機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)-機(jī)械手爪傳動(dòng)和執(zhí)行部分設(shè)計(jì)【含CAD圖紙和說明書】
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肌電假手的調(diào)研報(bào)告
肌電控制假手是利用肌電作為控制信號(hào)的動(dòng)力假肢，是一種生物電控制的典型的“人—機(jī)”系統(tǒng)。其工作原理是利用殘肢者手臂上的殘端肌肉中檢測出的肌電位變化作為假手動(dòng)作的控制信號(hào)，控制假手動(dòng)作，從而代替人軀體上失去的手臂。與其它方式控制的假手比起來具有很多的優(yōu)越性，因而受到患者的青睞，擁有廣闊的市場，也成為上肢假肢研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。
調(diào)查過程中，發(fā)現(xiàn)市場上除了有我們現(xiàn)在介紹的肌電控制假手之外，還有其它很多種類的假手：開關(guān)控制（壓控式）電動(dòng)假肢；索控式機(jī)械假肢；骨骼式裝飾假肢；混合式上臂假肢；肘離斷混合假肢等等。從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)上，絕大部分的假手都應(yīng)具備：假手的機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器、驅(qū)動(dòng)器和控制系統(tǒng)，只有各個(gè)組成部分有序的工作，才能讓假手完成相應(yīng)的動(dòng)作。下面就此次市場調(diào)查，對(duì)假手的這些組成部分進(jìn)行簡要的分析。
1、假手的機(jī)械設(shè)計(jì)
市場上的假手有三指的，四指的，也有五指的，為了能更好的模仿真人手的功能，五指假手的研究的比較多。五指包括四個(gè)手指和一個(gè)拇指，形狀如人手。一般地，手里裝有3個(gè)電機(jī)。其中兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)拇指和食指，另外3個(gè)手指是聯(lián)動(dòng)的，由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
手指可采用模塊化設(shè)計(jì)，4個(gè)手指具有相同的結(jié)構(gòu)。食指有3個(gè)可活動(dòng)的關(guān)節(jié)，分別是基關(guān)節(jié)、中關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)關(guān)節(jié)。電機(jī)通過減速器驅(qū)動(dòng)基關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過欠驅(qū)動(dòng)連桿將驅(qū)動(dòng)力矩傳遞給中關(guān)節(jié)。中關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)關(guān)節(jié)通過連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)耦合運(yùn)動(dòng)，沒有電機(jī)驅(qū)動(dòng)，是被動(dòng)運(yùn)動(dòng)的。中關(guān)節(jié)安裝了扭簧。各個(gè)關(guān)節(jié)處的機(jī)械限位限制關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍。中指、無名指和小指的結(jié)構(gòu)和食指相同，只是驅(qū)動(dòng)部分不同。這3個(gè)手指由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，它們的基關(guān)節(jié)通過彈簧支架安裝在同一個(gè)驅(qū)動(dòng)軸上。
拇指的基關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是兩個(gè)自由度，即側(cè)擺與張合。為了減少機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和重量，假手的拇指可設(shè)計(jì)為只有一個(gè)自由度。使用球鉸鏈的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使拇指在從初始位置到最終閉合位置的運(yùn)動(dòng)軌跡形成錐面的形狀，與拇指自然的運(yùn)動(dòng)類似。
4個(gè)手指與拇指相對(duì)運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力抓握，如果指尖首先與物體接觸可以實(shí)現(xiàn)捏取。整個(gè)手有3個(gè)自由度，食指和拇指可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，其余3個(gè)手指共用一個(gè)自由度。自由度的增加大大提高了假手的靈活性。
2、傳感器
傳感器用于提供手指位置、力矩等信息。在每個(gè)手指的基關(guān)節(jié)和指尖上分別安裝了基于應(yīng)變片的一維力矩傳感器。拇指、食指和三指聯(lián)動(dòng)的基關(guān)節(jié)上安裝位置傳感器。位置傳感器基于霍爾效應(yīng)，用來測量基關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。霍爾傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小，而且它與測量部分是非接觸的，避免了摩擦產(chǎn)生。
目前較為先進(jìn)的還有觸覺傳感器與滑覺傳感器聯(lián)合使用。觸覺傳感器主要用來檢測物體與手指是否接觸，以通知滑覺傳感器開始工作或停止工作。觸覺傳感器的種類是多種多樣的，有點(diǎn)式、棒式、緩沖器式、平板式、環(huán)式。常用的滑覺傳感器是轉(zhuǎn)輪式滑覺傳感器。
3、驅(qū)動(dòng)器
驅(qū)動(dòng)器的性能對(duì)于人手的設(shè)計(jì)非常重要，手的重量，功耗，抓取力的大小，噪聲等很多指標(biāo)都與驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。市面上采用的驅(qū)動(dòng)器也有很多種，PORTECAP的17N78—216E直流電機(jī)就是其中的一種，該電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)8500r/min,連續(xù)轉(zhuǎn)矩5.69mN·m，堵轉(zhuǎn)力矩12.5mN·m。電機(jī)與假手上的行星齒輪減速器安裝在一起，后端安裝磁碼盤。查閱相關(guān)的資料，得知，這樣的電機(jī)能滿足手指的抓握要求。
4、控制系統(tǒng)
傳統(tǒng)的多自由度假手控制系統(tǒng)一般采用單片機(jī)或計(jì)算機(jī)作為主控制器，其功耗和體積較大，處理速度較慢，接口功能有限，不適合于假手的嵌入式、低功耗應(yīng)用。另一方面，假手的控制器需要處理的數(shù)據(jù)量大，包括肌電信號(hào)的采集處理、傳感器數(shù)據(jù)采集、濾波、電機(jī)控制等任務(wù)。
假手的控制器應(yīng)具有自動(dòng)控制的功能，這樣可以減少使用者控制假手的難度，為了提高數(shù)據(jù)處理能力，控制器采用了雙處理器結(jié)構(gòu)，兩個(gè)DSP分別在兩塊電路板上。一塊電路板是假手運(yùn)動(dòng)控制板，用于假手本體的控制，一塊是EMG信號(hào)處理板，用于肌電信號(hào)的識(shí)別。假手本體的控制包括手指的位置控制和力控制以及各個(gè)手指的協(xié)調(diào)動(dòng)作控制。假手運(yùn)動(dòng)控制板上包含了微處理器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。微處理器采用了TI的TMS320F2810.這也是最常用的一種微處理器。EMG信號(hào)處理板的功能是對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行采集、預(yù)處理和實(shí)現(xiàn)模式分類算法，識(shí)別后將控制命令通過接口發(fā)送給假手運(yùn)動(dòng)控制板，控制假手的動(dòng)作。
以上就是對(duì)假手各個(gè)部分的介紹和簡要分析。
肌電控制假手作為一個(gè)真正的“人—機(jī)”系統(tǒng)，其信號(hào)提取簡單，控制準(zhǔn)確率高，具有廣闊的應(yīng)用前景和市場。但目前這樣的假手仍然處于研究、完善階段，市場上出現(xiàn)的成品還不能滿足殘肢者的要求，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)簡單笨拙，自由度少，外形難看，控制系統(tǒng)簡單等，因此，要真正研制生產(chǎn)出與人手一樣功能的肌電假手還需要技術(shù)人員的不斷努力。
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