无抖动的仿生机械手制造技术

一种无抖动的仿生机械手，包括至少一个驱动电机，每个驱动电机具有各自的牵引部，驱动电机和牵引部之间设置力输出线和多个导线轴，力输出线包括至少两段能够相互缠绕的线段，力输出线一端与牵引部固定、另一端与驱动电机的输出端固定；力输出线通过的路径上设有分束件，力输出线缠绕的线段在分束件处分离。分束件隔离了线段缠绕的扭矩对中指节、远指节的影响，既能分离缠绕在一起的线段，又不会阻滞力的传递，避免了手指抖动，保障力输出线的使用寿命。寿命。寿命。

【技术实现步骤摘要】
无抖动的仿生机械手


[0001]本专利技术涉及一种仿生机械，特别涉及一种无抖动的仿生机械手。

技术介绍

[0002]仿生机械研究的主要领域有生物力学，控制体和机器人。生物力学研究生命的力学现象和规律，包括生体材料力学，生体流体力学和身体机械力学。控制体和机器人是根据从生物了解到的知识建造的工程技术系统。
[0003]据统计，手是最容易受到损伤的人体器官之一，由于其内部神经、血管、小肌肉纵横交错，一旦受损，治疗难度很大，治疗后功能恢复也不理想。并且，不但是手本身受损会影响其运动功能，大脑、脊柱、手臂等受损，也会在不影响手的肌体时使手的运动功能丧失。
[0004]仿生手是目前日益发达的仿生机器人的关键功能性部件，现有的仿生手主要包含以下两类，第一类，功能相对灵活，但外观明显机械化，主要由刚性的连杆和铰链组成，通过连杆传动或者拉线方式实现指节之间的联动。这种仿生手的优点是可以将人手所有活动关节进行拆分，从而实现更多的自由度。使用连杆传动方式的仿生手输出的力比较大，但是连杆机构的刚度大，柔性低，重量大，外观与自然人手外观差距较大。拉线式的仿生手，其柔性高，但是输出的指力小，且拉线容易断，容易出现功能失效。第二类是外观颜色和质感都跟人手高度接近的硅胶手，这种手通过真人手倒模，再用硅胶灌注制成。但是这种手只有装饰功能，没有实质的运动功能。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种外形接近人体肢体或者能够跟丧失运动机能的人体肢体相结合，同时又兼顾柔性和运动自由度，能够输出大指力的仿生机械。
[0006]一种仿生机械，具有至少一个驱动电机，每个驱动电机具有各自的牵引部，驱动电机和牵引部之间设置力输出线和多个导线轴，力输出线包括至少两段能够相互缠绕的线段，力输出线一端与牵引部固定、另一端与驱动电机的输出端固定。
[0007]驱动电机输出的扭矩传递至力输出线，力输出线相互缠绕或者相互松开，力输出线的长度发生改变，从而使牵引部位移，整个被牵引的结构弯曲或者伸直。当力输出线抵住导线轴时，力输出线从被抵住的导线轴处转弯，也带动被牵引机构弯曲。
[0008]本专利技术的第一方面，其目的在于提供一种实现对机构运动的和谐生物力传递，实现符合生物力学的自然运动，避免出现违反自然生物运动的动作的导线轴位置和弹簧刚度优化方法。
[0009]该导线轴位置优化方法可用于丧失运动功能的人手和、或手臂，以连杆和弹簧重建的机械手、机械臂等。本文中将这些结构统称为被牵引机构。被牵引机构虚拟为具有连杆和弹性铰链的连杆模型。对于机械手和机械臂而言，以机械手、机械臂的连杆为连杆，机械手、机械臂的关节为弹性铰链。对于丧失运动功能的人手、手臂而言，以手骨作为连杆，以关节作为弹性铰链。
[0010]作为优选的方案，获得自然肢体运动数据库，对自然肢体建立运动模型，自然肢体的运动模型中，骨骼作为连杆，关节作为弹性铰链，肌腱作为力输出线，每个关节的参数包括肌腱长度l和关节的刚度，利用正逆运动学获得自然肢体肌腱运动量Δl与关节角度θ之间的关系l＝f(θ
i
)；使用PCA算法，获得自然肢体的第一主成分的维度方向，以及在该维度方向下肌腱运动量Δl与关节角度θ的关系、以及当有多个关节时、多个关节角度之间的比例关系；
[0011]建立被牵引结构的运动模型，将运动模型的运动自由度约束在第一主成分的维度方向，运动模型包括连杆、相邻连杆之间的弹性铰链和力输出线，每个弹性铰链的参数包括两个插入点的位置和弹簧的刚度，两个插入点之间的力输出线长度表示肌腱长度；
[0012]将弹簧刚度和肌腱长度作为输入，将每个关节的角度作为输出，以运动模型中肌腱运动量Δl与关节角度θ之间的关系与自然肢体中肌腱运动量Δl与关节角度θ之间的关系差距最小作为目标，不断调整插入点位置和弹簧刚度，迭代计算，直到目标达成；输出插入点位置和弹簧刚度，导线轴位置和弹簧刚度优化完成。
[0013]本方法的核心是将每个关节虚拟为两个插入点和一个关节的刚度值；插入点的具体表示肌腱长度。
