基于连杆机构的手指外骨骼设计

手指在人类生活中发挥着重要作用,它们的健康直接影响着人们的生活质量。如果由于疾病或者意外导致单个或多个手指功能性损伤,就需要对手指进行康复训练。为了降低康复师的工作强度,提高康复效率,利用外骨骼进行康复训练是很好的选择。本文结合人体工程学相关知识,根据手指弯曲与伸直时的运动特性和规律,基于连杆机构设计了一款面向手指康复的外骨骼机构。该机构具有三个自由度,各关节之间的距离可以根据不同手指的长短进行调节,具有广泛的适用性,不会对手指造成二次损伤。采用3D打印技术制作该外骨骼,总体质量小,制作成本低,符合绿色制造的理念。最后,通过穿戴实验验证了所设计的手指外骨骼能够满足康复训练的需求,并且适用于不同的手指。     

欠驱动式外骨骼手指康复机器人的设计和仿真

本文提出一种新的基于脑电信号控制的外骨骼手指康复机器人系统,该系统主要由外骨骼手指康复机器人、脑电信号系统(EEG)、肌电信号系统(EMG)、人机交互系统、电机控制单元、相关传感器和工作站组成.患者通过外界的视觉刺激产生脑电信号,工作站经过对这些信号采集和处理后传递给电机控制单元控制,并驱动电机实现穿戴在患者手上的外骨骼手指机器人运动,辅助其完成康复训练.该机器人主要采用欠驱动的方式,由安装在手背处的电机带动同步齿形带传动机构实现机器的三个关节的弯曲和伸展运动.文章主要利用UG软件对手指机器人进行设计和ADAMS软件进行运动仿真.根据机器人运动轨迹和机器人末端的运动参数曲线可以看出该手指机器人具有运动平稳,不存在运动死点等特点,且机器人能满足人体手指的运动要求,符合人体工学的设计特点,仿真实验证明能够辅助患者进行重复性康复训练.     

多段连续结构的外骨骼手指功能康复机器人

针对现在手部功能康复机器人存在的不足,如刚性结构带来的机构复杂、质量大,运动过程中难以保证刚性连杆的转动中心与关节中心时刻对准而带来的安全问题,以及软体气动-液压结构存在的气压源-液压源体积质量大导致的便携性差等问题,提出了一种新型的由单层弹簧片驱动的多段连续结构的外骨骼手指功能康复机器人,以协助患者进行双向的屈曲、伸展运动。该结构具有良好的柔顺性,使得人手与外骨骼机器人之间的相互作用更加安全,设计的机构可以将线性运动转化为手指关节的旋转运动,通过单个电机输入即可协助患者在足够大的运动范围内进行康复训练。对该外骨骼机器人的特性测量实验表明,该外骨骼可以协助患者在一定角度范围内进行手指的屈曲和伸展运动,并能够在指尖产生足够的指尖力。提出的设计对其他的康复机器人有一定的参考作用,具备工程使用价值。     

穿戴式外骨骼康复辅具临床应用现状分析

 穿戴式外骨骼康复辅具是一种可穿戴于人体上的智能化生机电控制系统,该系统通过外骨骼与人体肢体间力-位移的交互实现人机动作的耦合,可辅助人体实现某些特定功能,在临床康复治疗领域具有重要应用前景。上肢外骨骼和下肢外骨骼是目前常见的穿戴式外骨骼。上肢外骨骼包括肩肘手臂外骨骼和手指外骨骼,在康复训练中主要应用于中风后患者肩肘关节及腕手关节运动功能的康复训练。下肢外骨骼能够辅助下肢麻痹患者完成站立及运动,在下肢运动功能的康复治疗方面具有巨大的应用潜力。本文综述了目前常见的穿戴式外骨骼康复辅具的特点及其临床应用现状,并总结了目前国内外可穿戴外骨骼的研究进展。     

用于康复训练的柔性机械手设计与实现

基于柔性螺旋驱动机构,设计了一种应用于手开闭困难患者康复训练的柔性手部外骨骼机械手．该机械手通过柔性螺旋驱动机构带动柔性手指,产生大变形从而实现双向弯曲运动．通过对手指模型的简化,利用悬臂梁模型建立了柔性手指弯曲力学模型,进而得到了手指末端弯曲角度和弹簧旋转圈数之间的运动学关系．针对模型误差问题,建立了误差补偿函数对所建立的手指弯曲运动学模型进行修正,并实验验证了修正模型的有效性．最后,研制了柔性机械手,并对机械手的弯曲及负载能力进行了实验验证．     

