殘疾人用Partial Finger機構(gòu)研究

楊會生，姜 力，劉伊威，劉 宏

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人研究所，哈爾濱150001，yanghuisheng@126.com)

近年來，仿人型殘疾人假手的研究已經(jīng)成為生物醫(yī)學(xué)工程及機器人學(xué)科的一個熱點方向.隨著機器人靈巧手技術(shù)的飛速發(fā)展，單自由度、三自由度、五自由度、多自由度殘疾人假手相繼出現(xiàn).比較有代表性的有Otto Bock手、TBM手、HIT/ DLRⅢⅣ型假手、i－LIMB手、FluidHand手、惠普金斯大學(xué)假手［1－8］.這些假手在外形、重量、自由度配置和感知功能方面都具有了某些方面的改進，但是上述假手的研究還主要集中在臂部骨骼離斷的全手階段，它們安裝時要求上肢殘疾人患者全手殘疾，并且對小臂殘肢長度有一定要求.針對手部骨骼殘疾的研究較少，特別是掌骨和指骨離斷的研究，因為其有效利用體積小，擬人化要求高，基本處于空白狀態(tài).據(jù)業(yè)內(nèi)人士調(diào)查顯示，手殘患者中有相當(dāng)一部分不是整手殘疾，而是部分手殘疾，所以針對部分手殘疾的假手的研究日益迫切［9－10］.

本文針對手指基指節(jié)(第一指骨)離斷的殘疾人患者，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單，安裝簡便快捷，外觀形象逼真，運動方式擬人化的殘疾人用Partial Finger.有效地解決了現(xiàn)在沒有適用于手指基指節(jié)殘存患者能夠使用的功能型假肢問題.

1 Partial Finger結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 手部殘疾類型和手指基指節(jié)離斷結(jié)構(gòu)分析

普通人手是由5個手指構(gòu)成，每個手指都有很多骨骼組成，手指各個關(guān)節(jié)的運動是通過與之直接相連的肌肉或筋腱的相應(yīng)收縮、伸展運動實現(xiàn)的，圖1為人手骨骼構(gòu)造簡圖［11］，掌骨與手腕骨相連，手腕骨通過腕關(guān)節(jié)與小臂相連.醫(yī)學(xué)上針對手部殘疾類型有腕關(guān)節(jié)離斷、手腕骨截斷、手掌骨截斷、第一節(jié)指骨截斷、第二節(jié)指骨截斷、第三節(jié)指骨截斷等類型，小臂和上臂及對應(yīng)關(guān)節(jié)的離斷也與手掌有關(guān).研究證明，手指第二、三指骨截斷基本不影響手指的正常功能，可以安裝裝飾型假肢，但是基指節(jié)(第一指節(jié)指骨)離斷將嚴重影響手指的正常功能，需要安裝功能性假肢來彌補手指功能.人手每個手指有3個關(guān)節(jié)，基關(guān)節(jié)有兩個自由度(側(cè)擺運動和張合運動)，其余關(guān)節(jié)只有一個自由度(張合運動)，因為手指基指節(jié)的驅(qū)動肌肉在手掌內(nèi)，所以手指基指節(jié)離斷后，殘余基指節(jié)依然保留了原來的運動能力，如果利用得當(dāng)，可以驅(qū)動假手指實現(xiàn)擬人化運動.

圖1 人手骨骼構(gòu)造簡圖

1.2 Partial Finger的整體結(jié)構(gòu)

考慮到假手指應(yīng)用普遍性，本文所研制的Partial Finger樣機以人手指有效利用體積最小、實現(xiàn)難度最高的小指為基準，并預(yù)留外包裝指套的空間.Partial Finger由假手指連接部分(手掌部分)、基指節(jié)、中指節(jié)、遠指節(jié)4部分組成，其結(jié)構(gòu)圖見圖2，各指節(jié)具體尺寸參數(shù)見表1.Partial Finger三指節(jié)采用全耦合結(jié)構(gòu)，分別選取手指自然伸展和完全合攏為初始狀態(tài)，設(shè)計假手指各指節(jié)的運動空間，為了模仿人手指的運動狀態(tài)，采用近似定傳動比來設(shè)計各指節(jié)四桿機構(gòu)的尺寸參數(shù)，最終確定基關(guān)節(jié)與中關(guān)節(jié)近似9∶10傳動，中關(guān)節(jié)與遠關(guān)節(jié)近似4∶3傳動.各指節(jié)運動范圍見表2.基指節(jié)與中指節(jié)初始角度為5°，中指節(jié)與遠指節(jié)初始角度為0°.

圖2 Partial Finger結(jié)構(gòu)圖

表1 假手指外形尺寸 mm

假手指通過連接彈簧架的彈性將假手指連接到手掌上，連接彈簧架的圓弧與手指的虎口接觸定位.連接彈簧架與基指節(jié)四桿機構(gòu)的基座軸向固定、周向轉(zhuǎn)動，模擬手指基關(guān)節(jié)的側(cè)擺自由度，上下檔絲分別與基指節(jié)四桿機構(gòu)的上下連桿固連，通過對假手指參數(shù)進行優(yōu)化，可使上下檔絲在假手指開合運動整個過程中近似包絡(luò)出殘余基指節(jié)的形狀，并且保證殘余基指節(jié)在任意位置與上下檔絲接觸，從而驅(qū)動假手指開合.

