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【中文6450字】
機(jī)械手的機(jī)械和控制系統(tǒng)
文章來源: Dirk Osswald, Heinz W?rn. Department of Computer Science , Institute for Process Control and Robotics (IPR).,Engler-Bunte-Ring 8 - Building 40.28.
摘要: 最近，全球內(nèi)帶有多指夾子或手的機(jī)械人系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展起來了， 多種方法應(yīng)用其上，有擬人化的和非擬人化的。不僅調(diào)查了這些系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu),而且還包括其必要的控制系統(tǒng)。如同人手一樣，這些機(jī)械人系統(tǒng)可以用它們的手去抓不同的物體，而不用改換夾子。這些機(jī)械手具備特殊的運(yùn)動能力（比如小質(zhì)量和小慣性），這使被抓物體在機(jī)械手的工作范圍內(nèi)做更復(fù)雜、更精確的操作變得可能。這些復(fù)雜的操作被抓物體繞任意角度和軸旋轉(zhuǎn)。本文概述了這種機(jī)械手的一般設(shè)計方法，同時給出了此類機(jī)械手的一個示例，如卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ。本文末介紹了一些新的構(gòu)想，如利用液體驅(qū)動器為類人型機(jī)器人設(shè)計一個全新的機(jī)械手。
關(guān)鍵詞：多指機(jī)械手；機(jī)器人手；精操作；機(jī)械系統(tǒng)；控制系統(tǒng)
1. 引言
2001年6月在德國卡爾斯魯厄開展的“人形機(jī)器人”特別研究，是為了開發(fā)在正常環(huán)境（如廚房或客廳）下能夠和人類合作和互動的機(jī)器人系統(tǒng)。設(shè)計這些機(jī)器人系統(tǒng)是為了能夠在非專業(yè)、非工業(yè)的條件下（如身處多物之中），幫我們抓取不同尺寸、形狀和重量的物體。同時，它們必須能夠很好的操縱被抓物體。這種極強(qiáng)的靈活性只能通過一個適應(yīng)性極強(qiáng)的機(jī)械人手抓系統(tǒng)來獲得，即所謂的多指機(jī)械手或機(jī)器人手。
上文提到的研究項目，就是要制造一個人形機(jī)器人，此機(jī)器人將裝備這種機(jī)器人手系統(tǒng)。這個新手將由兩個機(jī)構(gòu)合作制造，它們是卡爾斯魯厄大學(xué)的IPR（過程控制和機(jī)器人技術(shù)研究院）和c（計算機(jī)應(yīng)用科學(xué)研究院）。這兩個組織都有制造此種系統(tǒng)的相關(guān)經(jīng)驗，但是稍有不同的觀點。
IPR制造的卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（如圖1所示），是一個四指相互獨(dú)立的手爪，我們將在此文中詳細(xì)介紹。IAI制造的手（如圖17所示）是作為殘疾人的假肢。
圖1.IPR的卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ 圖2. IAI開發(fā)的流體手
2. 機(jī)器人手的一般結(jié)構(gòu)
一個機(jī)器人手可以分成兩大主要子系統(tǒng)：機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。
機(jī)械系統(tǒng)又可分為結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)，我們將在第三部分作進(jìn)一步介紹。在第四部分介紹的控制系統(tǒng)至少由控制硬件和控制軟件組成。
我們將對這兩大子系統(tǒng)的問題作一番基本介紹，然后用卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ演示一下。
3. 機(jī)械系統(tǒng)
機(jī)械系統(tǒng)將描述這個手看起來如何以及由什么元件組成。它決定結(jié)構(gòu)設(shè)計、手指的數(shù)量及使用的材料。此外，還確定驅(qū)動器（如電動機(jī)）、傳感器（如位置編碼器）的位置。
3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
結(jié)構(gòu)設(shè)計將對機(jī)械手的靈活度起很大的作用，即它能抓取何種類型的物體以及能對被抓物體進(jìn)行何種操作。設(shè)計一個機(jī)器人手的時候，必須確定三個基本要素：手指的數(shù)量、手指的關(guān)節(jié)數(shù)量以及手指的尺寸和安置位置。
為了能夠在機(jī)械手的工作范圍內(nèi)安全的抓取和操作物件，至少需要三根手指。為了能夠?qū)Ρ蛔ノ矬w的操作獲得6個自由度（3個平移和3個旋轉(zhuǎn)自由度），每個手指必須具備3個獨(dú)立的關(guān)節(jié)。這種方法在第一代卡爾斯魯厄靈巧手上被采用過。但是，為了能夠重抓一個物件而無需將它先釋放再拾取的話，至少需要4根手指。
要確定手指的尺寸和安置位置，可以采用兩種方法：擬人化和非擬人化。然后將取決與被操作的物體以及選擇何種期望的操作類型。擬人化的安置方式很容易從人手到機(jī)器人手轉(zhuǎn)移抓取意圖。但是每個手指不同的尺寸和不對稱的安置位置將增加加工費(fèi)用，并且是其控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，因為每個手指都必須分別加以控制。對于相同手指的對稱布置，常采用非擬人化方法。因為只需加工和構(gòu)建單一的“手指模塊”，因此可減少加工費(fèi)用，同時也可是控制系統(tǒng)簡化。
3.2 驅(qū)動系統(tǒng)
指關(guān)節(jié)的驅(qū)動器對手的靈活度也有很大的影響，因為它決定潛在的力量、精度及關(guān)節(jié)運(yùn)動的速度。機(jī)械運(yùn)動的兩個方面需加以考慮：運(yùn)動來源和運(yùn)動方向。在這方面，文獻(xiàn)里描述了有幾種不同的方法，如文獻(xiàn)[3]中說可由液壓缸或氣壓缸產(chǎn)生運(yùn)動，或者，正如大部分情況一樣使用電動機(jī)。在多數(shù)情況下，運(yùn)動驅(qū)動器（如電機(jī)）太大而不能直接與相應(yīng)的指關(guān)節(jié)結(jié)合在一起，因此，這個運(yùn)動必須由驅(qū)動器（一般位于機(jī)器臂最后的連接點處）轉(zhuǎn)移過來。有幾種不同的方法可實現(xiàn)這種運(yùn)動方式，如使用鍵、傳動帶以及活動軸。使用這種間接驅(qū)動指關(guān)節(jié)的方法，或多或少地降低了整個系統(tǒng)的強(qiáng)度和精度，同時也使控制系統(tǒng)復(fù)雜化，因為每根手指的不同關(guān)節(jié)常常是機(jī)械地連在一起，但是在控制系統(tǒng)的軟件里卻要將它們分別獨(dú)立控制。由于具有這些缺點，因此小型化的運(yùn)動驅(qū)動器與指關(guān)節(jié)的直接融合就顯得相當(dāng)必要。
3.3 傳感系統(tǒng)
機(jī)器手的傳感系統(tǒng)可將反饋信息從硬件傳給控制軟件。對手指或被抓物體建立一個閉環(huán)控制是很必要的。在機(jī)器手中使用了3種類型的傳感器：
1. 手爪狀態(tài)傳感器確定指關(guān)節(jié)和指尖的位置以及手指上的作用力情況。知道了指尖的精確位置將使精確控制變得可能。另外，知道手指作用在被抓物體上的力，就可以抓取易碎物件而不會打破它。
2. 抓取狀態(tài)傳感器提供手指與被抓物體之間的接觸狀態(tài)信息。這種觸覺信息可在抓取過程中及時確定與物體第一次接觸的位置點，同時也可避免不正確的抓取，如抓到物體的邊緣和尖端。另外還能察覺到已抓物體是否滑落，從而避免物體因跌落而損壞。
3. 物體狀態(tài)或姿態(tài)傳感器用于確定手指內(nèi)物體的形狀、位置和方向。如果在抓取物體之前并不清楚這些信息的情況下，這種傳感器是非常必要的。如果此傳感器還能作用于已抓物體上的話，它也能控制物體的姿態(tài)（位置和方向），從而監(jiān)測是否滑落。
根據(jù)不同的驅(qū)動系統(tǒng)，有關(guān)指關(guān)節(jié)位置的幾何信息可以在運(yùn)動驅(qū)動器或直接在關(guān)節(jié)處出測量。例如，如在電動機(jī)和指關(guān)節(jié)之間有一剛性聯(lián)軸器，那么就可以用電機(jī)軸上的一個角度編碼器（在齒輪前或齒輪后）來測量關(guān)節(jié)的位置。但是如果此聯(lián)軸器剛度不夠或著要獲得很高的精度的話，就不能用這種方法。
3.4卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的機(jī)械系統(tǒng)
