摘 要

Abstract II

1 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容 3

2 假肢手模型的建立 4

2.1 人手的结构及作用 4

2.2 人手骨骼分布、建模及打印 5

2.2.1人手骨骼分布 5

2.2.2 人手骨骼建模及打印 8

3 假肢手设计 13

3.1 假肢手驱动研究现状 13

3.2 假肢手SMA驱动研究现状 14

3.3 形状记忆合金 15

3.4 假肢手结构设计 19

参考文献 23

致谢 26

摘要

欠驱动耦合假肢手因其驱动器少、质量轻、易于控制、自适应性强等突出优点，近年来得到广泛的运用。这篇论文由形状记忆合金（SMA）驱动的拟人机械手。人手可以依靠其灵活的结构抓取、操纵复杂的对象并加以实时控制。然而由于人手生物力学结构复杂，因此很难使用刚性结构复制精确的人手。在人类的手中, 除了拇指，每个手指的掌骨和三个趾骨组成一个手指, 拇指只有两个趾骨与掌骨组成一个手指。除了拇指，每个手指由掌指关节、近端指间关节和远端指间关节三个关节组成。近端指间关节和远端指间关节的运动常常时同时的，而掌指关节的运动是独立的。这次设计的机械手是根据24岁成年男性右手的基本结构设计的。这个机械手有四个手指且每个手指由3关节。形状记忆合金执行器被用作手指驱动器，通过SMA驱动器的数学模型描述研究手指的动态力学特征。一个拟人手指通过3D打印机被打印出来，并给出了实验结果。

关键词：假肢手;形状记忆合金;欠驱动;驱动器;3D打印技术

Abstract

Due to using less actuators, being light, being easy to control and possessing self-adaptive grasping function,recently, underactuated prosthetic hands possessing the characteristic of motion-coupling are developed. This paper describes the design of a humanoid robot hand with SMA actuators. Human hands can grasp and manipulate complicated objects relying on its flexible structure and real-time control. However, it is difficult to replicate an exact human hand using rigid structures because of intricate biomechanical structure. In human hand, one metacarpal and three phalanges make up each finger, except for the thumb which only has two phalanges. Each finger except the thumb is composed of 3 joints: the metacarpophalangeal (MCP), the proximal interphalangeal (PIP) and distal interphalangeal joints (DIP). The DIP and PIP joints are always moving simultaneously, while the MCP joint can move independently. The robot hand is developed which replicates a 24 year-old man’s hand in its fundamental structure. The robot hand has four fingers and all the fingers consist of 3 links. Shape memory alloy actuators were used as a drive mechanism for the fingers and mathematical model of the SMA actuators are described to study the finger dynamics. A prototype humanoid robot hand was fabricated using 3D printing techniques and experimental results are presented..

Keywords：Prosthetic hand,shape memory alloy(SMA),underactuated, 3D printer

1 绪论

1.1研究背景

通过多指机械手抓取不同类型的物体，是机器臂至关重要的任务。夹持器是在机器人应用程序中的终端执行器元素，用于各种工业操作,比如转让、装配、焊接和绘画。然而,如果在装配线上，一个夹持器被认为是处理不同的工作或搬运不同类型的零件，那么通用机械手将是必需的。目前有采用各种各样技术的驱动器的机械手，比如电气、液压和气动马达等。除了这些传统的致动器，可以将形状记忆合金(SMA)类别的驱动器列入到技术驱动器。形状记忆合金在一个特定的温度下，可以通过向材料给定的形状变形来提供动力。将这个变形过程产生的动力转换为机械手抓握力是问题的核心。在这次研究中，设计出一款由镍钛形状记忆合金（Ni-Ti SMA）驱动的机械手，为了检查在工业环境中系统的兼容性，进行了一系列的实验。

最近对机器臂的研究集中于实现尽可能熟练地抓取不同对象的多指机械手的配置上。机器人的手有多种功能，能完成不同的任务。人手的功能和形式,使人手成为最熟练的“设备”,是目前机械手功能配置的模型。功能、尺寸、维护和使用方便，是设计和制造机械手的一些重要参数。

