基于柔性铰链的仿生外骨骼机械手设计研究

发布时间：2021-06-26 03:27

　　为辅助手功能障碍患者在日常生活中更好地进行手部的康复训练与活动,提出一种基于柔性铰链的仿生外骨骼机械手。首先,基于弹性力学建立直梁型与半圆弧梁型柔性铰链刚度之间的映射关系模型,通过有限元模型改进半圆弧梁型柔性铰链的刚度设计式,并利用三铰链串联式外骨骼手指有限元模型验证单铰链刚度设计式的通用性和有效性;其次,基于修正后的刚度设计式,设计基于柔性铰链的仿生外骨骼机械手,通过绳索实现屈曲运动,通过柔性铰链的储能实现伸展运动,并根据齐次坐标变换建立相关的运动学模型,研究绳驱下的运动特性;最后,对试制的原型机进行屈曲性能与抓握能力的实验验证。外骨骼手指的仿真结果表明:单铰链的刚度设计式可用于复杂机构中各铰链的刚度计算,其误差值不大于3.5%;所试制的原型机手部执行构件仅重125 g,方便使用者日常携带。屈曲性能的实验结果表明:改进的刚度设计式减小了半圆弧梁型柔性铰链40%的刚度计算误差,使误差控制在5%以内,能快速获取满足弯曲条件的铰链几何尺寸。抓握能力的实验结果表明:两名健康受试者测量出外骨骼手单指能稳定输出8 N的指尖力,满足日常生活所需。因此,该外骨骼机械手可提供正常的关节活动度,其轻质便... 

【文章来源】：中国生物医学工程学报. 2020,39(05)北大核心CSCD

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

末端受力矩载荷的大变形悬臂梁

图1 末端受力矩载荷的大变形悬臂梁如图2所示，柔性铰链的一端固定，另一端施加使其达到材料屈服强度的最大弯矩M。材料采用65Mn，其杨氏模量E=196.5 GPa，泊松比v=0.3，弯曲屈服强度σs=784 MPa，宽度b=7 mm，所有特性都是各向同性的。为满足训练手指功能的弯曲角度，单个柔性铰链在达到其材料屈服强度前，设定的最大弯曲角度不小于30°。

相比于单个半圆弧梁型铰链，人手指是一个较为复杂的多铰链模型。如图3所示，本研究用三铰链串联模型来模拟外骨骼手指，用于对单个半圆弧梁型柔性铰链的刚度验证。其中，外骨骼手指模型中各柔性铰链的半径R1、R2和R3参考穿戴者食指的掌指、近指和远指关节半径。在仿真过程中，外骨骼手指模型的一端被固定，另一端施加弯曲力矩，直至达到材料的最大屈服强度。

【参考文献】：
期刊论文
[1]曲梁柔性铰链性能分析及应用机构设计[J]. 陈应舒,朱淳逸.  机械设计与制造. 2018(11)
[2]圆弧柔性铰链的优化设计[J]. 李耀,吴洪涛,杨小龙,康升征,程世利.  光学精密工程. 2018(06)
[3]手外骨骼康复技术研究进展[J]. 陈学斌,高海鹏,刘文勇,高敏,安峥.  中国医疗设备. 2016(02)
[4]脊髓延髓肌肉萎缩症的临床特点[J]. 丛琳,潘钰.  临床神经病学杂志. 2012(04)
[5]脑卒中后偏瘫患者的综合治疗[J]. 匡桂梅.  中国现代药物应用. 2011(10)
[6]创伤手指康复外骨骼手系统的设计[J]. 王鹏,付宜利,王树国,孟庆刚.  光学精密工程. 2010(01)
[7]直梁型柔性铰链制造误差对刚度性能影响的建模与分析[J]. 秦宇,冯之敬.  中国机械工程. 2008(18)
[8]柔性铰链的应用[J]. 吴鹰飞,周兆英.  中国机械工程. 2002(18)



本文编号：3250536