為了能夠獲得如重抓等更加復(fù)雜的操作，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（KDHⅡ）由4根手指組成，且每根手指由3個相互獨(dú)立的關(guān)節(jié)組成。設(shè)計該手是為了能夠在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用（圖3所示）和操縱箱、缸及螺釘螺帽等物體。因此，我們選用四個相同手指，將它們作對稱、非擬人化配置，且每個手指都能旋轉(zhuǎn)90°（圖4所示）。
鑒于從第一代卡爾斯魯厄靈巧手設(shè)計中得到的經(jīng)驗，比如因傳動帶而導(dǎo)致的機(jī)械問題以及較大摩擦因數(shù)導(dǎo)致的控制問題，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ采用了一些不同的設(shè)計決策。每根手指的關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3之間的直流電機(jī)被整合到手指前部肢體中（圖5所示）。這種布置可使用很硬的球軸齒輪將運(yùn)動傳遞到手指的關(guān)節(jié)處。處在電機(jī)軸上的角度編碼器（在齒輪前）此時可作為一個精度很高的位置狀態(tài)傳感器。
圖3.工業(yè)機(jī)器人上的KDHⅡ 圖4. KDHⅡ的頂視圖
為了感知作用在物體上的手指力量，我們發(fā)明了一個六維力扭矩傳感器（圖6所示）。這個傳感器可當(dāng)作手指末端肢體使用，且配有一個球形指尖。它可以抓取較輕的物體，同時也能抓取3-5kg相近的較重物體。此傳感器能測量X、Y和Z方向的力及繞相關(guān)軸的力矩。另外，3個共線的激光三角測量傳感器被安置在KDHⅡ的手掌上（圖5所示）。因為有3個這樣的傳感器，因此不僅可以測量3單點之間的距離，如果知道物體的形狀，還能測出被抓物體表面之間的距離和方向。物體狀態(tài)傳感器的工作頻率為1kHz，它能檢測和避免物體的滑落。
圖5. KDHⅡ的側(cè)視圖 圖6. 帶應(yīng)變計量傳感器的六自由度扭轉(zhuǎn)傳感器
4. 控制系統(tǒng)
機(jī)器人手的控制系統(tǒng)決定哪些潛在的靈巧技能能夠被實際利用，這些技能都是由機(jī)械系統(tǒng)所提供的。如前所述，控制系統(tǒng)可分為控制計算機(jī)即硬件和控制算法即軟件。
控制系統(tǒng)必須滿足以下幾個的條件：
1. 必須要有足夠的輸入輸出端口。例如，一具有9個自由度的低級手，其驅(qū)動器至少需要9路模擬輸出端口，且要有9路從角度編碼器的輸入端口。如再加上每個手指上的力傳感器、觸覺傳感器及物體狀態(tài)傳感器的話，則端口數(shù)量將增加號幾倍。
2. 需具備對外部事件快速實時反應(yīng)的能力。例如，當(dāng)檢測到物體滑落時，能立即采取相應(yīng)的措施。
3. 需具備較高的計算能力以應(yīng)對一些不同的任務(wù)。如可以對多指及物體并行執(zhí)行路徑規(guī)劃、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及閉環(huán)控制等任務(wù)。
4. 控制系統(tǒng)的體積要小，以便能夠?qū)⑵渲苯蛹傻讲僮飨到y(tǒng)當(dāng)中。
5. 在控制系統(tǒng)與驅(qū)動器及傳感器之間必須要電氣短接。特別是對傳感器來說，若沒有的話，很多的干擾信號將會干擾傳感器信號。
4.1 控制硬件
為了應(yīng)對系統(tǒng)的要求，控制硬件一般分布在幾個專門的處理器中。如可通過一個簡單的微控制器處理很低端的輸入輸出接口（馬達(dá)和傳感器），因此控制器尺寸很小，能輕易地集成到操縱系統(tǒng)中。但是較高水平的控制端口則需要較高的計算能力，且需要一個靈活實時操作系統(tǒng)的支持。這可以通過PC機(jī)輕易地解決。
因此，控制硬件常由一個非均勻的分布式計算機(jī)系統(tǒng)組成，它的一端是微控制器，而另一端則是一個功能強(qiáng)大的處理器。不同的計算單元則通過一個通信系統(tǒng)連接起來，比如總線系統(tǒng)。
4.2 控制軟件
機(jī)器人手的控制軟件是相當(dāng)復(fù)雜的。必須對要對手指進(jìn)行實時及平行控制，同時還要計劃手指和物體的新的軌跡。因此，為了減少問題的復(fù)雜性，就有必要將此問題分成幾個子問題來處理。
另一方面涉及軟件的開發(fā)。機(jī)器人手其實是一個研究項目，它的編程環(huán)境如用戶界面，編程工具和調(diào)試設(shè)施都必須十分強(qiáng)大和靈活。這些只能使用一個標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)才能得到滿足。在機(jī)械人中普遍使用的分層控制系統(tǒng)方法都經(jīng)過了修剪，以滿足機(jī)械手的特殊控制要求。
4.3卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的控制系統(tǒng)
如在4.1節(jié)中所說，對于卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的控制硬件，采用了一種分布式方法（圖7所示）。一個微控制器分別控制一個手指的驅(qū)動器和傳感器，另外一個微控制器用于控制物體狀態(tài)傳感器（激光三角傳感器）。這些微控制器（圖7左側(cè)和右側(cè)的外箱）直接安裝在手上，所以可以保證和驅(qū)動器及傳感器之間較短的電氣連接。這些微控制器都是使用串行總線系統(tǒng)和主控計算機(jī)連在一起的。這個主控計算機(jī)（圖7、圖8中的灰色方塊）是由六臺工業(yè)計算機(jī)組成的一個并行計算機(jī)。這些電腦都被排列在一個二維平面。相鄰電腦模塊（一臺電腦最多有8個相鄰模塊）使用雙端口RAM進(jìn)行快速通信（圖7中暗灰色方塊所示）。一臺電腦用于控制一個手指。另一臺用于控制物體狀態(tài)傳感器及計算物體之間的位置。其余的電腦被安在前面提到的電腦的周圍。這些電腦用于協(xié)調(diào)整個控制系統(tǒng)?？刂栖浖慕Y(jié)構(gòu)反映了控制硬件的架構(gòu)。如圖9所示。
圖7. KDH II的控制硬件構(gòu)架 圖8.控制KDH II的平行主計算機(jī)
一個關(guān)于此手控制系統(tǒng)的三個最高層次的網(wǎng)上計劃正在規(guī)劃。理想的物體位移命令可由優(yōu)越的機(jī)器人控制系統(tǒng)得到，并可用作物體路徑的精確規(guī)劃。根據(jù)已產(chǎn)生的目標(biāo)路徑就可規(guī)劃可行的抓取行為（手指作用在物體上的可行抓取位置點）?，F(xiàn)在知道了物體的運(yùn)動計劃，就可以由手指路徑規(guī)劃得出每個手指的運(yùn)動軌跡，并傳遞給系統(tǒng)的實時能力部分。如果一個物體被抓取了，那么其手指的運(yùn)動路徑就傳遞給了物體的狀態(tài)控制器。這個控制器控制物體的姿態(tài)，它由手指和物體狀態(tài)傳感器所決定，用以獲得所需的物體姿態(tài)。如果一個手指沒有跟物體接觸，那么它的移動路徑將會直接傳遞給手控制器。這個手控制器將相關(guān)的預(yù)期手指位置傳遞給所有的手指控制器，以協(xié)調(diào)所有手指的運(yùn)動。這些在手指傳感器的幫助下又反過來驅(qū)動手指驅(qū)動器。
圖9. KDHⅡ的手部控制系統(tǒng)
5. 實驗結(jié)果
為了驗證卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的能力，我們選擇了兩個要求操作問題。一個問題是在網(wǎng)上對處于外部影響下的被抓物體姿態(tài)（位置和方向）的控制。另一個問題是被抓物體必須能夠繞任意角度旋轉(zhuǎn)，這只能通過重抓才能實現(xiàn)。這可以反映卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ?qū)?fù)雜任務(wù)的操作能力。
5.1 物體姿態(tài)控制
這個物體姿態(tài)控制器的目的是為了確定好被抓物體的位置和方向以適合給定的軌跡。此任務(wù)必須在實時條件通過在線獲得，盡管有內(nèi)部變化及外部干擾的存在。內(nèi)部變化比如在物體移動過程中，球形指尖在被抓物體上的滾動。這種狀況如圖10、圖11所示。這將導(dǎo)致物體的不必要的額外移動和傾斜。這些錯誤的物體姿勢很難預(yù)先估計。因此，物體狀態(tài)傳感器的輸入必須要修改這些錯誤。對于卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ來說，其上的三個激光三角傳感器就是用來糾正此種錯誤的。圖12定量地說明了圖9中物體在沒有姿態(tài)控制情況下的傾斜情況。下圖顯示了在X方向上隨時間推移的預(yù)期軌跡，而上圖顯示了物體實際的旋轉(zhuǎn)（傾斜）結(jié)果情況。因為啟用了物體狀態(tài)控制，圖13中的物體傾斜得到了很大的減少。上圖物體的旋轉(zhuǎn)保持基本恒定，這和期望的一樣。
