章 緒論 §1.1 國(guó)內(nèi)外假手的研究現(xiàn)狀…………………………………6 §1.2 假手研究的目的和意義…………………………………10 第二章 假手功能原理的設(shè)計(jì) §2.1 假手應(yīng)該具有的基本功能………………………………12 §2.2 假手基本功能的實(shí)現(xiàn)……………………………………12 第三章 肌電假手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) §3.1 肌電假手的整體方案……………………………………14 §3.2 肌電假手的手指設(shè)計(jì)……………………………………15 §3.3 拇指的設(shè)計(jì)………………………………………………16 §3.4 指間差動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)……………………………………17 §3.5 手掌的設(shè)計(jì)………………………………………………18 第四章 肌電假手的實(shí)用化設(shè)計(jì) §4.1 實(shí)用化設(shè)計(jì)的任務(wù)和主要內(nèi)容…………………………19 §4.2 假手的總體設(shè)計(jì)…………………………………………19 §4.3 基本構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………20 第五章 總結(jié)與展望 §5.1 畢業(yè)設(shè)計(jì)工作總結(jié)…………………………………………23 §5.2 前景展望……………………………………………………23 致 謝…………………………………………………………………25 參 考 文 獻(xiàn)…………………………………………………………26 第一章 緒論 §1.1國(guó)內(nèi)外假手的研究現(xiàn)狀 假肢手可以分為傳統(tǒng)假肢和現(xiàn)代假肢。傳統(tǒng)假肢包括裝飾型假肢和索控式假肢，現(xiàn)代假肢即EMG控制假肢。 裝飾型假肢手是最早出現(xiàn)的假手，如圖1-1-1所示，以外形美容為主，可被動(dòng)活動(dòng)，為彌補(bǔ)肢體外觀缺陷所設(shè)計(jì)的，起到恢復(fù)自然外表的裝飾作用或平衡身體的作用。其缺點(diǎn)是不具有手的動(dòng)作功能。 圖1-1-1 裝飾型假肢 索控式假肢手又稱為身體動(dòng)力型假肢手，如圖1-1-2所示，主要由截肢者通過(guò)肩膀、上臂和軀干等肢體的運(yùn)動(dòng)，并借助力牽引索來(lái)驅(qū)動(dòng)和控制假肢手運(yùn)動(dòng)。該型假肢手設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，維護(hù)費(fèi)用低，經(jīng)久耐用，并且可以在條件惡劣的環(huán)境如潮濕多水、灰塵多的場(chǎng)合使用。由于該型假肢手受自身力源控制，截肢患者能增強(qiáng)對(duì)其的控制性。索控型假肢手的缺點(diǎn)也很明顯：一方面，由于自由度受到限制，其功能比較少；另一方面，雖然該型假肢手由患者自身力源控制，但是很難接近使用者的意念，因此控制和操作均很不方便。 圖1-1-2 索控式假肢 EMG控制假肢手（如圖1-1-3所示）：由肌電信號(hào)控制的假肢手功能更加完善，外形更加美觀，并且不需要大量傳感反饋系統(tǒng)。肌電信號(hào)來(lái)源于使用者運(yùn)動(dòng)引起的肌肉收縮產(chǎn)生的微電信號(hào)。通過(guò)安裝在殘余臂肌肉表面的電極所產(chǎn)生的電信號(hào)來(lái)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)假肢手運(yùn)動(dòng)。EMG控制假肢手的缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，并且維護(hù)成本高。 圖1-1-3 EMG控制假肢 在機(jī)器人多指靈巧手技術(shù)的推動(dòng)下，EMG控制假肢手的研究也取得了很大進(jìn)步和重大突破。目前假肢手研究的一大難題是設(shè)計(jì)重量輕、體積小、輸出力大、噪音低的足夠靈活的多自由度假肢手。受到重量、體積以及生物/機(jī)械系統(tǒng)接口水平的限制，現(xiàn)在絕大多數(shù)的EMG控制假肢手只有1個(gè)獨(dú)立自由度。 德國(guó)Otto Bock公司單自由度肌電假肢手Ottobock SUVA手是世界上目前運(yùn)作最成功，實(shí)際運(yùn)用最廣泛的假肢手，如圖1-1-4所示。該手的特點(diǎn)是肌電信號(hào)的處理和控制比較成熟，使用性能穩(wěn)定，有滑動(dòng)覺(jué)傳感器，最大抓取力可達(dá)90N。由于采用了SUVA感應(yīng)技術(shù)，截肢患者在抓取任何物體時(shí)都更為安全。當(dāng)抓取的物體要滑落時(shí)，加速感應(yīng)假手能感覺(jué)到重心的變換，進(jìn)而自動(dòng)調(diào)節(jié)抓握動(dòng)作，穩(wěn)定抓握系統(tǒng)自動(dòng)增加握力，直至牢固握住物體。 圖1-1-4 Ottobock SUVA假手 英國(guó)南安普頓大學(xué)Dr Paul Chappell近年來(lái)基于對(duì)人手和手指的研究基礎(chǔ)上對(duì)假肢手和機(jī)器人靈巧手進(jìn)行了研究，并相繼成功的研制了Southampton Hand和Southampton Remedi-Hand。SouthamptonHand如圖1-1-5所示，由3個(gè)手指和1個(gè)拇指組成，除拇指外，每個(gè)手指有3個(gè)關(guān)節(jié)，其中末端兩個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是耦合的，相鄰兩個(gè)手指的最大相對(duì)運(yùn)動(dòng)角度為90。每個(gè)手指由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)和齒輪箱（Gearbox）等組成的驅(qū)動(dòng)器放置在手掌中。 圖1-1-5 Southampton Hand Southampton Remedi-Hand手如圖1-1-6所示，有5個(gè)手指，其中拇指有2個(gè)自由度，共有6個(gè)自由度，由6個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)單元，每個(gè)手指都由獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)單元，因此能夠獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。該假手采用了輕質(zhì)的環(huán)氧碳纖維作為材料，因而整個(gè)手的重量不足500g，甚至比人手還略輕。由于拇指具有額外的運(yùn)動(dòng)柔性，相比其他假肢手，該假手的運(yùn)動(dòng)更趨近于人手。同時(shí)，Southampton Remedi-Hand具有十分先進(jìn)的控制反饋系統(tǒng)，它采用了壓阻電阻器和動(dòng)態(tài)壓電傳感器來(lái)檢測(cè)抓取穩(wěn)定性或抓取力，因此不需要依靠患者的意識(shí)就能確定抓取是否穩(wěn)定或者抓取力是否足夠。 圖1-1-6 Southampton Remedi-Hand 我國(guó)從60年代初開(kāi)始探討應(yīng)用肌電控制假手。60年代中期研制出單自由度肌電控制前臂假手，1979年研制成功三自由度肌電控制前臂假肢。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)殘肢者正在使用的各類肌電控制假手已達(dá)數(shù)萬(wàn)只。事實(shí)上，我國(guó)的假手方面的研究與國(guó)外相比還存在較大的距離，從事這一領(lǐng)域研究和開(kāi)發(fā)的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)相對(duì)較少，相關(guān)產(chǎn)業(yè)比較落后。各假手生產(chǎn)廠家及康復(fù)中心目前的產(chǎn)品主要是裝飾性假手和機(jī)械牽引式假手。因此開(kāi)發(fā)和研制國(guó)產(chǎn)的智能假手有廣泛的應(yīng)用前景和社會(huì)效益。我國(guó)一些大學(xué)和研究所積極地從事假手方面的研究工作。胡天培等人采用再造“指”作為控制信號(hào)源，實(shí)現(xiàn)了電子假手的準(zhǔn)確控制。 目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)的商品化的性能比較完善的假手仍然是單自由度、開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的肌電假手。盡管科研人員對(duì)假手作了很多研究，但是大部分成果實(shí)際上仍然處于實(shí)驗(yàn)室階段，距離商品化、實(shí)用化還有很大的距離。 近年來(lái)為了解決假肢手的驅(qū)動(dòng)和自由度的矛盾，國(guó)際上有研究人員先后提出了假手的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。