采用套索驱动的手部助力外骨骼设计与抓握实验研究.pdf
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1、第5 7卷 第8期2 0 2 3年8月西 安 交 通 大 学 学 报J OUR NA LO FX IANJ I AO T ON GUN I V E R S I T YV o l.5 7 N o.8A u g.2 0 2 3.*采用套索驱动的手部助力外骨骼设计与抓握实验研究宋纪元1,2,朱爱斌1,2,张晶1,3,郑春莉4,屠尧1,2,黄虎1,3,张政1,2,徐海波1,2(1.西安交通大学机器人与智能系统研究所,7 1 0 0 4 9,西安;2.西安交通大学陕西省智能机器人重点实验室,7 1 0 0 4 9,西安;3.西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室,7 1 0 0 4 9,西安
2、;4.西安交通大学环境科学与工程系,7 1 0 0 4 9,西安)摘要:针对航天和工业领域中人体佩戴手套执行任务时,手指关节处因受到编织物挤压而造成的手部疲劳损伤以及抓握力下降等问题,设计了一种采用套索驱动的手部助力外骨骼系统。该系统采用以速度为内环、力为外环的力P I D控制方法,以拉力传感器反馈输出力,通过力学建模对手部助力外骨骼导线槽开展位置优化。对所设计的外骨骼系统开展抓握实验,结果表明:人体穿戴手部助力外骨骼可再现F e i x分类法中全部3 3种抓握类型;外骨骼抓握指尖力最高可达1 4N;与不穿戴外骨骼相比,穿戴外骨骼时人体手指关节运动范围能够达到自主弯曲运动范围的6 3%以上,掌
3、指关节、近端指间关节和大拇指的指间关节角度的皮尔森相关系数可达0.9 0以上;外骨骼助力抓握使得肱桡肌和桡侧腕长伸肌的肌电均方根峰值分别减小了3 7.8 6%和6 2.4 6%。实验结果证明所设计的手部助力外骨骼能够明显减少手部肌肉耗能。关键词:套索驱动;手部助力;外骨骼机构;抓握实验;静力学分析中图分类号:TH 1 1 7.1 文献标志码:AD O I:1 0.7 6 5 2/x j t u x b 2 0 2 3 0 8 0 1 2 文章编号:0 2 5 3-9 8 7 X(2 0 2 3)0 8-0 1 1 5-1 2N o v e lD e s i g na n dG r a s p
4、i n gE x p e r i m e n t o faH a n d-A s s i s t e dE x o s k e l e t o nD r i v e nb yT e n d o n-S h e a t hA c t u a t o rS ONGJ i y u a n1,2,Z HU A i b i n1,2,Z HANGJ i n g1,3,Z HE NGC h u n l i4,TUY a o1,2,HUANG H u1,3,Z HANGZ h e n g1,2,XU H a i b o1,2(1.I n s t i t u t eo fR o b o t i c s&I n
5、 t e l l i g e n tS y s t e m s,X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,X ia n7 1 0 0 4 9,C h i n a;2.S h a a n x iK e yL a b o r a t o r yo f I n t e l l i g e n tR o b o t s,X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,X ia n7 1 0 0 4 9,C h i n a;3.K e yL a b o r a t o r yo fE d u c a t i o nM i n i
6、s t r yf o rM o d e r nD e s i g na n dR o t o r-B e a r i n gS y s t e m,X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,X ia n7 1 0 0 4 9,C h i n a;4.D e p a r t m e n to fE n v i r o n m e n t a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,X ia n7 1 0 0 4 9,C h i n a
7、)A b s t r a c t:Ah a n d-a s s i s t e de x o s k e l e t o ns y s t e md r i v e nb yat e n d o n-s h e a t ha c t u a t o r i sd e s i g n e dt oa d d r e s s t h ep r o b l e mt h a t,i n t h e a e r o s p a c e a n d i n d u s t r i a l f i e l d s,f a t i g u ed a m a g e t oh a n d s i s c a
8、u s e da n dg r a s ps t r e n g t h i s r e d u c e d,w h e np e r s o n n e lw e a rg l o v e s t op e r f o r mt a s k s,a s f i n g e r j o i n t sa r es u b j e c t t ot h eg l o v ew o v e n f a b r i c c o m p r e s s i o n.F o r t h i s s y s t e m,aP I Df o r c e c o n t r o lm e t h o dw i