圖10.因滾動產(chǎn)生的額外位移 圖12.沒有狀態(tài)控制的物體傾斜
圖11.因球形指尖在物體上的滾動而產(chǎn)生 圖13.物體狀態(tài)控制下減少的物體
額外的不期望傾斜情況 傾斜情況
物體狀態(tài)控制器對補(bǔ)償外界干擾也是十分必要的。比如，機(jī)器人（手臂、手或手指）或被抓物體與外界的碰撞可能導(dǎo)致物體的滑落。這更有可能導(dǎo)致被抓物體的損耗，這是不能出現(xiàn)的情況。為了能夠避免物體在這種情況下的損失，就必須檢測出物體的滑落并迅速采取行動以穩(wěn)定物體的狀態(tài)。
為了驗證卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ控制系統(tǒng)對這種干擾情況的處理能力，我們做了以下的實驗：物件被抓后，將手指的接觸力恒定減少直至物體開始滑落。在激光三角傳感器檢測滑落后，物體狀態(tài)控制器采取措施將物體重新調(diào)控到所期望的位置。圖14和圖15展示了此種實驗的一個例子。尤其是圖14，它顯示出物體滑落啟動的相當(dāng)突然且相當(dāng)快。但是物體狀態(tài)控制器也能夠足夠快地檢測和補(bǔ)償滑落，這樣物體的位置（這里：特別是X方向，就是滑落的方向）和物體的方向能夠與最開始的期望值很快地相符。
圖14.滑落實驗：X方向的實際物體 圖15.滑落實驗：關(guān)于Z軸的實際
位置 物體方向
5.2 重抓
雖然卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ非常的靈活，但是它不能在第一次操作中就能得到每一個理想的對象操縱。這源于這樣一個事實：手指相對于正常的工業(yè)機(jī)器人來說是十分小的，因此所具備的工作范圍也是很有限的。如果物體被手指抓住，那么它第一次只能在所有手指的剩余空間內(nèi)被操縱?？尚胁僮鞯臈l件是所有的接觸點必須長期地處在相聯(lián)手指的工作范圍內(nèi)。這很大地限制了操作的可行性。為了能夠克服此種限制，一個叫做重抓的操作就必須執(zhí)行。即當(dāng)一個接觸點到達(dá)了相聯(lián)手指的限制區(qū)域時，這個手指就必須從物體上脫離，并移到一個新的接觸位置。這必須是多于3個手指的手才能使操作可靠。周期性的移動這些手指，就能使任意的操作變得可行。關(guān)于此種操作有一個例子，就是在大角度旋轉(zhuǎn)被抓物體時，此時重抓動作很有必要。圖16顯示了卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ在旋轉(zhuǎn)一個螺帽狀物體時的一系列圖片。這個物體是繞它的垂直軸旋轉(zhuǎn)的。在a到c圖中所有的手指都跟物體接觸，并且四個手指相互協(xié)調(diào)運(yùn)動才使物體旋轉(zhuǎn)。圖d到圖f顯示了一個手指的的重抓動作。在d圖中這個手指已經(jīng)運(yùn)動到其工作范圍的極限位置，這時所有手指的協(xié)調(diào)運(yùn)動也被終止。左前方的手指脫離物體并單獨(dú)移動到另一個接觸點。在圖f中這個手指重新跟物體接觸，另一個手指此時可以重新定位（沒有顯示）。所有的手指重新定位之后，協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動繼續(xù)進(jìn)行。視具體情況而定，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ也可以同時進(jìn)行幾個手指的重抓動作。這可以加速重抓過程，但是只能是被抓物體與外界接觸的條件下才有可能。比如說螺絲釘上的螺帽或孔里的一掛鉤。圖17顯示了卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ?qū)⒁粋€木柱從一個平方的基座孔內(nèi)拉出來的一系列圖片。圖a到圖b顯示木柱被拉出一半，然后左手指和右手指在同一時刻脫離物體并重新定位（圖c到圖e）。那之后，前面與后面的手指也重新定位（圖f）。那之后，整個木柱被拉出，從而可進(jìn)行進(jìn)一步的操作（沒有顯示）。
圖16.利用重抓旋轉(zhuǎn)螺帽狀物體 圖17.利用重抓從孔中拉出木柱
6.結(jié)論
為了使機(jī)械手能夠完成靈活精確的操作，一合適的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是必需的。這些介紹的標(biāo)準(zhǔn)是必需加以考慮的，正如文中所說。卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ表現(xiàn)的非常成功。這種機(jī)械手能夠抓取很大范圍的不同形狀、尺寸和重量的物體。被抓物體的姿態(tài)也能可靠地加以控制，即使在外部干擾的情況下。此外，由于此系統(tǒng)，復(fù)雜的精細(xì)操作（如重抓）也能實現(xiàn)。在人行機(jī)器人的特殊研究領(lǐng)域，基于一個不同的概念叫做流體化（圖2所示）的基礎(chǔ)上，小型機(jī)械手也具有擬人化和機(jī)械化。這概念是由卡爾斯魯厄研究中心的IAI所提出的。但是，這個控制軟件的主要結(jié)構(gòu)可經(jīng)過相應(yīng)修改而為此種小型機(jī)械手所用。
圖17：在IAI開發(fā)的流體手
4. 致謝
本文基于在過程控制和機(jī)器人研究所完成的研究。Prof. Dr.-Ing。 H.W?rn以及應(yīng)用計算機(jī)科學(xué)研究所教授Dr.-Ing。 G. Bretthauer。
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畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
設(shè)計（論文）題目： 手指康復(fù)機(jī)械臂設(shè)計
學(xué) 院 名 稱： 機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
班 級： 機(jī)制141
學(xué) 生 姓 名： 朱昊霽 學(xué)號： 14403010124
指 導(dǎo) 教 師： 易新華
2017年 10 月 12 日
1． 設(shè)計（論文）擬解決的主要問題
康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人技術(shù)是近年來迅速發(fā)展的一門新興技術(shù)，是機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的新應(yīng)用，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)取得了很大的成果。本次畢業(yè)設(shè)計是穿戴式手指康復(fù)機(jī)器臂的設(shè)計，它是康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的一種，可以固定在手指上，由驅(qū)動器驅(qū)動模仿手指的運(yùn)動狀態(tài)，從而帶動患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，使手指有運(yùn)動障礙的病人得到康復(fù)。
2． 設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容和基本要求
1) 根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，查閱手指的運(yùn)動學(xué)模型以及運(yùn)動軌跡的分析，設(shè)計手指康復(fù)機(jī)器臂的整體結(jié)構(gòu)方案。
2) 手指康復(fù)機(jī)械臂的運(yùn)動原理分析；
3) 設(shè)計手指與手掌之間的驅(qū)動方式，根據(jù)設(shè)計參數(shù)選擇合適的驅(qū)動器；
4) 設(shè)計手掌與手指之間的驅(qū)動方式，并選擇合適的驅(qū)動器；
5) 手指康復(fù)臂的裝配圖，主要零件圖及三維裝配圖。
3．推薦參考文獻(xiàn)（5篇以上，其中外文文獻(xiàn)至少2篇）
1. 張帆, 郭書祥, 魏巍. 欠驅(qū)動式外骨骼手指康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計和仿真[J]. 天津理工大學(xué)學(xué)報, 2015(2):30-34.
2. 邢科新, 徐琦, 黃劍,等. 一種新型穿戴式手功能康復(fù)機(jī)器人[J]. 中國機(jī)械工程, 2009, 20(20): 2395-2398.
3. 鄭若隱, 李繼婷, 王爽,等. 一種外骨骼式人手康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計[J]. 中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志, 2011, 26(8):759-762.