在假肢手中采用欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，一方面能保證假肢手具有足夠多的自由度，可滿足假肢手操作靈巧性的要求，提高抓取功能；另一方面，由于其獨(dú)立驅(qū)動(dòng)少，可降低假肢手的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制的復(fù)雜性。 有關(guān)欠驅(qū)動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)已經(jīng)有較長(zhǎng)的研究歷史，東京工業(yè)大學(xué)的廣瀨茂男（Shigeo Hirose）在20世紀(jì)80年代系統(tǒng)地研究了連接式差動(dòng)機(jī)構(gòu)理論，并用它來(lái)實(shí)現(xiàn)力矩分解，在此基礎(chǔ)上采用滑輪差動(dòng)機(jī)構(gòu)與耦合驅(qū)動(dòng)原理設(shè)計(jì)了冗余度串連操作臂，其中大部分為被動(dòng)關(guān)節(jié)。欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在假肢手的研究中已經(jīng)有應(yīng)用，比如上述介紹的RTR系列假肢手。另外值得一提的是加拿大Laval大學(xué)的Gosselin針對(duì)航天機(jī)械臂末端操作機(jī)構(gòu)的要求，設(shè)計(jì)了一系列欠驅(qū)動(dòng)手，該系列的欠驅(qū)動(dòng)手具有10-15個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，單獨(dú)立驅(qū)動(dòng)單元的數(shù)目少于6個(gè)，最少的只有2個(gè)。該系列手在執(zhí)行抓取操作時(shí)主要以強(qiáng)力抓取模式進(jìn)行操作，通過(guò)采用智能機(jī)械單元（彈性機(jī)械元件和機(jī)械限位），可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的形狀自適應(yīng)抓取，控制策略十分簡(jiǎn)單。 多自由度差動(dòng)機(jī)構(gòu)和智能機(jī)械單元是設(shè)計(jì)欠驅(qū)動(dòng)手的關(guān)鍵技術(shù)。研究表明，如果設(shè)計(jì)合理，欠驅(qū)動(dòng)手只需要3-4個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)單元即可實(shí)現(xiàn)對(duì)仿人手操作機(jī)構(gòu)的控制，且可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力抓取的形狀自適應(yīng)性，并具有精確抓取能力。這一方面可以克服現(xiàn)有的假肢手在抓取和操作功能上的缺陷，同時(shí)也可使得假肢手的控制大大簡(jiǎn)化。 §1.2 假手研究的目的和意義 根據(jù)全國(guó)殘疾人抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)推算，全國(guó)各類殘疾人的總數(shù)為8296萬(wàn)人。按照國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的2005年末全國(guó)人口數(shù)，推算出本次調(diào)查時(shí)點(diǎn)的我國(guó)總?cè)丝跀?shù)為130948萬(wàn)人，據(jù)此得到2006年4月1日我國(guó)殘疾人占全國(guó)總?cè)丝诘谋壤秊?.34%。其中肢體殘疾2412萬(wàn)人，占?xì)埣部側(cè)丝诘?9.07%。 與1987年第一次全國(guó)殘疾人抽樣調(diào)查比較，我國(guó)殘疾人口總量增加，殘疾人比例上升，殘疾類別結(jié)構(gòu)變動(dòng)。肢體殘疾的比例在整個(gè)調(diào)查中最高，可見(jiàn)各種假肢的需求已經(jīng)非常迫切。 目前肌電控制假肢最具代表性的產(chǎn)品化肌電假肢是Otto Bock手，但該手只有一個(gè)自由度，由一個(gè)電機(jī)控制其張合操作，靈巧性差。近年來(lái)，由于生物機(jī)電一體化技術(shù)的迅速發(fā)展，全球的研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了高性能的肌電控制接口，為研制多自由度仿人靈巧假肢的開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)條件。 但由于收到生物/機(jī)械系統(tǒng)接口技術(shù)水平的限制，目前的EMG控制假肢手在操作靈活性和抓取性能比較差。本次課題的目的在于通過(guò)優(yōu)化機(jī)械部分的設(shè)計(jì)，使得機(jī)電控制部分的難度減低。 在影響假肢手應(yīng)用的眾多原因中，以下四個(gè)問(wèn)題顯得尤為突出： ◆目前的EMG控制假肢重量比較大。盡管商用假肢手的重量能和人手接近，但由于它的重量主要從活動(dòng)臂傳遞到殘余臂上，因此顯的特別笨重。 ◆假肢手的功能仍然比較少。目前的假肢手通常只有1-2個(gè)自由度，一方面不可能像人手那樣做出大量不同的抓取動(dòng)作，只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的張合運(yùn)動(dòng)（即鉗形運(yùn)動(dòng)）；另一方面它不具備抓取形狀自適性，同時(shí)抓取的穩(wěn)定性和靈巧性也比較差。 ◆由于受自由度的限制，目前的假肢手的運(yùn)動(dòng)更類似于機(jī)器人手的運(yùn)動(dòng)，顯得格外不自然。 ◆假肢手的操作性比較差。由于生物/機(jī)械接口未采用個(gè)性化設(shè)計(jì)，患者需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的訓(xùn)練才能夠使用，難以通過(guò)“自然”和“本能”的方式控制，使用很不方便。 由此可見(jiàn)，生物機(jī)電一體化假肢手的研究與開(kāi)發(fā)仍然是康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有待進(jìn)一步探索的問(wèn)題。 第二章 假手功能原理的設(shè)計(jì) §2.1 假手應(yīng)該具有的基本功能 根據(jù)第一章所介紹的假手的研究現(xiàn)狀，以及結(jié)合其發(fā)展趨勢(shì)，不難得出，假手主要應(yīng)該具有的基本功能有以下幾方面： （1）具有多個(gè)活動(dòng)的關(guān)節(jié)； （2）具備抓取形狀自適應(yīng)能力； （3）整個(gè)系統(tǒng)重量輕，體積小，簡(jiǎn)單可靠； （4）具有局部自主控制功能。 可以看到，上述基本功能中的（1）和（3）是一對(duì)矛盾。按照傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)理，活動(dòng)關(guān)節(jié)的增多意味著驅(qū)動(dòng)器數(shù)量的增多，體積的增大，重量的提高，整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜度的提升以及可靠性的降低。因此，如何解決活動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)目和驅(qū)動(dòng)有效性之間的矛盾，成了肌電控制仿人假肢手設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。 §2.2 假手基本功能的實(shí)現(xiàn) 要實(shí)現(xiàn)假手具有多個(gè)活動(dòng)的關(guān)節(jié)，可以將假手按照人的自然手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)五個(gè)手指，其中每個(gè)手指也有三個(gè)指節(jié)，同一個(gè)手指上的相連指節(jié)可以相互轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣再通過(guò)手指里的連桿機(jī)構(gòu)的拉動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)手指多個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。（具體分析見(jiàn)第三章） 人手的的遠(yuǎn)指節(jié)和中指節(jié)之間的運(yùn)動(dòng)是自然耦合的，在抓取物體時(shí)，有自適應(yīng)能力，要求所設(shè)計(jì)的假手也具有自適應(yīng)能力，可以采用多個(gè)彈性連桿相互連接，這樣假手在抓取物體時(shí)就可以有自適應(yīng)能力。 要實(shí)現(xiàn)假手質(zhì)量輕，體積小，簡(jiǎn)單可靠這一功能要求，一個(gè)比較好的辦法就是采用欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。所謂欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是指獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器（Actuator）數(shù)目少于自由度數(shù)目的機(jī)構(gòu)。