9、 t hs p e e da s t h e i n n e r l o o pa n d f o r c e a s t h eo u t e r l o o p i su s e d,a n d t h eo u t p u t f o r c e i s f e db a c kw i t haf o r c es e n s o r.T h e l o c a t i o no f t h eh a n d-a s s i s t e de x o s k e l e t o nc a b l es l o t i so p t i m i z e db ym e c h a n i
10、c s*收稿日期:2 0 2 2-1 2-2 3。作者简介:宋纪元(1 9 9 3),男,博士生;朱爱斌(通信作者),男,教授,博士生导师。基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 2 1 7 5 0 6 1);新疆自治区重大科技专项资助项目(2 0 2 1 A 0 2 0 0 2);陕西省重点研发计划资助项目(2 0 2 2 S F-3 5 5)。网络出版时间:2 0 2 3-0 4-1 4 网络出版地址:h t t p s:k n s.c n k i.n e t/k c m s/d e t a i l/6 1.1 0 6 9.T.2 0 2 3 0 4 1 3.1 9 1 2.0 0 4.h
11、 t m l西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n m o d e l i n g.T h eg r a s p i n ge x p e r i m e n t f o r t h ed e s i g n e de x o s k e l e t o ns y s t e mr e v e a l s t h a t t h ea s s i s t e de x o s k e l e t o nc a nr e p r o d u c e a l l 3 3g r a s p t y p e s i n t h eF
12、 e i x t a x o n o m y;t h e g r a s p i n g f o r c e o f t h e e x o s k e l e t o na t t h e f i n g e r t i pc a nr e a c h1 4N;w i t ht h e e x o s k e l e t o n,h u m a n f i n g e r j o i n t s c a nm o v eb ym o r e t h a n6 3%o f t h e i n d e p e n d e n t f i n g e r b e n d i n g r a n g
13、 e;t h eP e a r s o n c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t o f t h e a n g l e o f t h em e t a c a r p o-p h a l a n g e a l j o i n t,p r o x i m a l i n t e r p h a l a n g e a l j o i n t,a n d i n t e r p h a l a n g e a l j o i n t c a n r e a c hm o r e t h a n0.9 0;t h ep e a kRM Sv a
14、 l u e so f t h eb r a c h i o r a d i a l i sm u s c l e a n d t h e r a d i a l e x t e n s o r c a r p i l o n g u sm u s c l ed e c r e a s e db y3 7.8 6%a n d6 2.4 6%,r e s p e c t i v e l y.T h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s i n d i c a t et h a t t h ed e s i g n e dh a n d-a s s i s
15、t e de x o s k e l e t o nc a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c eh a n dm u s c l e e n e r g yc o n s u m p t i o n.K e y w o r d s:t e n d o n-s h e a t h;h a n da s s i s t;e x o s k e l e t o nm e c h a n i s m;g r i p p i n ge x p e r i m e n t;s t a t i ca n a l y s i s 2 0 2 1年4月2 9日,长征五号运载
16、火箭将中国迄今最大的航天器“天和”号核心舱送入预定轨道,标志着中国空间站时代的到来。未来,我国将努力实现载人登月 计划并着 手建立 月 球 基 地 和 空 间站1-3,针对火星等地外行星的探索已纳入发展计划。为完成特定的舱外飞行试验或任务,航天员需要进行舱外活动,此时手部运动易受到航天服手套关节处编织物的挤压4,例如美国国家航空航天局NA S A设计的舱外航天服手套5,从而造成手部抓握力下降以及手部疲劳等问题。S c h e u r i n g等6研究发现,直接由舱外航天服导致的各种伤害中,手是最常受伤的部位,次数占比高达4 0%。当手套加压时,气密层膨胀,手套变得坚固,手指关节弯曲时会产生阻
17、力矩,导致关节的运动范围减小7。同样地,低温或高温等特殊环境的工厂车间中,工人佩戴隔热手套抓取工件也会遇到类似的问题。手部助力外骨骼的研究致力于解决该问题。手部助力外骨骼在驱动方式上可分为刚性驱动和柔性驱动。刚性手部外骨骼采用齿轮、齿条等刚性传动机构,传动准确且控制精准,但自适应性差,与人体交互不柔顺,易给穿戴者手部造成伤害,如F L E X O R外骨骼康复机器人8、用于重度手部损伤患者重复性任务练习的H a n d S OMEI I外骨骼9、韩国蔚山科学 技术大学 的线控 式 刚 性 手 部 外 骨骼1 0以及哈尔滨工业大学的手部 功能康复机 器人1 1等。柔性手部外骨骼是指通过弹簧、套索