4. Feng-bin Qiao,Ting-Kai Xia,Ru-Qing Yang,Zheng-Fei Xu. Design of a terrain tentative sensing machine/sensor for a mobile robot [J] The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2006, 27:5-6.
5. Keisuke Kato,Shigeo Hirose. Development of the quadruped walking robot, TITAN-IX — mechanical design concept and application for the humanitarian de-mining robot [J] Advanced Robot, 2001, 15 (2).
4．進(jìn)度安排
2017.11.17 下達(dá)任務(wù)書并完成選題；
2017.11.18—2017.12.15 任務(wù)書、文獻(xiàn)綜述、外文翻譯、開題報告；
2017.12.18-12.22 完成開題論證，完成畢業(yè)設(shè)計中期檢查工作；
2018.01.19 學(xué)生完成并提交畢業(yè)設(shè)計初稿；
2018.03.05 學(xué)生完成并提交畢業(yè)設(shè)計二稿；
2018.03.15 學(xué)生完成并提交論文的最終稿，并向指導(dǎo)老師提交畢業(yè)設(shè)計全套資料；
2018.03.16 準(zhǔn)備答辯。
指導(dǎo)教師（簽字）
年 月 日
教研室主任審核意見：
教研室主任（簽字）
年 月 日
畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書
設(shè)計（論文）題目： 手指康復(fù)機(jī)械臂設(shè)計
學(xué) 院 名 稱： 機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
班 級： 機(jī)制141
學(xué) 生 姓 名： 朱昊霽 學(xué)號： 14403010124
指 導(dǎo) 教 師： 易新華
2017年 10 月 12 日
目錄
摘要 2
abstract 3
第一章 緒論 1
1.1引言 1
1.2國內(nèi)外對手臂康復(fù)治療的現(xiàn)狀 2
第二章 手指康復(fù)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 7
2.1手指結(jié)構(gòu)分析 7
2.2手指結(jié)構(gòu)設(shè)計 9
2.2手指康復(fù)手臂的運(yùn)動分析 9
2.3數(shù)值計算 12
第三章 手指康復(fù)機(jī)械手臂的三維建模 15
3.1軟件介紹 15
3.2 SolidWorks三維設(shè)計軟件的常用命令簡述 17
3.2.1.草圖繪制命令 17
3.2.2特征繪制命令 18
3.2.3鈑金、焊件等其它特征繪圖命令 19
3.2.4 邁迪數(shù)據(jù)庫等插件操作 20
3.3手指康復(fù)機(jī)械臂的建模 21
3.3.1手臂支撐的三維建模 21
3.3.2大拇指支撐塊的三維建模 21
3.3.3第一關(guān)節(jié)支撐塊的建模 22
3.3-4第二關(guān)節(jié)建模 24
3.3.5第二關(guān)節(jié)固定塊的建模 24
3.3.6第二關(guān)節(jié)建模 25
3.3.7手指和手臂綁帶的設(shè)計建模 26
3.3.8手指康復(fù)機(jī)械手臂的總裝 27
致 謝 29
參考文獻(xiàn) 30
摘要
手是人類最主要的驅(qū)動單元之一，在人類與環(huán)境的交互過程中，手的使用率達(dá)到百分之八十多。而手指又是人類軀體器官創(chuàng)傷率最高的部分，據(jù)統(tǒng)計在工作當(dāng)中，由于工傷因起的人身意外傷害，手指部分的創(chuàng)傷約占四分之一。然而在手指康復(fù)治療的過程當(dāng)中，大部分都無法恢復(fù)到以前的動作水平。目前單純依靠人工協(xié)助康復(fù)治療的方法不僅費(fèi)時費(fèi)力而且價格成本昂貴，而每一名康復(fù)治療醫(yī)生往往同時為幾名患者同時治療，不僅浪費(fèi)時間而且有可能耽誤患者的康復(fù)訓(xùn)練。在這個背景下，本課題主要研究一種自動的手指康復(fù)機(jī)械臂，通過電缸帶動連桿機(jī)構(gòu)模擬人類手指運(yùn)動軌跡，以達(dá)到人工協(xié)助手指康復(fù)的目的，并且有效避免了復(fù)雜的醫(yī)患關(guān)系，使患者自主進(jìn)行手指康復(fù)訓(xùn)練，促使手部技能的恢復(fù)。
abstract
Hand is one of the most important driving units of human beings. In the interaction between human and environment, the use rate of hand is more than 80 percent. And fingers are the most traumatic part of human organs and organs. According to statistics, in the work, because of the personal injury caused by industrial injury, the finger part trauma accounts for 1/4. However, in the process of finger rehabilitation, most of them can not recover to the previous level of action. At present, the method of rehabilitative treatment relying solely on artificial assistance is not only time-consuming but also expensive, and every rehabilitation physician often treats several patients at the same time, which not only wastes time, but also delays patient's rehabilitation training. Under this background, this paper mainly studies a kind of automatic finger rehabilitation arm, the electric cylinder drives the connecting rod mechanism to simulate human finger movement trajectory, in order to achieve the purpose of finger assisted rehabilitation, and effectively avoids the complicated relationship between doctors and patients, so that patients are independent of finger rehabilitation training, to promote the recovery of hand skills.
Key words: finger rehabilitation mechanical arm treatment for rehabilitation of finger movement of connecting rod mechanism
第一章 緒論
1.1引言
康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人技術(shù)是近年來迅速發(fā)展的一門新興技術(shù)，是機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的新應(yīng)用，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)取得了很大的成果。本次畢業(yè)設(shè)計是穿戴式手指康復(fù)機(jī)器臂的設(shè)計，它是康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的一種，可以固定在手指上，由驅(qū)動器驅(qū)動模仿手指的運(yùn)動狀態(tài)，從而帶動患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，使手指有運(yùn)動障礙的病人得到康復(fù)。