欠驅(qū)動(dòng)假肢的主要原理是用較少驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)較多自由度的動(dòng)作控制。欠驅(qū)動(dòng)控制的常用機(jī)構(gòu)包括差動(dòng)機(jī)構(gòu)（行星齒輪差動(dòng)機(jī)構(gòu)、滑輪差動(dòng)機(jī)構(gòu)），手指設(shè)計(jì)方案中，基于彈性機(jī)械元件和機(jī)械限位、專用連桿機(jī)構(gòu)。 所設(shè)計(jì)的肌電假手，其控制源頭還是殘肢者自己，利用手臂上肌肉的收縮產(chǎn)生肌電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，來(lái)控制假手。這一功能的實(shí)現(xiàn)要依賴于生物、信息、控制等領(lǐng)域的技術(shù)以及DSP芯片強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，使得人們有條件開(kāi)發(fā)功能先進(jìn)的生物/機(jī)械系統(tǒng)接口。 第三章 肌電假手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) §3.1肌電假手的整體方案 要提高假手的操作功能和操作靈巧性，開(kāi)發(fā)功能更先進(jìn)的生物/機(jī)械系統(tǒng)接口，在此基礎(chǔ)上研制具有“仿人手”功能新一代假手，還面臨一系列的基礎(chǔ)理論方法挑戰(zhàn)和技術(shù)瓶頸。僅僅從提高抓取和操作功能的角度來(lái)看，增加手的自由度和獨(dú)立驅(qū)動(dòng)單元數(shù)無(wú)疑是最直接的方法，在這方面機(jī)器人多指手是最好的例證。但是，從生物／機(jī)械系統(tǒng)接口技術(shù)的研究現(xiàn)狀來(lái)看，基于殘余臂EMG信號(hào)的運(yùn)動(dòng)解碼器對(duì)于手的運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別功能十分有限且識(shí)別率低，利用EMG信號(hào)控制多指手這樣的靈巧操作機(jī)構(gòu)各驅(qū)動(dòng)單元的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)在技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)。因此，在新一代假肢手的研究中，一方面需要提高生物／機(jī)械系統(tǒng)接口（基于EMG信號(hào)的運(yùn)動(dòng)解碼器和運(yùn)動(dòng)控制器）的性能，同時(shí)還必須考慮手的功能與生物／機(jī)械系統(tǒng)接口的復(fù)雜性及可實(shí)現(xiàn)性之間的矛盾。 在手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，要解決假肢手抓取能力欠缺、靈巧性差等問(wèn)題，同時(shí)兼顧基于殘余臂EMG信號(hào)的運(yùn)動(dòng)解碼器和運(yùn)動(dòng)控制器的可實(shí)現(xiàn)性，擬采用多自由度聯(lián)接式差動(dòng)機(jī)構(gòu)和智能機(jī)械單元實(shí)現(xiàn)“欠驅(qū)動(dòng)”假肢手設(shè)計(jì)。一方面使得假肢手具有足夠的自由度以滿足抓取操作要求，另一方面減少獨(dú)立驅(qū)動(dòng)單元降低控制復(fù)雜性。 要對(duì)自由度進(jìn)行配置，首先對(duì)人手進(jìn)行一定的研究，人手是一個(gè)復(fù)雜的混合自由度系統(tǒng)，人手是由五個(gè)相互協(xié)調(diào)的手指和一個(gè)手掌組成。除了大拇指之外每個(gè)手指有三個(gè)指節(jié)（大拇指有兩個(gè)），五個(gè)手指加上一個(gè)手掌，相互協(xié)調(diào)工作，可以對(duì)物體進(jìn)行包絡(luò)，抓拿。 本欠驅(qū)動(dòng)肌電假手采用仿人手設(shè)計(jì)，共有5個(gè)手指和15個(gè)關(guān)節(jié)自由度，由4個(gè)獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)手指各有3個(gè)關(guān)節(jié)自由度。其中食指和中指、無(wú)名指和小指分別由一個(gè)電機(jī)各通過(guò)一個(gè)齒輪齒條差動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，拇指有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，分別控制其旋轉(zhuǎn)和彎曲。整個(gè)手的自由度和驅(qū)動(dòng)配置如圖3-1所示： 圖3-1 假手的自由度及驅(qū)動(dòng)配置 §3.2肌電假手的手指設(shè)計(jì) 手指機(jī)構(gòu)為彈性交叉四連桿機(jī)構(gòu)，每個(gè)手指由六個(gè)構(gòu)件組成，構(gòu)件1、2、3分別為遠(yuǎn)指節(jié)、中指節(jié)和近指節(jié)，構(gòu)件4為搖臂，構(gòu)件5、6分別為中指節(jié)彈性拉桿和遠(yuǎn)指節(jié)彈性拉桿，如圖3-2-1。抓取和操作過(guò)程中，手指接觸被操作物體之前兩根彈性拉桿都可以看作是剛性桿，手指各關(guān)節(jié)按固定的軌跡作自由運(yùn)動(dòng)。在接觸被抓取之后，手指局部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)受限，此時(shí)兩根彈性連桿的彈簧均被壓縮，連桿產(chǎn)生變形，中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)作被動(dòng)順應(yīng)運(yùn)動(dòng)，直至貼合物體表面。按照這種方式設(shè)計(jì)手指具有較好的形狀適應(yīng)性，即對(duì)于不同幾何形狀的操作物體，采用單一驅(qū)動(dòng)即可使手指較好地貼合物體表面，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的包絡(luò)抓取。 圖3-2-1 手指結(jié)構(gòu)原理圖 下面介紹在設(shè)計(jì)手指的過(guò)程中的兩個(gè)關(guān)鍵部位：一是手指的框架。手指采用“門(mén)”形截面的框體結(jié)構(gòu)，采用這種整體式的手指結(jié)構(gòu)，雖然零件的加工稍稍復(fù)雜，但能夠很好的保證轉(zhuǎn)軸的同軸度以及指節(jié)內(nèi)腔的寬度，在裝配時(shí)就很好的體現(xiàn)出這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。轉(zhuǎn)軸的安裝采用一側(cè)沉孔，一側(cè)螺紋連接的方式，見(jiàn)圖3-2-2。這樣軸的端部不會(huì)超出指節(jié)的兩個(gè)外表面。既保證了手指外形的美觀，有很好的防止了運(yùn)動(dòng)干涉的出現(xiàn)。另外，這種方式也十分便于安裝和拆卸。 圖3-2-2 轉(zhuǎn)軸安裝示意圖 二是彈性伸縮桿的設(shè)計(jì)。彈性桿類似一個(gè)氣缸-活塞。外缸體與左側(cè)的搖臂固結(jié)。彈簧穿在活塞桿上，缸體右端使用一端蓋將彈簧壓在缸體內(nèi)。活塞桿的一段有螺紋連接，可以與右側(cè)的搖臂連接。通過(guò)調(diào)整活塞桿螺紋擰入搖臂內(nèi)螺紋孔的深度，調(diào)整彈性連桿的初始長(zhǎng)度。螺紋連接處的螺母可以在調(diào)整完初始長(zhǎng)度以后，與搖臂擰緊，防止連接松動(dòng)，改變彈性桿初始長(zhǎng)度，如圖3-2-3。 圖3-2-3 彈性桿二維裝配圖 短彈性連桿（手指構(gòu)件6）的結(jié)構(gòu)基本與長(zhǎng)彈性連桿（手指構(gòu)件5）相似。只是一頭由彎曲的搖臂改為直搖臂。 §3.3拇指的設(shè)計(jì) 拇指也采用欠驅(qū)動(dòng)原理設(shè)計(jì)，但結(jié)構(gòu)上與前面四個(gè)手指有一些區(qū)別。大拇指的原理簡(jiǎn)圖如圖3-3所示。拇指也有三個(gè)指節(jié)，但只有中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)可以做彎曲動(dòng)作。近指節(jié)安裝方向被設(shè)計(jì)成與手掌邊緣之間的夾角保持固定，它可繞根關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)，由一個(gè)獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 圖3-3 拇指原理簡(jiǎn)圖 中指指節(jié)由另一個(gè)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，遠(yuǎn)指節(jié)則通過(guò)一根彈性拉桿與近指節(jié)連接，其自適應(yīng)包絡(luò)物體的過(guò)程與前述四指的原理相同。 §3.4指間差動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 欠驅(qū)動(dòng)假肢手的食指和中指、無(wú)名指和小指分別由一個(gè)電機(jī)各通過(guò)一個(gè)安裝在掌部的小型齒輪齒條差動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)不受限時(shí)，差動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)手指關(guān)節(jié)速度和力矩的均勻分配。