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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：
專業(yè)班級(jí)：
學(xué)生姓名：
學(xué)生學(xué)號(hào)：
指導(dǎo)教師姓名
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)狀來看，基于殘余臂EMG(肌電)信號(hào)的運(yùn)動(dòng)解碼器對于手的運(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)單元過多，重量較重，也很難被市場接受。
為了解決上面的問題，本文設(shè)計(jì)并開發(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，主要由截肢者通過肩膀、上臂和軀干等肢體的運(yùn)動(dòng)，并借助力牽引索來驅(qū)動(dòng)和控制假肢手運(yùn)動(dòng)。該型假肢手設(shè)計(jì)簡單，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)。通過安裝在殘余臂肌肉表面的電極所產(chǎn)生的電信號(hào)來控制電機(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
英國南安普頓大學(xué)Dr Paul Chappell近年來基于對人手和手指的研究基礎(chǔ)上對假肢手和機(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)壓電傳感器來檢測抓取穩(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
我國從60年代初開始探討應(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)，我國殘肢者正在使用的各類肌電控制假手已達(dá)數(shù)萬只。事實(shí)上，我國的假手方面的研究與國外相比還存在較大的距離，從事這一領(lǐng)域研究和開發(fā)的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)相對較少，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。因此開發(fā)和研制國產(chǎn)的智能假手有廣泛的應(yīng)用前景和社會(huì)效益。我國一些大學(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)開發(fā)出來的商品化的性能比較完善的假手仍然是單自由度、開環(huán)控制系統(tǒng)的肌電假手。盡管科研人員對假手作了很多研究，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。
近年來為了解決假肢手的驅(qū)動(dòng)和自由度的矛盾，國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)對物體的形狀自適應(yīng)抓取，控制策略十分簡單。
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化。
§1.2 假手研究的目的和意義
根據(jù)全國殘疾人抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)推算，全國各類殘疾人的總數(shù)為8296萬人。按照國家統(tǒng)計(jì)局公布的2005年末全國人口數(shù)，推算出本次調(diào)查時(shí)點(diǎn)的我國總?cè)丝跀?shù)為130948萬人，據(jù)此得到2006年4月1日我國殘疾人占全國總?cè)丝诘谋壤秊?.34%。其中肢體殘疾2412萬人，占?xì)埣部側(cè)丝诘?9.07%。
與1987年第一次全國殘疾人抽樣調(diào)查比較，我國殘疾人口總量增加，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，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)過長時(shí)間的訓(xùn)練才能夠使用，難以通過“自然”和“本能”的方式控制，使用很不方便。
由此可見，生物機(jī)電一體化假肢手的研究與開發(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，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)過放大器對信號(hào)進(jìn)行放大處理，來控制假手。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看，增加手的自由度和獨(dú)立驅(qū)動(dòng)單元數(shù)無疑是最直接的方法，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)狀來看，基于殘余臂EMG信號(hào)的運(yùn)動(dòng)解碼器對于手的運(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。
要對自由度進(jìn)行配置，首先對人手進(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、無名指和小指分別由一個(gè)電機(jī)各通過一個(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)手指的過程中的兩個(gè)關(guān)鍵部位：一是手指的框架。手指采用“門”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。轉(zhuǎn)軸的安裝采用一側(cè)沉孔，一側(cè)螺紋連接的方式，見圖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)?；钊麠U的一段有螺紋連接，可以與右側(cè)的搖臂連接。通過調(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度。螺紋連接處的螺母可以在調(diào)整完初始長度以后，與搖臂擰緊，防止連接松動(dòng)，改變彈性桿初始長度，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、無名指和小指分別由一個(gè)電機(jī)各通過一個(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。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。對于機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)，工作原理確定后，要對機(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)物體的形狀不宜過大。
2）確定假手的總體參數(shù)。對于不同類型的機(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。假手是用來抓握物體的，所以對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80mm，重量不超過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)手指通過根部基架固定在手掌上，齒輪齒條差動(dòng)機(jī)構(gòu)對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。手指的框架是采用“門”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)通過手指跟關(guān)節(jié)基座來連接的，如圖4-3-4，基座可以通過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。
之所以沒有采用一般機(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)，對整個(gè)假手機(jī)構(gòu)進(jìn)行了簡要的分析與討論，完成的主要工作有：
1.對國內(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)了長度可變的彈性桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了單一手指對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)鍵理論問題，開發(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福音，同時(shí)對于生物機(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，他們在我的設(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審和答辯的專家、教授們表示衷心的感謝！
參 考 文 獻(xiàn)
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