人類生活 90%的工作都由手部完成，因而手部功能對于人的日常生活至關(guān)重。 而龐大的工作量，也使得手部是人體最易受傷害的部位。 在所有工傷中，手部四分之一左右。 手部受傷后往往康復(fù)周期長，對完成精細(xì)動作的功能恢復(fù)多不，影響了患者的生活質(zhì)量。如何促進(jìn)傷后手的功能康復(fù)，已成為一個熱門的研究話題。
1960 年，加拿大骨科醫(yī)生Robert Salter [1][2]提出了連續(xù)被動活動康復(fù)療法ContinuousPassive Motion，簡稱CPM）。其主要理論為通過外力帶動患肢做長時間運(yùn)動，促進(jìn)患肢血液循環(huán)， 阻止病患關(guān)節(jié)僵硬與肌肉萎縮， 以達(dá)到加速康復(fù)的目的。 CPM療法已被證實療效顯著，可以有效加快手部康復(fù)速度。 但是這種高重復(fù)性、高勞動強(qiáng)度的康復(fù)方法，對理療師提出了很高要求。為了應(yīng)對這個問題，機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)被應(yīng)用到手部康復(fù)中， 通過外骨骼系統(tǒng)代替理療師，驅(qū)動患者手指各關(guān)節(jié)進(jìn)行被動運(yùn)動，促進(jìn)手部功能康。
通過長時間運(yùn)動加快血液循環(huán)，防止肌肉萎縮的質(zhì)量方法是有效的，所以說課題研究的手指康復(fù)機(jī)械手臂是有必要的。
1.2國內(nèi)外對手臂康復(fù)治療的現(xiàn)狀
1.2.1國外手指康復(fù)機(jī)械手臂的發(fā)展
在人體的構(gòu)造當(dāng)中，手指的骨骼偏小，不像四肢那樣龐大，早在九十年代，人們已經(jīng)研制出對人類軀干手臂、腿骨等的模擬仿生機(jī)械臂，可以幫助傷殘人士重新獲得自由行走的權(quán)利，假臂假肢的發(fā)展促進(jìn)了人類骨骼運(yùn)動學(xué)的發(fā)展。隨著新時代科技的飛速進(jìn)步和機(jī)電產(chǎn)品、自動化水平顯著提高的背景下，一些更加小巧，性能更加穩(wěn)定的機(jī)電設(shè)備產(chǎn)品油然而生，比如袖珍的小電機(jī)，不僅性能很高而且做工美觀，材料性能卓越，越來越受到醫(yī)療設(shè)備的關(guān)注，漸漸的開始滿足醫(yī)療設(shè)備的要求，所以目前對手指關(guān)節(jié)的輔助機(jī)械設(shè)備的研究也蓬勃發(fā)展，對手指關(guān)節(jié)的質(zhì)量康復(fù)設(shè)備的研究也顯得尤為重要。
下圖是美國研制的手指康復(fù)治療系統(tǒng)圖，它被稱作Hand Mentor 康復(fù)系統(tǒng)，它主要是由輔助顯示器和手指彎曲單元組成，患者在治療的過程中，按照屏幕提示進(jìn)行手指的彎曲、伸展。外部機(jī)械骨骼會根據(jù)不同情況進(jìn)行協(xié)助動作，以滿足患者對手指康復(fù)治療的目的。其發(fā)展使用比較早，成為較早的投入使用的手指康復(fù)治療手臂，并且以得到官方醫(yī)療機(jī)構(gòu)的認(rèn)可，并大規(guī)模投入使用。但其有一定缺陷，其手指一并包裹在手指治療機(jī)械中，不能對單根手指進(jìn)行治療，只能一塊彎曲、伸展。不能有效的對單個手指進(jìn)行集中治療康復(fù)，這是這類手指康復(fù)治療機(jī)械手臂的弊端。
圖1.2-1 美國研制的手指康復(fù)治療機(jī)械手臂
如下圖所示石油德國工業(yè)大學(xué)研制的手臂康復(fù)治療機(jī)械臂，他主要的結(jié)構(gòu)是在每個關(guān)節(jié)處采用兩根連桿的方式代替關(guān)節(jié)的運(yùn)動，一根手指兩個關(guān)節(jié)，共由四根連桿組成且其驅(qū)動單元獨(dú)立，即每個關(guān)節(jié)都由一個獨(dú)立的驅(qū)動單元組成，完成手指的彎曲、伸展動作。且在連桿末端裝有角度傳感器，有效的實時監(jiān)控手指的彎曲狀態(tài)，并進(jìn)行信號反饋。其缺點是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，驅(qū)動單元太多，控制起來比較復(fù)雜，一根手指的活動需要三個驅(qū)動單元來協(xié)助完成，其驅(qū)動單元太多導(dǎo)致了，五根手指不能同時進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，在有效空間內(nèi)只能單獨(dú)訓(xùn)練兩到三個手指，而且手指結(jié)構(gòu)長度不同，顯得設(shè)備雜亂，而且患者短時間內(nèi)不能很好的學(xué)會使用。
圖1.2-2 德國研制的手指康復(fù)治療機(jī)械手臂
近些年來，日本也推出了自己的手指康復(fù)治療機(jī)械手臂，其機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，但功能也相對來說比較強(qiáng)大，手臂總共有18個自由度，沒跟手指三個自由度，還有手掌與手臂之間也可以旋轉(zhuǎn)，其控制系統(tǒng)也采用較為先進(jìn)的信息數(shù)據(jù)采集，但其體積龐大，搬運(yùn)起來十分麻煩，智能就地治療，不能輕便的搬運(yùn)，患者收到局限性。
圖1.2-3 日本研制的手指康復(fù)治療機(jī)械手臂
1.2.2國內(nèi)手指康復(fù)治療機(jī)械手臂的發(fā)展
相比之下我國在手指康復(fù)治療機(jī)械手臂的研制比較晚，但是隨著我國經(jīng)濟(jì)實力和科技水平的提高，越來越重視對科研這塊的投入，不管資金還是科研設(shè)施都有長足的發(fā)展與進(jìn)步。對手指康復(fù)治療的機(jī)械手臂和機(jī)器人也從無到有，不斷進(jìn)步。目前哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、青島大學(xué)和華中科技大學(xué)也已經(jīng)開始對手指康復(fù)機(jī)械臂開展學(xué)術(shù)研究，并取得一定的成果。
下圖是哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的手指康復(fù)機(jī)械手臂，其主要是通過電機(jī)帶動齒輪旋轉(zhuǎn)然后通過四連桿機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)四連桿繞一圓心轉(zhuǎn)動實現(xiàn)模擬手指運(yùn)動軌跡的方式，其中關(guān)節(jié)處安有力學(xué)傳感器，可以反饋彎曲力的大小，自動調(diào)節(jié)力的大小，以適應(yīng)不同患者的需求，但其設(shè)計的手指康復(fù)治療機(jī)械手臂圍單一，因不同患者手臂距離有一定長度差值，無法彌補(bǔ)不同人群患者的需要，而且其設(shè)計為單一手臂設(shè)計無法適應(yīng)各手指長度不一的情況。
圖1.2-4 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的手指康復(fù)治療機(jī)械手臂
隨著新材料的層出不窮，一些新材料新思路也運(yùn)用在手指康復(fù)治療機(jī)械手臂的設(shè)計當(dāng)中，華中科技大學(xué)就是通過使用具有記憶功能的新穎材料模擬手指的彎曲狀態(tài)，其主要原理是通過氣壓或電流的輸出影響新材料的不同參數(shù)，使其彎曲大小不同，模擬代替手指筋骨，通過連接的鋼絲繩帶動手指連桿機(jī)構(gòu)獲得模擬手指運(yùn)動的效果。雖然新材料的使用是一個很好的創(chuàng)新，但是目前具有記憶功能的新材料還沒有解決其體積質(zhì)量的問題，促使其設(shè)計的手指康復(fù)治療機(jī)械手臂的重量和體積都比較大，無法快捷便捷的使用。
圖1.2-5 華中科技大學(xué)研制的手指康復(fù)治療機(jī)械手臂