當(dāng)其中一個(gè)手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)受限時(shí)（譬如抓取操作過(guò)程中與物體表面接觸），差動(dòng)機(jī)構(gòu)將電機(jī)速度傳遞到另一個(gè)手指上，但兩個(gè)手指的關(guān)節(jié)力矩仍然相同。該設(shè)計(jì)方案可保證手在抓取不同的物體時(shí)具有較好的形狀適應(yīng)性，并具有較好的力分配特性。齒輪齒條差動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理如圖3-4所示: 圖3-4 差動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖 齒輪齒條機(jī)構(gòu)將驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)的齒條一端連接有一個(gè)齒輪，齒輪同時(shí)與兩條被動(dòng)齒條嚙合。被動(dòng)齒條與手指的搖臂構(gòu)件連接，從而帶動(dòng)手指彎曲。當(dāng)動(dòng)力由中間的主動(dòng)齒條輸入時(shí)，若兩側(cè)的被動(dòng)齒條運(yùn)動(dòng)不受限，則中間的齒輪隨主動(dòng)齒條平動(dòng)，此時(shí)兩側(cè)的被動(dòng)齒條獲得相同的速度和力分配。當(dāng)一側(cè)的被動(dòng)齒條運(yùn)動(dòng)受到限制時(shí)，其運(yùn)動(dòng)停止，此時(shí)中間的齒輪既跟隨主動(dòng)齒條做平動(dòng)，又繞軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，將動(dòng)力傳遞給另一被動(dòng)齒條。 §3.5手掌的設(shè)計(jì) 手掌的基板既是結(jié)構(gòu)零件又是功能零件。一方面，它連接各個(gè)部件，起到機(jī)架的作用，使之組成一個(gè)完整的機(jī)械手。另一方面，作為差動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌起到一個(gè)功能零件的作用。這樣的設(shè)計(jì)也是為了機(jī)械手的小型化和輕量化。考慮到滑動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)速度和受力都不是很大，所以利用滑動(dòng)導(dǎo)軌就可以實(shí)現(xiàn)這一功能。相比滾珠導(dǎo)軌，滑動(dòng)導(dǎo)軌在厚度和重量上都有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。手掌上有滑動(dòng)導(dǎo)軌槽，使得齒條能沿著導(dǎo)軌方向平動(dòng)。手掌基板局部圖如圖3-5所示。 圖3-5 手掌基板局部圖 第四章 肌電假手的實(shí)用化設(shè)計(jì) §4.1 實(shí)用化設(shè)計(jì)的任務(wù)和主要內(nèi)容 實(shí)用化設(shè)計(jì)是在假手功能原理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將假手原理方案結(jié)構(gòu)化、實(shí)體化，把關(guān)于原理方案設(shè)計(jì)的構(gòu)思轉(zhuǎn)化為具有實(shí)用水平的、達(dá)到設(shè)計(jì)要求的實(shí)體產(chǎn)品。對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)，工作原理確定后，要對(duì)機(jī)械動(dòng)作進(jìn)行構(gòu)思和分解，初步確定各執(zhí)行構(gòu)件的動(dòng)作以及動(dòng)作之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)及機(jī)械圖設(shè)計(jì)。 §4.2 假手的總體設(shè)計(jì) 假手的總體設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的中心環(huán)節(jié)，對(duì)假手產(chǎn)品的技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和造型設(shè)計(jì)具有決定性意義。假手的總體設(shè)計(jì)包括以下一些內(nèi)容： 1）確定假手的功能原理方案。所設(shè)計(jì)的肌電假手主要由四個(gè)相同的手指和一個(gè)大拇指，還有中間的連桿等等組成。手掌上的齒輪齒條差動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)電機(jī)的帶動(dòng)，將力傳到各個(gè)手指，實(shí)現(xiàn)手指的彎曲來(lái)包絡(luò)被抓物體。此功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵之處在于五個(gè)手指能相互協(xié)調(diào)工作，且被包絡(luò)物體的形狀不宜過(guò)大。 2）確定假手的總體參數(shù)。對(duì)于不同類型的機(jī)器，由于其功能不同，總體參數(shù)的數(shù)量和內(nèi)容也不同。假手是用來(lái)抓握物體的，所以對(duì)被抓物體的形狀大小，重量等有一定的要求。被抓物體的直徑不超過(guò)80mm，重量不超過(guò)10N。 3）確定假手總體設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想。假手設(shè)計(jì)的主要標(biāo)準(zhǔn)是盡可能用較少的驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)較多的自由度。所以采用的指間差動(dòng)機(jī)構(gòu)，將一個(gè)電機(jī)的力，平均地分配到兩個(gè)手指。 4）確定假手的運(yùn)動(dòng)方案。假手的主要功能就是抓取物體，因此可以選擇適當(dāng)?shù)膱?zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)完成這一功能的實(shí)現(xiàn)。主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)就是假手的手指結(jié)構(gòu)。由三個(gè)指節(jié)組成，分別是近指節(jié)，中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)，鄰近的兩個(gè)指節(jié)之間可以相互轉(zhuǎn)動(dòng)，指節(jié)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)力是由中間的彈性連桿給予的，彈性桿連接到手掌上的差動(dòng)機(jī)構(gòu)，直接由電機(jī)帶動(dòng)。大拇指是由兩個(gè)電機(jī)所帶動(dòng)，一個(gè)在拇指根部，帶動(dòng)拇指轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)帶動(dòng)中指的轉(zhuǎn)動(dòng)。 5）假手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于結(jié)構(gòu)小，動(dòng)力要求不高，本文所采用的是MAXON公司生產(chǎn)的高性能微型直流電機(jī)，功率20W。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力是通過(guò)掌部差動(dòng)機(jī)構(gòu)把動(dòng)力傳到各個(gè)手指上，這種差動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞動(dòng)力的能很好的把力分配給各個(gè)手指。 6）假手的總體布局。根據(jù)其功能、工藝及操作要求，確定假手的部件的構(gòu)成、相對(duì)位置極其連接方式。圖4-2-1是假手去除大拇指的三維圖，從圖中可以很清楚的了解假手的總體布局，四個(gè)手指通過(guò)根部基架固定在手掌上，齒輪齒條差動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)稱地分布于手掌之上，兩個(gè)電機(jī)安裝在手掌的背面。 圖4-2-1 假手的總體布局圖 §4.3基本構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第三章已經(jīng)介紹了假手手指機(jī)構(gòu)、拇指機(jī)構(gòu)、以及掌上差動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，這一節(jié)著重介紹構(gòu)成這些結(jié)構(gòu)的小的構(gòu)件的設(shè)計(jì)。由于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的多解性，使得設(shè)計(jì)假手有很大的自由度，但在設(shè)計(jì)中還是應(yīng)該依據(jù)一些原則，這樣可以做出比較優(yōu)秀的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。