18、、气动肌肉等柔性构件进行传动,并利用柔性构件驱动手指运动的一系列外骨骼机器人,如韩国I n等1 2设计的套索驱动的E x o-G l o v e外骨骼,K a n g等1 3设计的硅树脂传动的E x o-G l o v eP o l y手部外骨骼,P o p o v等1 4研制的绳驱动柔性外骨骼手套G r a s p yG l o v e,哈佛大学P o l y g e r i n o s等1 5研制的液压驱动柔性 手 部 外 骨 骼 等。瑞 士 苏 黎 世 联 邦 理 工 学 院B t z e r等1 6研制的R E L a bt e n o e x o外骨骼手套采用套索和弹簧片驱动方式,天
19、津理工大学的软体手部外骨骼1 7采用流体弹性驱动器驱动,西安交通大学李敏等1 8采用弹簧片驱动多段连续结构方案设计了用于手功能康复的外骨骼。中国科学院C h e n等1 9提出了一种仿生肌腱驱动的软手外骨骼,用于协助脑卒中患者完成拇指环绕、抓握、捏、松、书写等各种训练任务。相比于刚性手部外骨骼,柔性手部外骨骼质量更轻,与人手的贴合度和安全性更高,运动更加柔顺,舒适度更好,但柔性手部外骨骼运动不准确,控制难度较高。目前国内外研究人员主要采用位置传感器和力传感器来实现外骨骼的闭环控制,以提高运动精准性。本文采用柔性驱动方案,提出了一种可与手套结合在一起的手部外骨骼助力系统,具备小巧轻便、容易穿戴的
20、特点,旨在解决航天和工业领域作业人员手部抓握力下降以及疲劳损伤等问题。图1 手部骨骼关节模型F i g.1B i o l o g i c a lm o d e l o fh a n db o n e j o i n t1 手部助力外骨骼设计人体手部骨骼关节模型如图1所示,掌指关节611 第8期宋纪元,等:采用套索驱动的手部助力外骨骼设计与抓握实验研究 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n (M e t a c a r p o p h a l a n g e a l,MC P)位于掌骨和近端指骨之间,近 端 指 间 关 节(P r o x i m a li n t
21、e r p h a l a n g e a l,P I P)位于近端指骨和中端指骨之间,而远端指间关节(D i s t a l i n t e r p h a l a n g e a l,D I P)位于远端指骨和中端指骨之间。大拇指的指间关节(I n t e r p h a l a n g e a l,I P)位于近端指骨和远端指骨之间。MC P关节是一种球窝关节,可以实现屈曲、伸展、内收和外展运动。腕骨 与 掌 骨 之 间 是 腕 掌 关 节(C a r p o m e t a c a r p a l,CMC)。手部外骨骼能够实现对手部的抓握任务助力,对手指关节的屈伸运动助力。手部外骨骼要
22、求小巧轻便,保证手指运动灵活,能够抓握起多种形状的物体2 0。本文设计的手部助力外骨骼人体穿戴展示如图2(a)所示。图2(b)为手部外骨骼的细节展示,外骨骼由两层结构组成:第1层为高强度的纺织手套,与人手部皮肤接触和固定;第2层 为外骨骼驱 动 系 统,包 含 直 线 驱 动器、驱动绳以及引导钢丝绳传动的固定环和导线槽。(a)手部助力外骨骼穿戴展示(b)手部助力外骨骼设计方案图2 手部助力外骨骼设计方案与实物穿戴展示F i g.2 D e s i g no f t h eh a n da s s i s t e de x o s k e l e t o n外骨骼采用套索驱动方式,钢丝绳在聚四氟
23、乙烯管内滑动,弹簧管套在聚四氟乙烯管外以保证套索的轴向刚度。钢丝绳一端固定在指尖上,依次穿过3个导线槽,经过手腕内侧的集线器再接入套索中。集线器安装在人体手腕靠掌部位,保证手腕自由弯曲的同时不影响钢丝绳的传动。3个微型直线电机驱动手指:大拇指由单独的直线电机驱动;食指和中指并联共用一直线电机;无名指和小拇指并联共用一直线电机。3个直线驱动器固定在手臂袖套上,每个直线驱动器的输出端分别安装可调张紧盘,用于调节钢丝绳的预紧力。2 手部助力外骨骼的关键参数分析2.1 静力学数学建模在钢丝绳的牵引力作用下,外骨骼和手指构成欠驱动模型,单个手指的受力模型如图3(a)所示。假设每个关节只做屈伸运动,不考虑
24、MC P关节的内收、外展运动,且钢丝绳摩擦力忽略不计。(a)钢丝绳驱动手指受力模型(b)手指和被抓握物体间作用力模型To u t 钢丝绳拉力;P0P3 导线槽位置坐标;FR 1FR 3 被抓握物体对手指的作用力;a1a3 手指段长度;13 手指角度;13 指关节扭矩;b1b3 物体在手指上作用力位置;13 钢丝绳夹角;l0l3 导线槽到关节的长度。图3 手指受力及与被抓握物体间作用力模型F i g.3F o r c ea n a l y s i sm o d e l f o r f i n g e r s711西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t
25、 u.e d u.c n Fi j和Vi j分别为导线槽Pi到导线槽Pj的拉力向量和位置单位向量,其中Vi j可写为Vi j=Pj-PiPj-Pi(1)则P3处受到的拉力F2 3以及对D I P关节产生的转矩3的表达式分别如下F2 3=To u tV2 3(2)3=(P3-PD I P)F2 3(3)P2处受到两个方向的拉力作用F1 2、F3 2,以及对P I P关节产生转矩2,计算公式分别如下F1 2=To u tV1 2;F3 2=To u tV3 2(4)2=(P2-PP I P)F1 2+(P2-PP I P)F3 2+(P3-PP I P)F2 3(5)P1处受到两个方向的拉力作用F
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