綜上可見我國國內(nèi)的手指康復(fù)治療機(jī)械手臂的研究也在長足的進(jìn)步當(dāng)中，起重許多都已經(jīng)投產(chǎn)和不斷改進(jìn)當(dāng)中，相信一個屬于適合國內(nèi)國人的手指康復(fù)治療機(jī)械手臂的產(chǎn)品會越來越好，并走向國際科研的前列。
第二章 手指康復(fù)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1手指結(jié)構(gòu)分析
在人的手掌結(jié)構(gòu)構(gòu)造中，主要有骨骼支撐起手掌的骨架，然后通過軟組織帶動骨骼進(jìn)行彎曲伸展，其中包含提供養(yǎng)分的血液循環(huán)系統(tǒng)，和感知信息的神經(jīng)系統(tǒng)。其手臂的主要骨骼框架結(jié)構(gòu)可分為手臂、手腕、手掌和手指，其中五根手指長度不一，依次為大拇指、食指、中指、無名指和小拇指。
其中五根手指長度和粗細(xì)都不盡相同，其中手指除了大拇指和手掌鏈接的地方都有兩個關(guān)節(jié)項鏈作為手指彎曲伸展的圓心節(jié)點，為了更好的設(shè)計手指康復(fù)治療機(jī)械手臂查找資料參閱對普通人手指長度進(jìn)行分析，如下表：
表2.1-1普通人手指長度分析表
通過分析在設(shè)計時暫切取中值，以適應(yīng)更過的患者人群，在做設(shè)計后期根據(jù)不同情況再做修改。
通過高速攝像頭快速捕捉人在拿捏取放物品時各關(guān)節(jié)的狀態(tài)信息，分析規(guī)律，得出人們平時不管在取用什么物品時其各關(guān)節(jié)的運(yùn)動關(guān)系都想差無幾，其中規(guī)律可見下圖。
圖2.1-1 高速攝像頭下的手指運(yùn)動圖形
通過成像分析得出結(jié)論為：
θ2 = 4.65θ1
θ3 = 6.94θ1
2.2手指結(jié)構(gòu)設(shè)計
與手指運(yùn)動相關(guān)的手部骨骼主要包括掌骨、 近指骨、 中指 骨 及 遠(yuǎn) 指 骨， 并 依 次 由 掌 指 關(guān)節(jié)、 近端指關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)端指關(guān)節(jié)連接。依據(jù)手指關(guān)節(jié)運(yùn)動規(guī)律， 設(shè)計了四連桿終端牽拉式手指康復(fù)訓(xùn)練裝置， 由直線電機(jī)、 弧形架、 連桿及指套構(gòu)成， 連接點Ｇ、 Ｋ、 Ｂ、 Ａ、 Ｆ 均 為 鉸 鏈 結(jié) 構(gòu)。Ａ 點 有 限 位 銷， 用 于限定弧形架與連桿間的夾角范圍， 防止沿連桿方向的推力過小 甚 至 消 失?；?形 架、 連 桿 及 指 套 構(gòu) 成３自由度系統(tǒng)， １個獨(dú)立的輸入控制量， 因此屬于欠驅(qū)動式系統(tǒng)， 其終端運(yùn)動具有一定的不確定度套與遠(yuǎn)指骨固定后， 手指及機(jī)械機(jī)構(gòu)共同構(gòu)成了六連桿結(jié)構(gòu)， 決定了手指關(guān)節(jié)的活動范圍。
圖2.2-1手指康復(fù)治療機(jī)械手臂模型簡圖
2.2手指康復(fù)手臂的運(yùn)動分析
康復(fù)訓(xùn)練裝置必須能夠帶動手指在所需的范圍內(nèi)進(jìn)行屈曲伸展運(yùn)動， 這需要對機(jī)械構(gòu)件的各個尺寸進(jìn)行優(yōu)化 設(shè) 計。 將 圖 １ 中 手 指 及 前 端 機(jī) 械 構(gòu) 件（ 弧形架 ＢＡ 段、 連桿及指套） 簡化為圖２所示的運(yùn)動學(xué)模型。Ｃ、 Ｄ 兩 點 分 別 位 于 掌 指 關(guān) 節(jié) 與 近 端 指關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸中心， Ｅ 位于指套與手指終端接觸點， 且指套與遠(yuǎn)指骨相互垂直。由于遠(yuǎn)端指骨較短， 所以為了便于計算忽略其長度。角β、 γ 分別為掌指關(guān)節(jié)和近端指關(guān)節(jié)的彎曲角度， 弧形架轉(zhuǎn)動角度用α 表示，弧形架與連 桿 間 夾 角 用δ 表 示， 則 向 量（ β ０， γ ０， α ０，δ ０） 實際代表了手指及前端機(jī)械構(gòu)件的空間狀態(tài)，所有存在的空間狀態(tài)構(gòu)成狀態(tài)集Ｍ。對機(jī)械構(gòu)件尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的目的是使 Ｍ包含手指在屈曲伸展過程中所有可能的空間狀態(tài)。
圖2.2-2手指康復(fù)治療機(jī)械手模型運(yùn)行軌跡簡圖
當(dāng)電機(jī)做伸縮運(yùn)動時， 改變α值， Ａ 點坐標(biāo)可由α 唯一確定
ｘ Ａ ＝ｌ ３ｃｏｓ α
ｙ Ａ ＝ｌ ３ｓｉｎ α＋ｈ１
Ａ 點由鉸鏈連接， 因此連桿與弧形架間可發(fā)生自由轉(zhuǎn)動， 又由于限位銷的存在， 因此有δ ｍｉｎ ≤δ≤δ ｍａｘ
Ｆ 點位置由δ 確定，可通過方程組求得。
由于中指骨長度L2及指套高度H2 固 定，且兩者垂直，因點到Ｆ點距離為，
又因為Ｄ點到Ｃ點距離為L1， 因此有
由Ｅ點到Ｄ點及Ｆ點的距離關(guān)系可知
式中兩不等式依據(jù)人手指骨骼結(jié)構(gòu)特點及Ｄ、 Ｅ、 Ｆ３點的位置關(guān)系得到， ａ、ｂ和ｃ為Ｄ、Ｆ點所確定的直線方程的系數(shù)。
綜上所述,手指關(guān)節(jié)及前端機(jī)械構(gòu)件的狀態(tài)空間集求解過程為：
①給定某一α 值，求得 Ａ 點坐標(biāo)；
②給定某一δ 值，求得 Ｆ 點坐標(biāo)；
③由Ｆ點坐標(biāo)確定Ｄ、Ｅ點位 置，由公式可 知，其解的 數(shù)可能為１、 或者０， 其中０ 表示此種狀態(tài)不存在； ④ 當(dāng)狀態(tài)存在時， 由 各 點 坐 標(biāo)求 得 角 度β、 γ； ⑤ 在［ δ ｍｉｎ， δ ｍａｘ］內(nèi)， 令δ＝δ＋Δ δ， 重復(fù)過程②③④； ⑥令α＝α－Δ α，重復(fù)過程②③④⑤。經(jīng)過上述過程， 求得所有可能的向量（ β， γ， α， δ） 構(gòu)成的空間狀態(tài)集。手指及前端機(jī)械構(gòu)件的空間狀態(tài)集 Ｍ 由公式確定， 此狀態(tài)集中α受電機(jī)直接控制?；⌒渭艿霓D(zhuǎn)動范圍越大， 空間狀態(tài)集越大， 包含所有手指空間狀態(tài)的可能性越大。然而， 由于直線電機(jī)可推動弧形架轉(zhuǎn)動的角度有限， 因此需要對機(jī)械構(gòu)件后端（ 電機(jī)、 弧形架 ＫＢ 段及基座） 進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計使得電機(jī)推動弧形架轉(zhuǎn)動的角度滿足前端所需。圖３所示是電機(jī)及機(jī)械構(gòu)件后端的運(yùn)動學(xué)模型， 其 中Ｋ１、 Ｋ２ 分別為電機(jī)完全回縮及伸出時的終端位置，θ1、 θn 分別為完全回縮與伸出時ＫＢ 段與ｘ 軸的夾角， 則電機(jī)實際可推動弧形架轉(zhuǎn)動的角度為θ1－θn。由圖可知， 各點坐標(biāo)滿足方程：
圖2.2-3手指后端簡化運(yùn)動模型
考慮到訓(xùn)練裝置的可穿戴性，其尺寸大小應(yīng)該有所限定，因此應(yīng)有。另一方面，直線電機(jī)推動弧形架轉(zhuǎn) 的角度需要大于一定值θ １Ｎ， 且電機(jī)的推動弧形架的平均輸出扭矩應(yīng)該最大化， 即
式中：ｆ為電機(jī)輸出力，且為定值；ｈ為直線ＧＫ到原點Ｂ 的距離。
2.3數(shù)值計算