應(yīng)該遵循的原則有：明確—功能明確、原理明確、工作狀態(tài)明確；簡(jiǎn)單；安全可靠。 1、手指結(jié)構(gòu)的零部件設(shè)計(jì)。 所設(shè)計(jì)的手指共由六個(gè)構(gòu)件組成，第二章已經(jīng)分析過(guò)。手指的框架是采用“門(mén)”形截面的框體結(jié)構(gòu)。上面一側(cè)有沉孔，一側(cè)有螺紋孔。而且這種框體結(jié)構(gòu)，大大增加了手指里面的空間，方便連桿連接。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4-3-1. 圖4-3-1 手指近指節(jié) 同樣手指的中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)的結(jié)構(gòu)也類似于上面所講的近指節(jié)機(jī)構(gòu)，所不同的就是遠(yuǎn)指節(jié)的指端是流線型設(shè)計(jì)，類似于人手。 2、中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)的結(jié)構(gòu)如圖4-3-2和4-3-3. 圖4-3-2 手指中指節(jié) 圖4-3-3 手指遠(yuǎn)指節(jié) 手指近指節(jié)和手掌的連接時(shí)通過(guò)手指跟關(guān)節(jié)基座來(lái)連接的，如圖4-3-4，基座可以通過(guò)螺釘連接固定在手掌上，同時(shí)，基座上面通孔，以便和手指近指節(jié)連接。 圖4-3-4 手指跟關(guān)節(jié)基座 3、手掌上的導(dǎo)軌設(shè)計(jì) 手掌不僅僅是結(jié)構(gòu)零件，也是功能零件，考慮到滑動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)速度和受力都不是很大，所以設(shè)計(jì)的是一個(gè)滑動(dòng)導(dǎo)軌，而不是滾珠導(dǎo)軌，相對(duì)于滾珠導(dǎo)軌，滑動(dòng)導(dǎo)軌的厚度和重量上都有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。 之所以沒(méi)有采用一般機(jī)床上的燕尾槽導(dǎo)軌，是因?yàn)椴捎眠@樣的導(dǎo)軌大大增加了手掌的厚度，并且增加零件加工的難度。使用這種形式的滑動(dòng)導(dǎo)軌的另一個(gè)有點(diǎn)是，將部件很好地分配到手掌基板的兩個(gè)方向。這樣最大限度的保證了運(yùn)動(dòng)部件不發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉現(xiàn)象。圖4-3-5，將兩種形式的導(dǎo)軌列出來(lái)做了比較。 圖4-3-5 兩種形式導(dǎo)軌的截面比較圖 第五章 總結(jié)與展望 §5.1畢業(yè)設(shè)計(jì)工作總結(jié) 本論文主要介紹了假手的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀以及自主設(shè)計(jì)的欠驅(qū)動(dòng)肌電假手的機(jī)械機(jī)構(gòu)，對(duì)整個(gè)假手機(jī)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析與討論，完成的主要工作有： 1.對(duì)國(guó)內(nèi)外假手的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納和總結(jié)。 2.設(shè)計(jì)了一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)肌電假手（4個(gè)驅(qū)動(dòng)，15個(gè)自由度）。其中食指和中指（共6自由度）由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，無(wú)名指和小指（共6自由度）由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，大拇指（共3自由度）由2個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，該手能靈活抓取各種物體。 3.設(shè)計(jì)了一種新型欠驅(qū)動(dòng)手指，該手指由一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和兩個(gè)交叉四連桿機(jī)構(gòu)和彈性元件串聯(lián)組成，引進(jìn)了長(zhǎng)度可變的彈性桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了單一手指對(duì)任意物體表面的自適應(yīng)包絡(luò)，克服了現(xiàn)有技術(shù)中手指靈活度不夠的缺點(diǎn)。 4設(shè)計(jì)了一種新型的指間差動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)擁有良好的力分配性能，通過(guò)齒輪-齒條將驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)齒條一端連接有一個(gè)齒輪，齒輪同時(shí)與兩條被動(dòng)齒條嚙合，兩條被動(dòng)齒條最后分別與手指連接，被動(dòng)齒條的前后運(yùn)動(dòng)可帶動(dòng)手指完成抓握動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)手指間的欠驅(qū)動(dòng)，即一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)手指運(yùn)動(dòng)，本差動(dòng)機(jī)構(gòu)改善了手指間的力分配問(wèn)題，減小了功耗，利于機(jī)械手的小型化。 §5.2前景展望 20世紀(jì)后期是康復(fù)醫(yī)學(xué)工程取得空前進(jìn)步的時(shí)代，EMG假肢手的研究在這一時(shí)期也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展并已被大量應(yīng)用于臨床。與此同時(shí)，生物機(jī)電一體化技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、機(jī)器人學(xué)、自動(dòng)控制、微制造和MEMS技術(shù)等相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的研究成果為新一代EMG控制假肢手的研究積累了豐富的理論方法和技術(shù)基礎(chǔ)。但是，研究和開(kāi)發(fā)新一代的EMG控制假肢手仍面臨若干理論方法挑戰(zhàn)與技術(shù)瓶頸，主要包括： （1）多通道EMG信號(hào)的測(cè)量、處理以及基于前臂EMG信號(hào)的手運(yùn)動(dòng)模式識(shí)別與運(yùn)動(dòng)控制方法，尤其需要解決EMG測(cè)量信號(hào)中生物噪聲干擾、“EMG信號(hào)→手關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)”生物系統(tǒng)的“耦合驅(qū)動(dòng)”特征抽取、EMG信號(hào)的非平穩(wěn)特征抽取以及特征選擇等一系列關(guān)鍵理論問(wèn)題，開(kāi)發(fā)高性能的生物／機(jī)械系統(tǒng)接口； （2）欠驅(qū)動(dòng)假肢手的設(shè)計(jì)理論，包括小型、輕質(zhì)多自由度聯(lián)結(jié)式差動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論，基于智能機(jī)械單元的欠驅(qū)動(dòng)假肢手形狀自適應(yīng)性設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)指標(biāo)等； （3）機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器、驅(qū)動(dòng)單元、生物／機(jī)械系統(tǒng)接口硬件的集成化設(shè)計(jì)方法。 對(duì)上述理論方法和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)新一代EMG控制假肢手，不僅可為全球范圍內(nèi)的肢體殘缺患者帶來(lái)福音，同時(shí)對(duì)于生物機(jī)電一體化技術(shù)及康復(fù)醫(yī)學(xué)工程等相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步也可起到有力的推動(dòng)作用。 致謝 將近一學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)即將結(jié)束，回憶這幾個(gè)月的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，老師和同學(xué)對(duì)我的幫助讓我能夠順利地完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。 