表2 假手指各關(guān)節(jié)運動范圍 (°)

1.3 耦合四桿機構(gòu)參數(shù)確定

假手指開合機構(gòu)采用全耦合的原理設(shè)計，基指節(jié)四桿機構(gòu)和中指節(jié)四桿機構(gòu)原理基本相同，將基指節(jié)四桿機構(gòu)中的兩個桿與中指節(jié)四桿機構(gòu)中的兩個桿固連，可將基指節(jié)運動耦合到中指節(jié)，將遠指節(jié)與中指節(jié)的一個桿固連，可將中指節(jié)運動耦合到遠指節(jié).

圖3為近指節(jié)四桿機構(gòu)，假手指合攏運動時l4為基座，l1為主動桿，l3為中間桿傳動桿，l2為從動桿;假手指張開運動時l4為基座，l3為主動桿，l1為中間傳動桿，l2為從動桿.在假手指開合運動過程中，同時l1與l2是與中指節(jié)四桿機構(gòu)的耦合連桿，所以角β也是中指節(jié)四桿機構(gòu)的驅(qū)動角.

圖3 近指節(jié)四桿機構(gòu)簡圖

以手指合攏運動為例設(shè)計基指節(jié)四桿機構(gòu)各桿參數(shù)，手指張開可視為合攏運動的逆運動.由上述分析可知，在手指的運動過程中，l4可視為手掌，l1可視為基指節(jié)，l2可視為中指節(jié).所以角α(主動旋轉(zhuǎn)角∠BAD)的增量Δα就是基關(guān)節(jié)的運動角度，同理，角β(耦合旋轉(zhuǎn)角∠CBA)的增量Δβ就是中關(guān)節(jié)的運動角度.基指節(jié)與中指節(jié)的旋轉(zhuǎn)方向一致，所以Δα為負，Δβ為正，為實現(xiàn)基指節(jié)與中指節(jié)近似定傳動比運動，在運動過程中應(yīng)有－Δα≈n×Δβ(n為基關(guān)節(jié)與中關(guān)節(jié)傳動比).為保證基指節(jié)開合運動的對稱性，在運動過程中∠BAD的變化量Δα與∠ADC的變化量Δγ近似相等，即有－Δα≈Δγ.

由人手指大小的要求及結(jié)構(gòu)尺寸限制，可確定指節(jié)長度和某些桿的長度范圍.在參數(shù)確定的過程中，首先可以確定的是l1和l4，為了得到最優(yōu)化的各桿參數(shù)，本文根據(jù)實際情況取l2∈［l4－2，l4－2］.此外，四連桿機構(gòu)中需要確定的參數(shù)還有角α和角β的初始值α0和β0.考慮到傳遞效率和關(guān)節(jié)運動范圍，有

式中:θA是∠BAD的運動范圍，n為基關(guān)節(jié)與中關(guān)節(jié)傳動比，考慮到實際加工水平，l2的最小搜索步長為0.1 mm，α0和β0的最小搜索步長為0.5°，利用matlab進行三層嵌套循環(huán)，從而可計算得連桿l3的一系列長度值:

本文在設(shè)計連桿的過程中，以－Δα與n×Δβ角度差δ1及－Δα與Δγ的角度差δ2的和為主要參考指標.要求當(dāng)主動角α從初始角度開始，在0～θA的運動范圍內(nèi)，δ1+δ2的統(tǒng)計值(均值E(δ1+δ2)、方差D(δ1+δ2))最小.

式中:n1為主動角α在運動區(qū)間內(nèi)采樣點的數(shù)目，δ=δ1+δ2，δk=δ1k+δ2k.

在傳動過程中，可以得到α，β，α0，β0與δ的函數(shù)關(guān)系:

經(jīng)過Matlab仿真計算，得出以下一組最優(yōu)參數(shù)l1=33.5 mm，l2=5.5 mm，l3=32.3 mm，l4=6 mm，α0=117°，β0=26.5°.

中指節(jié)四桿機構(gòu)如圖4所示，l'1和l'4與基指節(jié)四桿機構(gòu)耦合，l'2與遠指節(jié)耦合.∠B'A'D'的變化量Δα'與Δα大小相同，方向相反.∠C'B'A'的變化量Δβ'是遠關(guān)節(jié)的運動角，為保證中指節(jié)與遠指節(jié)運動角度近似等比例，應(yīng)有Δα'=－n'× Δβ'(n'為基指節(jié)與遠指節(jié)的傳動比).

圖4 中指節(jié)四桿機構(gòu)簡圖

經(jīng)過Matlab計算，得出以下一組最優(yōu)參數(shù): l'1=15 mm，l'2=5 mm，l'3=12.9 mm，l'4= 3.9 mm，α'0=17°，β'0=90.5°.