多段连续结构手功能康复外骨骼运动规划与结构优化

针对现有康复机器人手指运动轨迹仿生度低、轨迹规划策略与正常人手指运动轨迹差异较大的问题,提出了基于Tau-jerk引导策略的手指运动轨迹规划方法。首先建立外骨骼机器人的运动学模型,并用ABAQUS进行运动学仿真,引入修正系数调整运动学模型;然后以jerk值为耦合对象,推导出内部Tau-jerk引导策略,引入最小做功和最小面积确定最优轨迹和最优多段连续结构;最后比较了Tau-jerk规划的运动轨迹与多项式插值方法规划的轨迹同真实人手运动轨迹的偏差。实验结果表明:采用Tau-jerk轨迹规划的外骨骼运动平均关节角度误差小于1.5°,且平均指尖轨迹误差小于1 mm;与3次多项式插值和3、4、5次多项式插值运动规划相比,Tau-jerk轨迹规划方法更符合人手指运动轨迹。     

单兵外骨骼结构与运动分析

单兵外骨骼是一种通过穿戴在士兵身上,提高人体负荷和速度,含有动力源的机械装置.由于可以携带更多的重物,并辅助加快运动速度,因此在现代战争中,如长距离行走、运送给养、防护等方面,应用前景巨大,能有效提高士兵生存几卒和作战效率.本文通过分析机械外骨骼技术的结构和运动,探讨特该技术应用于现代单兵装备的理论基础.     

单作用缸驱动的负重外骨骼容积调速液压动力单元分析

负重外骨骼动力单元为外骨骼工作提供动力,要求响应迅速,工作稳定,是整个外骨骼系统长时间稳定可靠工作的关键部分。设计了一种单作用缸驱动的负重外骨骼容积调速液压动力单元,结合人体走行步态对液压动力单元的作用机理进行了分析。为研究负重外骨骼单作用缸的负载组成,建立了负重外骨骼走行过程中支撑态时的动力学方程,为负重外骨骼油缸负载的加载提供了理论依据。为了准确模拟负重外骨骼油缸负载,使仿真结果更加可靠,在ADAMS建立负重外骨骼单腿模型,在AMEsim建立动力单元液压系统模型,通过AMEsim与ADAMS联合仿真对该液压动力单元进行了理论分析,结果表明设计的容积调速液压动力单元响应快,单作用缸运动稳定,能满足外骨骼的使用需求。     

手指运动姿态检测及假肢手指动作实时控制

设计了一种通过实时检测手指关节弯曲角度控制假肢手指动作的实验系统.系统主要由手指运动姿态实时检测、关节角度分析、控制与驱动电路、欠驱动机电假肢手4部分组成,假肢手包含拇指、食指、中指3个独立动作的手指;利用加速度传感器ADXL330实时检测手指运动姿态信息,由DSPTMS320F2812微处理器实时检测手指关节运动的瞬时角度变化并进行PWM脉冲编码,控制步进电机运动以驱动假肢手指关节转动.并分别对加速度传感器检测手指运动和假肢手指动作实时控制进行了实验测试;实验结果表明,系统采用的加速度传感器ADXL330能实时检测手指运动姿态,利用手指关节角度信息能有效驱动假肢手指屈伸,并通过三指配合完成抓握动作.     

机器人滚动操作时手指的运动分析

利用两曲面间速度和姿态约束推导出了机器人手指和物体之间的纯滚动约束运动方程；讨论了手指所具有的自由度数对纯滚动操作的影响；发现为了使手指能以纯滚动的方式操作物体实现任意的运动，每个手指至少需要３个自由度，为多指手纯滚动操作的运动规划奠定了理论基础。     

基于力反馈的上肢康复机器人

针对脑中风引起的偏瘫患者,提出了一种新的基于虚拟现实技术上的上肢康复机器人系统。该系统主要由上肢外骨骼装置,触觉装置,电机控制器和工作站组成。患者穿戴上肢外骨骼机构,安装在患者患侧,通过电机带动外骨骼运动从而使患者患侧运动。在外骨骼运动过程中,通过力反馈机构将患者受力或施力反馈到三维触觉操作器,进而反馈给对其辅助治疗的医生。     

一种欠腱驱动的四指机械手

文章提出一种欠腱驱动的四指机械手.每个多指节手指仅用一根腱驱动手指弯曲运动,与现有多指灵巧手和欠驱动多指杆机械手相比,这种欠腱驱动的四指机械手具有结构简单、紧凑,且能减少控制的复杂性、重量和成本,并能实现多功能地抓取不同物体的能力.     