我要感謝我的導(dǎo)師李青林老師的悉心教導(dǎo)，沒(méi)有李老師的幫助，我就不可能順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。李老師知識(shí)淵博，從假手最初的設(shè)計(jì)方案，到后來(lái)方案的確立以及具體機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，她都給予了大量的指導(dǎo)。她嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度，平易近人的處世態(tài)度都深深地影響并教育了我，并將成為我畢生收益的寶貴財(cái)富。 我還要感謝我身邊的同學(xué)們，他們?cè)谖业脑O(shè)計(jì)中也給予了很多支持和幫助。 最后向百忙之中參加論文評(píng)審和答辯的專家、教授們表示衷心的感謝！ 參 考 文 獻(xiàn) [1] 劉世廉，宋金澤，馬宏緒，基于腱傳動(dòng)的仿人型多指機(jī)械手的簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)，電子機(jī)械工程，2004. [2] 張文增,陳強(qiáng),孫振國(guó),徐磊.高欠驅(qū)動(dòng)的擬人機(jī)器人多指手,清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2004年第44卷第5期. [3] 鄒慧君，傅祥志機(jī)械原理.1999年第1版.P36-P94.北京：高等教育出版社. [4] 黃靖遠(yuǎn)，高志，陳祝林 主編.《機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)》第三版.機(jī)械工業(yè)出版社. [5] 熊有倫，丁漢，機(jī)器人學(xué)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993. [6] 秦志強(qiáng)，機(jī)器人多指手操作的理論和實(shí)踐研究：[博士學(xué)位論文]，武漢：華中理工大學(xué)，1998. [7] http://www.brown.edu/ [8] http://www.cyberhand.org/ [9] 張文增，田 磊，陳 強(qiáng)等.機(jī)器人擬人手欠驅(qū)動(dòng)多指裝置[P].中國(guó)發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)枺?007100630701，申請(qǐng)日：2007年1月26. [10] 鄭修軍等 肌電假手的研究現(xiàn)狀，中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志.2003年，18卷，第3期. [11] 周勝軍，白智鵬等.淺析肌電假肢人造假肢控制原理和機(jī)構(gòu)，醫(yī)療裝備，1997. [12] 郝智秀，申永勝.握取力自適應(yīng)控制.清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.1999,Vol.39,No.214/3354～56. [13] 胡天培.肌電特征發(fā)現(xiàn)與肌電康復(fù)研究.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào).1994,第28卷，第3期. [14] 包海濤，朱林劍.智能假手控制模式的探討.2002年國(guó)際康復(fù)工程與臨床康復(fù)學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.2002. [15] 王大康 主編.《機(jī)械設(shè)計(jì)綜合課程設(shè)計(jì)》.繼續(xù)工業(yè)出版社出版. [16] B.Massa, S.Roccella, M.C.Carrozza, P.Dario.Design and Development of an Underactuated. Prosthetic Hand. Proceedings of the ICRA,2002,3374-3397. 27 一種新型機(jī)械假手的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn) 摘要：理想的上肢假手應(yīng)該可以被看作殘肢者身體自然的一部分，而且應(yīng)該有感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)能力。然而，這樣的一個(gè)控制假手方案仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離現(xiàn)實(shí)：目前的假手是一個(gè)或兩個(gè)自由度的簡(jiǎn)單的夾緊機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)只不過(guò)能恢復(fù)患者的一些夾捏的功能。本文介紹了一種基于“人—機(jī)”學(xué)和控制論方法的新型假手的設(shè)計(jì)與制造。我們的做法旨在為殘肢者提供“自然”的感覺(jué)與運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的假肢，通過(guò)整合機(jī)制仿生，傳感器，驅(qū)動(dòng)器和控制器于一體，并通過(guò)斷肢周圍的神經(jīng)系統(tǒng)連接控制假手。 1.導(dǎo)論 讓截肢者感覺(jué)假肢是自己身體的一部分，而且還可以代替截肢者的一些親密的感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)能力，這樣的新發(fā)明還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能成為現(xiàn)實(shí)。事實(shí)上，目前市場(chǎng)上的假肢還不能給患者用戶提供足夠的抓握功能和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)功能。目前可用假手的一個(gè)主要的問(wèn)題是缺乏自由度。商用假肢裝置，如Otto Bock SensorHand?，以及多功能手的設(shè)計(jì)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能提供人手的操縱能力。這有很多不同的原因。比如說(shuō)，假手的彎曲運(yùn)動(dòng)僅限于兩個(gè)或三個(gè)關(guān)節(jié)，是由一個(gè)單一的驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)掌指關(guān)節(jié)—拇指關(guān)節(jié)、食指關(guān)節(jié)和中指關(guān)節(jié)，而其他關(guān)節(jié)只能被動(dòng)的彎曲。 解決所有這些問(wèn)題的辦法是制定一個(gè)“控制論”方案，即機(jī)電一體化方案。這樣的一個(gè)方案必須解決以下這些商業(yè)假肢存在的問(wèn)題： 1、抓握能力不夠強(qiáng)； 2、難看的外形； 3、缺乏感官信息提供給截肢者； 4、缺乏一個(gè)“天然”的命令接口。 第一和第二個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)增加相應(yīng)的自由度來(lái)解決，在手的機(jī)構(gòu)上嵌入更多的驅(qū)動(dòng)器以及設(shè)計(jì)成對(duì)的關(guān)節(jié)可以做到這一點(diǎn)。增加相應(yīng)的自由度可以使假手更加靈活，自然就可以增強(qiáng)假手的抓握能力，而設(shè)計(jì)成對(duì)的關(guān)節(jié)就是為了使假手在外形上看起來(lái)舒適，從而解決了商業(yè)假肢外形難看的問(wèn)題。 第三個(gè)和第四個(gè)的問(wèn)題可以通過(guò)建立一個(gè)“自然”的接口來(lái)連接人工假手與殘肢周圍的神經(jīng)系統(tǒng)，以便有選擇性地接受信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明這種方案是可行的，可以讓肌電控制假手成為現(xiàn)實(shí)（解決第四個(gè)問(wèn)題），以及以適當(dāng)?shù)姆绞酵ㄟ^(guò)他/她的傳入/傳出神經(jīng)反饋一些感覺(jué)給截肢者來(lái)解決商業(yè)假肢普遍存在的第三個(gè)問(wèn)題。 本文重點(diǎn)介紹了目前在Scuola Superiore Sant’Anna的研究活動(dòng)，通過(guò)殘肢上的肌電信號(hào)來(lái)控制肌電假手的一些發(fā)展情況。 2.肌電假手的設(shè)計(jì) 從假手設(shè)計(jì)一開(kāi)始主要應(yīng)該考慮的問(wèn)題有以下幾個(gè)方面：美觀性，可控性，低噪音，重量輕和低能源消耗。這些要求要實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)把不同的功能（機(jī)制，驅(qū)動(dòng)，傳感和控制）嵌入到一個(gè)形狀，大小和外觀和人類的手極其相似的機(jī)構(gòu)當(dāng)中，這是一個(gè)綜合的設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)方法可以用這個(gè)詞來(lái)定義：“biomechatronic”設(shè)計(jì)。 