假肢用机械手的机构设计与运动学分析.pdf

第 23 卷第 6 期 机 　械 　设 　计 Vol . 23 　No . 6 2 0 0 6 年 6 月 J OU RN AL O F MA C H IN E D ESI GN J un . 　 2006 假肢用机械手的机构设计与运动学分析 1 1 2 1 姬彦巧 ,王宏 ,赵长宽 ,李封 ( 1. 东北大学 机械工程与自动化学院 ,辽宁 沈阳　110004 ; 2 . 东北大学 计算中心 ,辽宁 沈阳　110004) 摘要 :介绍了一种灵巧机械手的设计和控制 ,这种机械手可以作为多功能的上肢假肢 。此机械手包含了“手”和腕的 ( ) 设计 。它的手部可以完成 4 种抓取模式 握 、捏 、侧握 、侧捏 ,腕部可以屈曲和旋转 。在动作上可以实现腕屈 、腕伸 、旋 前 、旋后 、握持 、张开 , 以及拇指从一侧开始的侧握和侧张开等 8 种动作 。所有的这些动作仅由4 个电机来控制 。在尺寸 优化的基础上 ,建立了基于前臂基座食指的运动学模型 ,并求出了食指运动学的正解逆解 。从而为进一步研究机械手的 轨迹规划和控制问题 ,提供了理论依据 。 关键词 :仿生机械手 ;假手 ;运动学 ;正解 ;逆解 中图分类号 : TP 24 　　文献标识码 :A 　　文章编号 :100 1 - 2354 (2006) 06 - 0032 - 03 　　机械手的设计和控制 ,是近 30 年来国内外非常活跃的研 设计的机械手和人类手在形状上相似 ,更重要的是要求其在机 究课题 。它的设计大致可以划分为工业机器人用机械手的设 能上和人手的一致 。在实际的生活观察中 ,拇指和四指对握的 计和假肢用机械手的设计 。前者的作用在于代替工业生产中 动作最多最重要 。在五指的使用频度上 ,拇指 、食指 、中指同等 作业人员 , 着重于机能的设计 。而后者的作用在于替代上肢 重要 。其余二指较此三指约少 50 % ,可以看作其它三指的辅助 肢残者的缺损部分 ,除了要考虑机能问题外 ,还要考虑其仿生 者[2 ] 。因此 ,在设计中只需设计三个手指 , 即可以满足人类手 性 ,即其形状和人类的肢体形状的相似性 。 的大部分的功能 。为了满足结构的仿生性 ,采用了三指 、一腕 、 一般而言 ,人们所称的“手”有两种意义 ,一是指整个的上 一掌 、十一关节和一装饰性手指的设计方案 。图 1 为机械手的 肢 ,二是腕部到指尖的部分 ,也就是所谓的手部 。人类的单只 虚拟样机 。 手臂以机械学的形式分析 ,可以用大约 27 个 自由度的连杆机 1. 2 　手指的设计 构来表示 。但其中大约 20 个 自由度集中在手部[ 1] 。文中着重 人类食指和中指在机能上主要表现在和拇指的对握 ,其次 于假肢的手部设计 。 是和拇指的指尖形成的像“抓”、“捏”的动作 ,在形状上表现为 在假肢的手部应用方面 , 目前主流的应用是一种具有手形 手指具有两个关节和指根部的可转动性 。在设计手指时 ,希望 状的假手 ,市场上销售的假手大都已经具有一个 自由度 ,可以 在形状和机能上和人类手尽量相类似 , 目前 ,较为流行的手指 利用拇指 、食指 、中指进行三指的抓取动作 , 自由度位于手指的 设计仅仅在指根部有一个 自由度 ,手指其他部分