—种欠腱驱动的四指机械手

文章提出一种欠腱驱动的四指机械手。每个多指节手指仅用一根腱驱动手指弯曲运动,与现有多指灵巧手和欠驱动多指杆机械手相比,这种欠腱驱动的四指机械手具有结构简单、紧凑,且能减少控制的复杂性、重量和成本,并能实现多功能地抓取不同物体的能力。     

舱外航天服手套关节力学特性测试系统

根据机器人学原理,提出了基于测量机械手的舱外航天服手套关节力学特性测试系统的测量原理.设计了基于平行四边形连杆的外骨骼式测量机械手,该机械手刚度大,指节长度可调节,能够围绕航天服手套实现包络运动,且机械手可双向驱动.根据机械手的结构特点,建立了其运动学模型.针对舱外航天服手套柔性关节的转动特性建立了手套二自由度手指的数学模型.最后以基于高速浮点DSP的PCI控制卡为核心建立了测量机械手的控制系统.     

气动人工肌肉驱动仿人灵巧手的结构设计

研究一种气动人工肌肉驱动的多指仿人灵巧手的结构设计. 通过分析正常人体解剖学,针对人类手掌的外形结构、驱动形式及运动规则,设计了一种5指仿人灵巧手. 该灵巧手有5个手指、19个自由度,在外观和功能上与人手接近;手指采用气动人工肌肉驱动,以柔索传动. 实验结果表明,该仿人灵巧手具有很好的柔顺性,并且整体外形和手指关节的运动范围均能达到拟人的效果.     

基于仿人并联手指机构的机器人灵巧手设计与性能研究

为满足工业上对机器人灵巧手灵巧度高、承载能力强和精度高的要求,提出一种具有2T1R运动类型的仿人并联手指机构,并设计一种基于仿人并联手指机构的机器人灵巧手.对并联手指机构进行了 自由度、运动学的分析,并用Adams对运动学分析进行了验证;利用机构的约束条件,确定了并联手指机构的工作空间;根据所建立的雅克比矩阵,研究了并联手指机构的奇异性与灵巧性,分析了力的传递性质;建立了灵巧手的抓取模型,分析了灵巧手协调操作的自由度、运动学和空间.通过研究分析,验证了灵巧手可行性与实用性,运动及性能方面可以满足工业生产的需求.     

一种穿戴式康复外骨骼机械手的设计和分析

基于大脑可塑性理论和连续被动康复训练运动(continuous passive motion,CPM)疗法在手部康复的运用,文章设计了一种外骨骼机械手.该机械手各手指设置一个自由度,利用双平行四边形投影机构和关节对中结构相结合的方式带动患指;为适应康复时的手部姿态,设计腕关节弯曲机构和桡尺关节翻转机构;对手指训练机构进...     

负重型下肢外骨骼机器人机构研究与仿真

设计兼顾人体运动灵活性与有效承载能力的下肢外骨骼机械结构,是负重型下肢外骨骼改善人机协同性、提高承载能力的关键技术之一。针对华东理工大学设计的外骨骼机器人"ELEbot"的结构进行研究并仿真。这种结构能够根据穿戴者步态的变化,引起自身结构的变化,进而改变下肢外骨骼的空间力闭环,使外骨骼满足不同步态下的功能特性。通过Matlab中的simmechanics模块对建立的模型进行仿真分析,得到人体下肢末端的运动空间,并与正常人体的运动空间比较,得出两者匹配的结论,验证了该结构的可行性。     

智能机器人灵巧手的研究

介绍了过去几年DLR开发的一型和二型手．DLR－I手是一种多传感器4指手,它具有12个关节（每个手指具有3个关节）。这些关节集成在手指和手掌内,作为世界上最复杂的机械手之一的DLR－I手共具有112个传感器,大约1000个机械零件和1500个电子元件。手的关键部件是人工肌肉,这是一种小巧但动力很强的线性驱动器,它是首先实现替代液压和气压驱动器的机电驱动器之一,基于DLR－I手的实验结果研制的DLR－Ⅱ手具有以下4个明显的优点：（1）可重构的手掌;（2）易于维护的开放式结构;（3）采用了新的通讯结构,使得手的引出线从DLR－I手的400根减少到12根;（4）为实现手的精确操作,每个手指的指尖安装了一个微型6维力／力矩传感器,每个手指指尖的输出力从10N增加到了30N。DLR－Ⅱ手将在服务机器人领域发挥重要的作用。     

仿生义肢重回生活“伊甸园”

“米开朗基罗之手”：与真正的手一样使用据国外媒体报道，英国一手臂残疾的病人近日成为使用“米开朗基罗之手”的第一人。这种由美国和德国科学家联合研制的“米开朗基罗之手”采用电子手指，具有传感肌肉运动的电极，能使手臂肌肉的运动信息传到义肢上，为残疾人士恢复肢体功能打开了另一扇门。