2.1假手的結(jié)構(gòu) 該假手將配備3個(gè)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，以便提供一個(gè)三腳抓握機(jī)構(gòu)：兩個(gè)相同的手指驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和一個(gè)拇指驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。（見(jiàn)圖1） 圖一、假手的結(jié)構(gòu) 該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是基于兩個(gè)微型驅(qū)動(dòng)器，它可以分別驅(qū)動(dòng)內(nèi)部機(jī)械零件和手指關(guān)節(jié)；考慮的美觀因素，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器是完全集成在手的結(jié)構(gòu)里：第一個(gè)在手掌，第二個(gè)在靠近指節(jié)。這種雙立直插型關(guān)節(jié)被動(dòng)地被一個(gè)連接到中指端關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)所帶動(dòng)。拇指具有兩個(gè)活動(dòng)的自由度在近指端關(guān)節(jié)，其中一個(gè)被動(dòng)自由度在遠(yuǎn)指端關(guān)節(jié)處。 該抓握工作過(guò)程分為兩個(gè)相繼階段進(jìn)行，在這過(guò)程中兩個(gè)不同的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)起作用： 1）、靠近物體以及形狀適應(yīng)階段； 2）、手指的抓握階段。 事實(shí)上，在第一階段讓手指適應(yīng)被抓物體的外部形態(tài)特征的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)低輸出力矩電機(jī)。在第二個(gè)階段，拇指驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供強(qiáng)大的抓握力量，能夠在關(guān)鍵時(shí)候起作用，特別是抓取重量較大或者較滑的物體對(duì)象時(shí)。 重要的是應(yīng)該指出，這種機(jī)構(gòu)最為關(guān)鍵的問(wèn)題是在抓握階段，微型驅(qū)動(dòng)器要能經(jīng)受高負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)。 為了證明這種假手方案的可行性，我們從設(shè)計(jì)手指開(kāi)始（食指或者中指）。 2.2.手指原型的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā) 如上文所講，這兩個(gè)自由度手指原型的設(shè)計(jì)是盡可能按照人類手指的大小和運(yùn)動(dòng)習(xí)慣來(lái)設(shè)計(jì)。它包含三個(gè)手指機(jī)構(gòu)和手掌外殼（見(jiàn)圖2）。 圖2、手指圖案 為了在大小上和人類手指相似，兩個(gè)微型馬達(dá)分別被裝在手掌內(nèi)和靠近近指端的地方。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力是由微型線性直流無(wú)刷電機(jī)提供。 由電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力足以推動(dòng)指骨機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)抓握功能。此外，手掌外殼架提供軸的軸向和徑向的機(jī)械阻力。這就很明顯，在整個(gè)抓握過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和整個(gè)手指結(jié)構(gòu)應(yīng)該同時(shí)起作用才可以實(shí)現(xiàn)抓握功能。 第一個(gè)手指原型是采用FDM制造工藝過(guò)程（見(jiàn)圖3）。這一過(guò)程可以用ABS樹(shù)脂進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的三維實(shí)體制造，直接從CAD生成實(shí)體模型。 圖3、手指原型 2.3 手指指尖力的特征 第一批實(shí)驗(yàn)已經(jīng)完成，實(shí)驗(yàn)表明假手手指有足夠大的力來(lái)抓取物體。為了這個(gè)目標(biāo)，我們測(cè)量的力是手指直接壓在力傳感器上，各個(gè)關(guān)節(jié)都有測(cè)量。 兩個(gè)擺在眼前的任務(wù)已經(jīng)被確定，以便能夠獨(dú)立地衡量?jī)蓚€(gè)納入手指的驅(qū)動(dòng)器的力量： 任務(wù)一：推進(jìn)工作只能由遠(yuǎn)端執(zhí)行器來(lái)執(zhí)行。 任務(wù)二：推進(jìn)工作只能由近端執(zhí)行器來(lái)執(zhí)行。 對(duì)應(yīng)于每一項(xiàng)任務(wù)，兩個(gè)次要任務(wù)被識(shí)別發(fā)現(xiàn)(延伸，彎曲)，根據(jù)的是不活動(dòng)關(guān)節(jié)的位置。對(duì)應(yīng)于每個(gè)不同的子任務(wù)，各個(gè)關(guān)節(jié)不同的作用如圖4所示。 圖4、手指關(guān)節(jié)的每項(xiàng)任務(wù)。工作時(shí)活動(dòng)的關(guān)節(jié)用小圓圈畫(huà)出。 在力的測(cè)量過(guò)程中，指尖壓在力傳感器上。Z軸的分力被記錄，同時(shí)X軸和Y軸的輸出力也被檢測(cè)。通過(guò)調(diào)整手指的不同位置來(lái)獲得Z軸的力的大小。第一批實(shí)驗(yàn)測(cè)試已經(jīng)做了，旨在評(píng)估手指能有多大的力作用于被抓物體。 2.4 結(jié)果與討論 每個(gè)子任務(wù)進(jìn)行了十次實(shí)驗(yàn)。所得結(jié)果見(jiàn)圖5。在精細(xì)的操作下，這些假手手指的力可以比擬“自然”人類的手指的力，從而可以顯示出“biomechatronic”方案的可行性，至少在手指力這一項(xiàng)任務(wù)上是可以的。由電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)提供的輸出力足以推動(dòng)手指機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓握功能。 圖5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 3、智能神經(jīng)接口的發(fā)展 3.1 微小電極的制備 不同的硅基質(zhì)微電極的設(shè)計(jì)和加工采用的是微加工技術(shù)。三種不同的微電極的設(shè)計(jì)制造采用了不同的體積，電極尺寸。該設(shè)計(jì)主要用于積極的實(shí)驗(yàn)，所以叫做“Active Die 1”和“Active Die 2”。一張“Active Die 2”的圖片如圖6.一些骰子沒(méi)有納入電極（“被動(dòng)骰子“），這些骰子被用于控制。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械強(qiáng)度，每個(gè)硅片被安裝在鈦合金環(huán)上，通過(guò)激光焊接或電氣連接。 圖6 3.2、肌電研究成果 3.2.1、肌電方案的確定和研究方法 體內(nèi)實(shí)驗(yàn)是在新西蘭的一只成年雌性兔子身上進(jìn)行的。為了達(dá)到控制的目的，第一套實(shí)驗(yàn)用空渠道導(dǎo)航，然后NI根據(jù)沒(méi)有互相連接的“被動(dòng)”骰子進(jìn)行（即有通道的骰子，但沒(méi)有電極）。第二組實(shí)驗(yàn)是用完整的NI結(jié)合骰子進(jìn)行的。這兩套實(shí)驗(yàn)采用了同樣的實(shí)驗(yàn)步驟。 不同的實(shí)驗(yàn)運(yùn)用不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)配置來(lái)進(jìn)行。為了記錄從未受刺激的神經(jīng)，從空渠道再生神經(jīng)，從被動(dòng)骰子神經(jīng)，坐骨神經(jīng)由一對(duì)有恒電流脈沖電極來(lái)刺激，刺激強(qiáng)度不盡相同。（持續(xù)時(shí)間=0.08—0.1毫秒）。陽(yáng)極和陰極都能得到相應(yīng)的刺激。這樣的神經(jīng)電圖分析結(jié)果是通過(guò)從記錄電極（放置在距離刺激點(diǎn)50毫米的一個(gè)地方）測(cè)量的復(fù)合動(dòng)作電位來(lái)獲得的。在動(dòng)物體內(nèi)植入NI，這種連接器連接到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電生理學(xué)的設(shè)置來(lái)記錄神經(jīng)刺激。一個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)允許每十個(gè)神經(jīng)接口電極連接到這個(gè)電子設(shè)備上。 