對于特定的手指長度， 利用數(shù)據(jù)分析進(jìn)行數(shù)值計算， 求解不同尺 寸 機(jī) 械 構(gòu) 件 下 運(yùn) 動 學(xué) 模 型 的 Ｍ， 找尋某一尺寸組合使得 Ｍ 包含手指屈伸過程中 所 有可能的空間狀態(tài)。對于給定的手指長度ｌ １、 ｌ ２， 需要確定機(jī)械構(gòu)件尺寸ｌ ３， ｌ ４、 ｈ １ 及ｈ ２。由于變量較多可以通過某 些 構(gòu) 件 的 實 際 情 況 進(jìn) 行 預(yù) 先 的 尺 寸 設(shè)定。考慮到設(shè)備的可穿戴性及美觀性， 應(yīng)盡量減小ｈ １、 ｈ ２， 同時為避免機(jī)械沖突， 設(shè)定ｈ １＝２．５ｃｍ， ｈ ２＝２ｃｍ。依據(jù)初步計算結(jié)果， ｌ ４＝４ｃｍ 通?？扇〉幂^好效果。以ｌ １＝４．５ｃｍ、 ｌ ２＝３ｃｍ、 ６０°≤δ≤１２０°為例， 求 得 在 式（ １） ～ 式（ ５） 限 定 下 不 同ｌ ３所 對 應(yīng) 的Ｍ， 僅取其中的β及γ、 繪制手指空間狀態(tài)圖， 如圖４所示（ 陰影部分）。設(shè)定手指完全伸展時β與γ 均為０°， 中（ ０， ０） 點， 而 目 標(biāo) 屈 曲 狀 態(tài) 時β 與γ 分 別為６０°、 ８０°，中（ ６０， ８０） 點。從 計 算 結(jié) 果 可 以看出： 當(dāng)ｌ ３≤７．５ｃｍ 時， 手指無法達(dá)到目標(biāo) 屈 曲 狀態(tài)； 當(dāng)ｌ ３≥９ｃｍ 時， 手指無法達(dá)到完全伸展?fàn)顟B(tài)； 當(dāng)８ｃｍ≤ｌ ３≤８．５ｃｍ 時， 對于當(dāng)前給定的手指長度， 手指可在完全伸展及目標(biāo)屈曲狀態(tài)間運(yùn)動。Ｍ 包含了 弧 形 架 轉(zhuǎn) 動 過 程 中 所 有 可 能 的 手 指
及機(jī)械構(gòu)件空間狀態(tài)。為了觀察各個角度隨弧形架轉(zhuǎn)動的變化情況， 不失一般性地選擇從伸展?fàn)顟B(tài)（ ０，０） 點到目標(biāo)屈曲狀態(tài)（ ６０， ８０） 點的直線Ｌ 作為手指狀態(tài)變化的軌跡。利用空間狀態(tài)搜尋法來實現(xiàn)這一過程， 僅考察元素β、 γ， 找尋 Ｍ 中離伸展?fàn)顟B(tài)（ ０， ０）點最近的點 ｍ０， 并記錄α的值為弧形架的初始狀態(tài)α ０。在第ｉ（ ｉ＝１， ２， ３，…） 步中， 令α ｉ＝α ０－ｉ α， 找尋Ｍ 中元素α 等于α ｉ 且離直線Ｌ 最近（ 僅考察元素β、γ） 的點 ｍ ｉ， 直至達(dá)到目標(biāo)屈曲狀態(tài)（ ６０， ８０） 點。
圖2.3-1不同關(guān)節(jié)支撐架對手指移動范圍的關(guān)系圖
由上述所得的一系列狀態(tài)點可得夾角δ 及角度β、 γ隨α 變化的曲 線， 如 圖５所 示。β從０．１７°變 化到６０．５５°， γ 從０．２５° 變化到８０．７３°， δ在６０° 與１２０° 范圍內(nèi)連續(xù)變化， 滿足設(shè)計要求。同時， 整個過程弧形架轉(zhuǎn)動８４°， 即θ １Ｎ＝８４°電機(jī)位置由尺寸ｌ ５、 ｌ ６ 確定， 滿足公式）所描 述 的 限 定 條 件。 電 機(jī) 回 縮 狀 態(tài) 下 的 長 度 為8.25ｃｍ， 完全 伸 出 時 的 長 度 為１１．２５ｃｍ。實 際 制作的機(jī)械構(gòu)件尺寸不可能過大， 考慮可穿戴性及美觀性， 在此限定ｌ ５＜１４ｃｍ， ｌ ６＜５ｃｍ。由于ｆ 為定值， 為１Ｎ， 則可得 不 同ｌ ５ 與ｌ ６ 組 合 下 電 機(jī) 輸 出 平均扭矩） 及可推動弧形架旋轉(zhuǎn)的角度， 其中值為０的區(qū)域表示此點對應(yīng)的ｌ ５、 ｌ ６ 尺寸與電機(jī)尺寸ｌ ７ 無法構(gòu)成三角形。
以所示結(jié)果為例， θ １－θ ２ 應(yīng) 該 大 于84度， 在此設(shè)定為90度， 另外考慮輸出扭矩最大化， 則最優(yōu)點對應(yīng)的ｌ ５、 ｌ ６ 分被為2.9、 8.4ｃｍ， 此 時 電 機(jī) 可 推 動弧形架旋轉(zhuǎn)90度和59度。從上述分析可知， 前端機(jī)械構(gòu)件的尺寸必須與手指長度匹 配 才 能 夠 使 手 指 有 足 夠 的 關(guān) 節(jié) 活 動 范圍。為每位患者定制一套機(jī)械構(gòu)件顯然是不現(xiàn)實的。
圖2.3-2電缸輸出力與L5和L6的關(guān)系
第三章 手指康復(fù)機(jī)械手臂的三維建模
3.1軟件介紹
目前三維設(shè)計軟件是比較常用的軟件，其功能強(qiáng)大可以繼承許多專業(yè)的插件，以滿足不同設(shè)計的需求，而且可以在三維模型的基礎(chǔ)上出具二維工程圖，簡單便捷，直觀性比較強(qiáng)，避免了二維CAD畫圖對加工技術(shù)人員由于不細(xì)心導(dǎo)致的不必要的失誤。目前三維設(shè)計軟件種類很多，常用的有SolidWorks、UG、proe、catia、3DMAX、犀牛等眾多三維軟件，但其側(cè)重點也有許多不同。SolidWorks三維軟件因其標(biāo)準(zhǔn)件庫比較多，比如軸承、同步輪、同步帶、電動機(jī)、螺栓等標(biāo)準(zhǔn)件庫眾多，使用起來比較簡單方便，而且具有鈑金、焊件等一類的設(shè)計命令，比較適合機(jī)械行業(yè)的使用，尤其非標(biāo)自動化行業(yè)的運(yùn)用，但其曲面命令相對較少，在做曲面類零件時往往比較麻煩。UG設(shè)計軟件相對來說對磨具制造行業(yè)運(yùn)用比較廣泛，其模具制造的分型面、分模命令、而且集成西門子設(shè)備可以模擬刀路運(yùn)行和直接編輯行程加工軌跡的G代碼，被廣泛應(yīng)用于模具行業(yè)。Proe和CATIA其曲面命令相對來說操作簡單，在車輛設(shè)計和打飛機(jī)的設(shè)計等運(yùn)用比較廣泛，但其畫圖等要求比較嚴(yán)謹(jǐn)，也對設(shè)計人員提出了更高要求。3Dmax和犀牛類軟件主要運(yùn)用在產(chǎn)品設(shè)計人員的使用率較高，主要是對產(chǎn)品的外觀要求表較高，后期可以借助專業(yè)的渲染軟件加強(qiáng)對產(chǎn)品設(shè)計的美觀性與協(xié)調(diào)性，經(jīng)常廣泛性的應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域。歸根揭底不管哪一類三維設(shè)計軟件都有其長處，都在差異化的基礎(chǔ)上求同，其設(shè)計性能是越來越便捷越來越高效。只要掌握一兩種三維設(shè)計軟件基本可以滿足對產(chǎn)品、設(shè)備等的設(shè)計與制造。
本次對手指康復(fù)機(jī)械手臂的設(shè)計采用solidworks建模分析。
3.2 SolidWorks三維設(shè)計軟件的常用命令簡述
3.2.1.草圖繪制命令
圖3.2-1草圖繪制命令
草圖繪制命令主要有圓、矩形、線、線條等的基本命令，還有草圖陣列、鏡像等的實用工具，其主要操作方法就是在建立基準(zhǔn)繪制面的基礎(chǔ)上進(jìn)行草圖的繪制，將其結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)定完成后通過后期特征命令再進(jìn)行操作，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)等命令可以實現(xiàn)二維到三維圖紙的變換。
3.2.2特征繪制命令
圖3.2-2特征繪制命令
常用的特征繪制命令有拉伸、切除、旋轉(zhuǎn)、掃描、圓角、實體特征陣列鏡像等等特征命令，其主要作用是將二維的平面圖拉伸或旋轉(zhuǎn)等的命令轉(zhuǎn)換為實體空間模型，再載切除圓角、拔摸、抽殼等的命令下完成其三維模型其他特征的建立。
3.2.3鈑金、焊件等其它特征繪圖命令
圖3.2-3鈑金、焊件繪制命令
在做鈑金類零件時，需要先做基本法蘭薄板類，在薄板的基礎(chǔ)上進(jìn)行折彎、邊線法蘭、切口等繪制命令。焊件類命令主要是在三維空間中進(jìn)行設(shè)計，需要先繪制三維立體空間的草繪圖形，然后根據(jù)焊接的不同結(jié)構(gòu)選擇方管、工字鋼、角鋼等具體型號型材類單元，后期添加角支撐板、焊縫等命令的操作，使用簡單便捷，免去了畫二維圖紙帶來的結(jié)構(gòu)不直觀，參閱材料文件眾多的弊端。
3.2.4 邁迪數(shù)據(jù)庫等插件操作
圖3.2-4邁迪等插件的添加
邁迪數(shù)據(jù)庫插件為第三方插件公司制造，其中包換很多標(biāo)準(zhǔn)模型和在線數(shù)據(jù)庫等的標(biāo)準(zhǔn)模型，其主要是配件公司根據(jù)其規(guī)格型號上傳三維樣本，可直接在數(shù)據(jù)庫找到某一廠家某異型號的三維樣本，其操作簡單快捷，而且省時省力，免去了查閱樣本資料帶來的時間浪費(fèi)，而且避免一些過久的老型號配件選好后很難購買的弊端。其它活動類插件有渲染類的工具，有限元分析類的插件，切實可行的提高了工作效率，免去了一些常規(guī)力學(xué)分析過分沉長的計算過程，節(jié)約了時間提高了設(shè)計效率，降低設(shè)計成本。
3.3手指康復(fù)機(jī)械臂的建模