利用Matlab將上述參數(shù)帶入，測得各關(guān)節(jié)運動角度誤差如圖5所示，結(jié)果表明基關(guān)節(jié)最大傳動誤差0.59°，中關(guān)節(jié)最大傳動誤差0.63°.

圖5 關(guān)節(jié)運動誤差

2 Partial Finger的運動學(xué)分析

圖6 假手指合攏機構(gòu)簡圖

因為假手指開合運動的運動互逆，假手指的運動學(xué)分析以合攏運動為例.在假手指合攏運動過程中，殘余基指節(jié)與基指節(jié)四桿機構(gòu)的下?lián)踅z(詳見圖2)保持接觸，可將接觸面近似看作線接觸，則殘余基指節(jié)與下?lián)踅z既存在轉(zhuǎn)動又存在滑動，可以用一個滑動副加一個轉(zhuǎn)動副代替，則假手指合攏運動的機構(gòu)簡圖如圖6所示.O點既是坐標原點，也是基指節(jié)的關(guān)節(jié)點，lAQ是殘余基指節(jié)的下表面.利用桿組法將圖6劃分為Ⅰ級機構(gòu)AQ、RRPⅡ級基本桿組AAB、Ⅰ級機構(gòu)BC、RRRⅡ級基本桿組EDC、Ⅰ級機構(gòu)DF、Ⅰ級機構(gòu)DH、RRRⅡ級基本桿組FGH、Ⅰ級機構(gòu)HP.設(shè)殘余基指節(jié)與x軸夾角為φ1，角速度為ω1，角加速度α1，則各點各桿的所有運動參數(shù)全部可求，將關(guān)鍵桿和重要點的運動參數(shù)進行定量分析，對照圖6關(guān)鍵桿有基指節(jié)桿l5、中指節(jié)桿l7、遠指節(jié)桿l10，重要點有中關(guān)節(jié)點D、遠關(guān)節(jié)點H、遠指節(jié)指尖點P、下?lián)踅z點A，還有A與Q的相對運動關(guān)系.

圖7所示為假手指各關(guān)節(jié)點的運動軌跡，對比人手指的運動形式可知，假手指具有高度擬人化的運動狀態(tài).

圖7 假手指各關(guān)鍵點運動軌跡

圖8～10為假手指各指節(jié)的運動狀態(tài).由圖中曲線可知，假手指各關(guān)節(jié)以近似定傳動比運動，當(dāng)殘余基指節(jié)勻速運動時，假手指各指節(jié)角加速度很小，近似勻速運動.圖11所示為假手指下?lián)踅z在殘余基指節(jié)上的運動狀態(tài)，上圖表明擋絲與殘余基指節(jié)相對運動量較小，相對運動速度很小，所以擋絲對殘余基指節(jié)的磨損量很小，可以利用殘余基指節(jié)長時間驅(qū)動假手指.

圖8 假手指各指節(jié)運動角

圖9 假手指各指節(jié)運動角速度

圖10 假手指各指節(jié)運動角加速度

圖11 假手指A相對Q運動關(guān)系

3 Partial Finger的運動實驗

根據(jù)前文所述的結(jié)構(gòu)，研制出了Partial Finger樣機，根據(jù)相應(yīng)殘疾類型設(shè)計了殘手實驗裝置，對假手指進行了性能實驗.通過負載實驗驗證，假手指可通過單手拆卸，在只通過連接彈簧架連接時，假手指指尖可承受力為10.7 N，記錄彈簧架狀態(tài)，再現(xiàn)于人手掌上，沒有壓迫感;同時進行了5萬次疲勞實驗，在整個實驗過程中，假手指連接可靠，機構(gòu)運動平滑，實驗完畢，殘余基指節(jié)與上下檔絲的磨損量不大;此外，本文還進行了抓取能力實驗，因為沒有其他手指的配合，Partial Finger只能對外形尺寸＜25 mm的物體進行操作，但抓取穩(wěn)定、力量可靠，如圖12所示;最后通過對比假手指的運動狀態(tài)，特別是假手指始末狀態(tài)與人手自然狀態(tài)(如圖12所示)，表明假手指運動方式和外形高度擬人化，配合外包裝手套可以完全滿足殘疾人需要.

圖12 Partial Finger實驗圖片

4 結(jié)語

1)研制了一種利用被動方式驅(qū)動，采用全耦合機構(gòu)實現(xiàn)手指開合的仿人型殘疾人用Partial Finger，并設(shè)計了相應(yīng)連接機構(gòu).

2)分析了手指基指節(jié)離斷的手部結(jié)構(gòu)，利用Matlab設(shè)計了以近似等比例傳動的桿件參數(shù)，對假手指的運動學(xué)進行了理論分析，研制了假手指實驗平臺，并對其整體性能進行了驗證.

3)通過多次實驗證明，該假手指結(jié)構(gòu)簡單、可靠，運動靈活、控制方便，可以配合其他手指完成手的近95%功能.

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