單脈沖（振幅范圍=40微安—1毫安，持續(xù)時(shí)間=0.2毫秒）被傳送到每個(gè)電極界面。當(dāng)肌肉收縮被觀察到，從而表明軸突的出現(xiàn)，同一途徑的神經(jīng)刺激接口被連接到記錄設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)。腿部的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)也被記錄。（即拉伸）。 3.2.2 電生理信號(hào)的計(jì)算機(jī)分析 來(lái)自放大器的信號(hào)被儲(chǔ)存在一個(gè)磁帶里面，然后在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)里回放和數(shù)字化（使用MIO-16 A/D轉(zhuǎn)換器）。基于虛擬編程技術(shù)，合適的程序被使用，以便獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和同步電刺激。復(fù)合動(dòng)作電位的振幅和延時(shí)長(zhǎng)度被測(cè)量，以評(píng)估再生神經(jīng)的恢復(fù)功能。 3.2.3 使用NI#6刺激和記錄神經(jīng)軸突 最有趣的結(jié)果是使用NI#6在對(duì)兔子進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。在這種特定的動(dòng)物體內(nèi)，刺激與記錄進(jìn)行了48天。在這個(gè)時(shí)候通過(guò)接口神經(jīng)再生。沒(méi)有神經(jīng)損傷或設(shè)備故障的出現(xiàn)。在控制實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)組織反映相似。 動(dòng)作電位持續(xù)時(shí)間大約1—1.5毫秒，振幅約為110微伏。從休息到劇烈運(yùn)動(dòng)的肌電圖如圖7所示。 圖7、 A 是腿或腳劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)的電圖 B 是運(yùn)動(dòng)停止后的電圖 C 是休息時(shí)的電圖 3.2.4使用NI#6神經(jīng)刺激 通過(guò)NI#6獲得了神經(jīng)刺激，證明了是通過(guò)微電極陣列將兔子腿或腳收縮時(shí)產(chǎn)生的每個(gè)脈沖傳遞到神經(jīng)系統(tǒng)。目前能引起收縮的閥值是0.1微安，低于目前神經(jīng)控制實(shí)驗(yàn)使用外電極刺激的需要。清楚的肌電信號(hào)記錄了肌肉收縮的狀態(tài)如圖8所示。 圖8、神經(jīng)刺激時(shí)記錄的肌電信號(hào) 4、工程信號(hào)處理技術(shù) 為了驗(yàn)證記錄運(yùn)動(dòng)神經(jīng)的工程信號(hào)資料的可行性，我們進(jìn)行了一些初步的實(shí)驗(yàn)與研究，實(shí)驗(yàn)與研究的領(lǐng)域是在在感覺(jué)與運(yùn)動(dòng)相互作用這一塊（奧爾堡大學(xué)，奧爾堡—DK）。在本節(jié)中，我們將對(duì)這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果作簡(jiǎn)要的分析說(shuō)明。 4.1、實(shí)驗(yàn)裝置 用四個(gè)雌性成年的新西蘭兔子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（逐個(gè)用號(hào)碼標(biāo)志）。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中使用了丹麥倫理委員會(huì)使用的動(dòng)物研究所有的程序。整個(gè)神經(jīng)電極植入袖口處的脛骨和總神經(jīng)（這是主要的坐骨神經(jīng)）在兔子的左腿（袖口長(zhǎng)度約20毫米，內(nèi)徑分別約2毫米和1.8毫米）。袖口電極制作是根據(jù)所描述的步驟[14],除了直接切斷是用作最后的方法。腓腸神經(jīng)被立即切斷，以便在皮膚傳入實(shí)驗(yàn)中盡量減少不必要的記錄。如圖10，一個(gè)示意圖介紹了植入電極的袖口（類似兔子的籌備工作已經(jīng)用于其他實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)【14】）。 實(shí)驗(yàn)中使用到的實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括一個(gè)計(jì)算機(jī)控制的伺服電機(jī)，用作旋轉(zhuǎn)被實(shí)驗(yàn)兔子的踝關(guān)節(jié)。 支持和固定裝置配有4個(gè)應(yīng)變片作為扭矩傳感器（靈敏度為10納米/伏特）。一個(gè)光學(xué)的旋轉(zhuǎn)傳感器是用來(lái)記錄踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的（靈敏度=10度/伏特）。扭矩信號(hào)采樣信號(hào)為500赫茲。兔子放在右側(cè)，它的左腳放在一個(gè)搖籃里。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，兔子的膝蓋和踝關(guān)節(jié)是被固定的。[14]中詳細(xì)描述了試驗(yàn)裝置。整個(gè)神經(jīng)袖套記錄了200，000次，過(guò)濾使用了二階模擬過(guò)濾器（500Hz-5kHz）。一個(gè)正常人的踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)被記錄參考，以用作模板，為兔子踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)記錄做準(zhǔn)備。整個(gè)活動(dòng)的神經(jīng)和腓總神經(jīng)記錄在【14】中描述。所有的工程記錄都被修正好，集成在一個(gè)微軟窗口里。方位和扭矩?cái)?shù)據(jù)通過(guò)低通濾波器過(guò)濾。 4.2、模糊建模 三個(gè)實(shí)施模糊建模的特征如下： 1.改良過(guò)的FCRM模糊模型是一個(gè)TS型的模糊系統(tǒng)。要獲取規(guī)則直接從數(shù)據(jù)、模糊算法來(lái)得到【15】。 2.自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模糊推理系統(tǒng)（ANFIS）模型是一種TS模糊系統(tǒng)作為一個(gè)前饋神經(jīng)實(shí)施的網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的混合學(xué)習(xí)過(guò)程的主要特點(diǎn)如【16】所描述。 3.動(dòng)態(tài)非單例模糊邏輯系統(tǒng)（DNSFLS）是曼達(dá)尼模糊系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施的范圍如【17】描述。 4.3、預(yù)測(cè)的結(jié)果 要比較不同模糊模型的性能，可以采用預(yù)測(cè)誤差的均方根來(lái)衡量。表一給出了預(yù)測(cè)誤差。 表一：不同模糊模型的有效值的預(yù)測(cè)誤差 模糊模型 訓(xùn)練 Traject有效值 測(cè)試 Traject有效值 規(guī)則 FCRM 0.0216 0.0480 49 ANFIS 0.0047 0.0079 49 DNSFLS 0.0013 0.0057 45 5、結(jié)論 本文簡(jiǎn)單介紹了在圣安娜進(jìn)行的一項(xiàng)關(guān)于肌電控制假手的研究活動(dòng)。目前，我們正在設(shè)計(jì)一種新型的肌電假手，以及在深入研究工程信號(hào)的處理技術(shù)。此外，歐盟的一些研究組織目前正在制定一個(gè)植入系統(tǒng)，使用外部控制系統(tǒng)來(lái)記錄和刺激工程信號(hào)。這個(gè)裝置可以被用在設(shè)計(jì)肌電控制假手的實(shí)驗(yàn)中。 6、鳴謝 這項(xiàng)研究工作受到社會(huì)的大力支持，其中包括題為“人體修復(fù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究”的研究機(jī)構(gòu)，還有目前正在進(jìn)行“康復(fù)工程的應(yīng)用研究”機(jī)構(gòu)，這是一個(gè)隸屬于國(guó)家勞動(dòng)事故機(jī)構(gòu)，以及還有圣安娜大學(xué)等等。這項(xiàng)工作部分已經(jīng)被歐盟著手實(shí)施。 作者感謝卡羅先生和加布里埃先生提供的寶貴的技術(shù)援助。作者還要感謝里納爾多先生對(duì)于“biomechatronic”假手概念的有益討論和批評(píng)。 參考資料 【1】辛普森博士，“multimovement”假肢控制系統(tǒng)的選擇，下體假肢的控制研究，與赫伯茲合編，1974 【2】格林，霍根，肘部機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不受限制的研究，康復(fù)工程。楊永康。1995 【3】PJ安格紐，肌電假肢功能的效率性與功能分裂：?jiǎn)我恢黧w實(shí)驗(yàn)，普羅斯特，詮釋。1981，92-96 【4】S.-E. 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