3.3.1手臂支撐的三維建模
在手臂支撐板的建模中，根據(jù)第二章所統(tǒng)計普通人手掌的尺寸，進(jìn)行三維建模，手臂支撐板在手指康復(fù)機(jī)械臂的設(shè)計中起到支撐其他零部件和固定患者手臂的作用其材料使用高強(qiáng)度鋁合金，不僅外觀美觀大方而且強(qiáng)度高，可以長久的起到支撐手臂的作用。
3.3-1手臂支撐的三維建模
3.3.2大拇指支撐塊的三維建模
大拇指支撐塊主要起到固定大拇指電缸的作用，其中與電動缸的鏈接為旋轉(zhuǎn)銷，其中旋轉(zhuǎn)銷采用銅制，由于銅制材料較高強(qiáng)度鋁合金材質(zhì)較軟，在長久的旋轉(zhuǎn)磨擦的過程中可以有效減少大零件的磨損，當(dāng)長時間旋轉(zhuǎn)運(yùn)行中，在轉(zhuǎn)動銷磨損嚴(yán)重的情況下可簡單的更換傳動銷，節(jié)約維修成本。
3.3-2大拇指支撐塊的三維建模
3.3.3第一關(guān)節(jié)支撐塊的建模
第一關(guān)節(jié)支撐塊在手指康復(fù)機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)中主要起固定第一關(guān)節(jié)和手指與手掌的鏈接的作用，其與手掌的鏈接采用螺栓鏈接固定，與第一關(guān)節(jié)的鏈接為銅制轉(zhuǎn)動銷的鏈接。在與手掌的鏈接中采用螺栓鏈接，可以避免因使用不當(dāng)造成機(jī)械手臂損壞時可以隨機(jī)簡單的更換相應(yīng)的配件，與第一關(guān)接采用銅制轉(zhuǎn)動銷，可以再磨損較為嚴(yán)重的情況下更換轉(zhuǎn)動銷，有效避免更換主要零部件的作用，降低維修成本和后期保養(yǎng)的成本。
3.3-3第一關(guān)節(jié)支撐塊的建模
3.3.4第一關(guān)節(jié)建模
第一關(guān)節(jié)起到的作用是在電動缸的作用下，電缸輸出軸前伸，在連桿的作用下，第一關(guān)機(jī)接在轉(zhuǎn)動銷的作用下圍繞一圓心旋轉(zhuǎn)，模擬人體手掌第一關(guān)節(jié)的作用，其中五根手指由于長度不同，故其尺寸長度各不相同，中指最長、無名指和食指次之，小拇指和大拇指最短。另外第一關(guān)節(jié)的還起到固定第二關(guān)節(jié)的作用，與第二關(guān)節(jié)行程多連桿，在電缸的作用下，與第二關(guān)節(jié)支撐塊的限制下模擬人體手掌手指的動作。起重第一關(guān)節(jié) 采用高強(qiáng)度鋁合金為加工材料，在與第一關(guān)節(jié)固定塊的鏈接旋轉(zhuǎn)過程中，在第一關(guān)節(jié)的銷空中裝有無油自潤滑銅套，起到減小摩擦，放置主要零件磨損的情況，減小后期維護(hù)成本。
3.3-4第一關(guān)節(jié)建模
3.3.5第二關(guān)節(jié)固定塊的建模
第二關(guān)節(jié)固定塊主要起到鏈接第一關(guān)節(jié)固定塊和固定旋轉(zhuǎn)第二關(guān)節(jié)的作用，其中開有模擬第二關(guān)節(jié)運(yùn)動軌跡的圓弧型槽口，第二關(guān)節(jié)鏈接銷在槽口中根據(jù)槽口的尺寸進(jìn)行滑動移動，起到模擬第二關(guān)節(jié)運(yùn)動軌跡的作用。其中第二關(guān)節(jié)固定塊和第一關(guān)節(jié)固定塊的固定方式為通過弧形連接板與第一關(guān)節(jié)固定塊鏈接，其中鏈接方式為螺栓鏈接，主要是為了后期維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜程度和維護(hù)成本考慮，可以簡單的更換配件和維修設(shè)備。
3.3-5第二關(guān)節(jié)固定塊和第一關(guān)節(jié)固定塊的連接板
3.3-6第二關(guān)節(jié)固定塊的建模
3.3.6第二關(guān)節(jié)建模
第二關(guān)節(jié)固定于上圖第二關(guān)節(jié)固定塊中，主要起到模擬手指末端關(guān)節(jié)運(yùn)動軌跡的作用，其中與第以關(guān)節(jié)的連接方式為連桿結(jié)構(gòu)，與第二關(guān)節(jié)固定塊的連接方式為滑動限位結(jié)構(gòu)，只允許第二關(guān)節(jié)在第二關(guān)節(jié)固定塊中做相應(yīng)的軌跡移動，以滿足手指彎曲和平伸的運(yùn)動動作。其各手指末端關(guān)節(jié)尺寸長度不等，根據(jù)對普通人手指的統(tǒng)計參數(shù)選取數(shù)據(jù)參數(shù)的平均值，以滿足更多患者獲得康復(fù)治療的需求。
3.3-7第二關(guān)節(jié)建模
3.3.7手指和手臂綁帶的設(shè)計建模
綁帶在手指康復(fù)機(jī)械手臂的作用是將患者手臂和手指于康復(fù)設(shè)備固定在一起，起到模擬帶動手指做康復(fù)訓(xùn)練的目的。其松緊程度可調(diào)，以適應(yīng)不同體重不同手臂尺寸的患者的需求，松緊度可調(diào)，力求患者在康復(fù)訓(xùn)練的過程中得到最舒服的感受，避免機(jī)械磨損對患者手臂的二次傷害，其中手臂中安有漫反射開關(guān)有一定的保護(hù)作用，在患者未穿戴好設(shè)備時，設(shè)備鎖死無法啟動，放置使用不當(dāng)造成設(shè)備的損壞和對患者手臂的二次傷害。
3.3-8手指和手臂綁帶的設(shè)計建模
3.3.8手指康復(fù)機(jī)械手臂的總裝
各關(guān)節(jié)之間相互配合，使之相互作用，在共同的作用協(xié)調(diào)寫完成對手指運(yùn)動的模擬分析。
3.3-9手指康復(fù)機(jī)械手臂的總裝
致 謝
通過畢業(yè)設(shè)計，是對我大學(xué)學(xué)習(xí)專業(yè)課程知識的檢驗，通過對手指康復(fù)機(jī)械手臂的設(shè)計，查閱相關(guān)資料，了解手指康復(fù)機(jī)械手臂的用途以及未來發(fā)展的趨勢有了更細(xì)致的認(rèn)識。從而提高了運(yùn)用所學(xué)知識的能力，全面鍛煉了我駕御知識的能力,使我對大學(xué)以來所學(xué)的理論知識進(jìn)行了系統(tǒng)化、條理化、全面化的回顧,讓我明白了如何運(yùn)用自己所學(xué)的知識，同時又學(xué)到了其他獲取知識的方法；從而使我獲得了一次大規(guī)模檢索相關(guān)資料的機(jī)會，提高了運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)和對專業(yè)計算機(jī)軟件輔助的能力。 而這些知識都將化作寶貴的財富,為我以后所要從事的工作打下堅實的基礎(chǔ)。
畢業(yè)設(shè)計的完成，即使這個畢業(yè)設(shè)計并不完美，我也懂得了學(xué)習(xí)是一個長期積累的過程，我不僅收獲了知識而且也鍛煉了品質(zhì)，通過這次認(rèn)真而又細(xì)致的畢業(yè)設(shè)計，我對待事情的態(tài)度更加嚴(yán)謹(jǐn)更加有耐心，并且我更希望把所做的事情做好做完美，我想這將是一種很重要的財富。
時光飛逝大學(xué)的學(xué)習(xí)生活到了這個季節(jié)將要畫上一個圓滿的句號（更多的是對老師同學(xué)的不舍與感謝），而對于我的人生來說這還只是一個逗號，同時也是我以后人生的一個開端。在此我要特別感謝我的指導(dǎo)老師的熱情關(guān)懷和悉心教導(dǎo)，在我編寫論文之際給與了很大的幫助以至于我不會在設(shè)計的過程中迷失方向，失去前進(jìn)動力。在論文的編寫、選題方面得到了老師無私的幫助，不厭其煩的幫助進(jìn)行論文的修改和改進(jìn)，直到畢業(yè)設(shè)計的完成。指導(dǎo)老師精湛的技術(shù)和扎實的專業(yè)知識，都深深的影響著我，將對我以后的學(xué)習(xí)、生活和工作大有裨益。這些都是我所需要學(xué)習(xí)的，感謝指導(dǎo)老師給予了我這樣一個學(xué)習(xí)機(jī)會，感謝老師！
感謝關(guān)心我支持我的朋友們和同學(xué)們，感謝學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)、老師們，感謝你們給予我的幫助與關(guān)懷；我以你們?yōu)榘駱樱乙允悄膶W(xué)生而自豪。再次感謝！
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