[0014]进一步，正逆运动学模型获得肌腱运动量Δl与关节角度θ的关系，正运动学模型为：其中，J表示旋转变换矩阵、表示肌腱在该维度的运动量；
[0015]逆运动学模型为：逆运动学模型为：J
+
表示加权后的旋转变换矩阵，加权的权值为W弹簧刚度；当得到肌腱运动量与关节角度的关系。
[0016]进一步，有多个关节时、多个关节角度之间的比例关系的获取方法是：肌腱运动量Δl与关节角度θ的关系建立曲线图，以肌腱长度l作为横坐标，以角度值作为纵坐标，每个关节角度在该坐标系下具有一条关节角度根据肌腱长度变化的曲线；
[0017]选定一个关节作为基准关节，建立以基准关节的角度为横坐标，角度值为纵坐标的二维坐标系，获得每个关节相对基准坐标的曲线，曲线的斜率表示该关节的角度与基准关节的角度之间的比例关系。关节的角度与基准关节的角度之间的比例关系越趋近PCA分析获得的角度比例关系，则说明该运动模型越接近自然肢体的运动。若关节的角度与基准关节的角度之间的比例关系越远离PCA分析获得的角度比例关系，则以逼近PAC主成分分析获得的结果为目标，调整插入点的相对位置。
[0018]作为优选的方案，被牵引机构为手指，建立手指运动模型，手指包括近指节
‑
掌骨关节 MCP，近指节
‑
中指节关节PIP和中指节
‑
远指节关节DIP，每个关节具有各自的两个插入点。
[0019]将手指或仿生机械手简化为手指连杆模型，连杆模型中，以骨(比如指骨，手骨，指骨模型等)为连杆，相邻骨之间的关节为弹性铰链。此处的手指和手柄可以是自热人体中丧失运动功能的手指和手臂，也可以是使用机械结构复建的假肢和假手。
[0020]应用于机械手的手指结构时，作为优选的方案，刚度W为扭簧的刚度，刚度作为可变量，与插入点位置一起作为可变输入值。
[0021]丧失手指运动功能的患者，比如中风病人，手指的运动不再受大脑控制，手指关节处的肌肉僵硬，同一个患者的同一根手指的不同关节处的肌肉僵硬程度不同，因此在进行手套的导线轴插入点优化时，生物力学模型中的关节刚度W各不相同。
[0022]应用于丧失运动机能的人手的手指结构时，作为优选的方案，刚度W是手指关节的实际刚度；刚度W作为固定值输入，仅插入点位置作为可变输入值。在优化计算之前，对患者的每个手指刚度进行测量。人手关节的刚度可以通过给定已知的力、测量获得关节的角度，计算获得关节刚度W，通过已知力和角度计算刚度的方式采用现有技术。
[0023]进一步，应用于丧失运动机能的人手康复时，手指除了丧失主动抓握能力，通常也伴随丧失主动伸展的能力，因此，康复工具中还会设置使手指伸张的机构，以弹性件作为手指伸张的机构时，力输出线牵引手指抓握时，关节刚度为复合了弹性件作用的关节等效刚度。也就是说，在弹性件处于工作状态时，进行手指关节刚度测试。
[0024]作为优选的方案，被本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无抖动的仿生机械手，其特征在于：至少一个驱动电机，每个驱动电机具有各自的牵引部，驱动电机和牵引部之间设置力输出线和多个导线轴，力输出线包括至少两段能够相互缠绕的线段，力输出线一端与牵引部固定、另一端与驱动电机的输出端固定；力输出线通过的路径上设有分束件，力输出线缠绕的线段在分束件处分离；机械手每个关节具有各自的一对导线轴和位于插入点之间的弹簧；插入点和弹簧的刚度由优化方法确定，驱动电机作为PCA分析法获得的第一主成分方向的驱动器；优化方法包括以下操作：获得自然肢体运动数据库，对自然肢体建立运动模型，自然肢体的运动模型中，骨骼作为连杆，关节作为弹性铰链，肌腱作为力输出线，每个关节的参数包括肌腱长度l和关节的刚度，利用正逆运动学获得自然肢体肌腱运动量
△
l与关节角度θ之间的关系
△
l＝f(θ
i
)；使用PCA算法，获得自然肢体的第一主成分的维度方向，以及在该维度方向下肌腱运动量
△
l与关节角度θ的关系；其中θ
i
为机械手i关节的关节角度，i为近指节
‑
掌骨，近指节
‑
中指节，中指节
‑
远指节中的任意一项；建立被牵引结构的运动模型，将运动模型的运动自由度约束在第一主成分的维度方向，运动模型包括连杆、相邻连杆之间的弹性铰链和力输出线，每个弹性铰链的参数包括两个...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏涛，金永斌，朱颖，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：