1.2 国内外研究现状

近年来，随着国内外假肢手领域相关学者的深入研究，大量的仿人假肢手被研制提出，如，iLimb-Hand^[1]，TMB Hand^[2],TB Hand^[3]。假肢手的发展经历了由灵巧手到耦合单自由度再到欠驱动稱合单自由度假肢手的发展历程。灵巧手运动灵活、操作精准，能完成各种复杂工况下的抓取任务，因此在工业及航空航天领域中得到了广泛的运用。现有的发展成熟的灵巧手有：年日本设计的Gifu HandⅡ^[6], 2003年德国研制的DLR^[7]手，以及哈尔滨工业大学联合DLR以DLRⅡ为基础研制了灵巧手DLR/HITⅠ^[8-10]、DLR/HITⅡ^[4]。然而由于灵巧手结构复杂、体积庞大、笨重以及控制难度大等缺陷，使现有的灵巧手很难达到假肢佩戴者的要求。

图1-1 Gifu HandⅡ 图1-2 Yokoi Hand

图1-3 Smart Motor Hand (C6M) 图1-4 SKKU Hand III

图1-5 i-Limb hand 图1-6 ADAPTIVE GRIPPER

欠驱动假肢手目前主要有三种实现模式：差动齿轮驱动模式、连杆驱动模式和鍵驱动模式。其中差动齿轮驱动模式下的欠驱动假肢手主要有：2004年，日本假肢手研究者K Koganezawa^[11]等设计的一种基于稱合差动轮系设计的欠驱动自适应假肢手；以及中南大学于2012年设计的基于差动轮系的耦合单自由度假肢手^[12]。连杆驱动模式下的欠驱动假肢手主要有：2007年，上海交通大学的茅一春等人基于计的基于TBM Hand^[4]连杆传动的欠驱动耦合自适应假肢手；意大利卡西诺大学G.Carbone等人于2008年对LARM Hand进行改进，在原有的刚性传动连杆中引入了弹性元件设计的欠驱动自适应假肢手。腱驱动模式的欠驱动假肢手主要有：意大利博洛尼亚大学于2005年成功研制出的假肢手UB Hand3^[13];2006年，意大利Loredana Zollo等人研制出的RTRⅡ改进手^[14]；哈尔滨工业大学于2010年设计的一套腱驱动假肢手^[15]。基于差动齿轮驱动的欠驱动假肢手，由于其结构复杂，加工及安装精度较高目前并未得到广泛的运用。基于连杆驱动的欠驱动假肢手刚度高、抓握力大、可控性强，但结构复杂、尺寸较大、比较笨重。此外，由于耦合杆件数目较多，加上弹性元件的引入，因此很难对该类假肢手进行结构优化及理论分析。基于腱驱动的欠驱动假肢手结构简单、紧凑，体积小重量轻，易做到与人手的外形、尺寸、重量一致。但该类假肢手的刚度较小，手指的抓握力也比较小。

1.3 研究内容

目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机械手共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下几个方面：

(1)机械手的优化设计

在这次课题中，对差动式驱动方法进行改进，通过改变关节的刚度来加快灵巧手的工作频率。我们将SMA丝编入橡胶管中，形成网，并将相邻的骨骼通过已编入SMA合金丝网的橡胶管中。通电时SMA合金丝伸长，提高橡胶管刚度，加快手指伸张速度。断电时SMA合金丝收缩，橡胶管刚度降低。

(2) 仿人和仿生技术

这次设计中我们严格控制灵巧手的外形，模仿正常人右手利用3维绘图软件进行建模并利用3D打印机打印模型。每块骨头分成左右两个部分。将记忆合金丝嵌入到骨骼内的小孔。这样既省材料又美观。在嵌入在骨骼内的合金丝的作用下，手指会弯曲，达到抓取物体的目的。

(3) 机械手控制技术

通过实验方法，重点研究通电状态下电流强度与形状记忆合金丝应力及应变之间的关系。

2 假肢手模型的建立

2.1 人手的结构及作用

我们的手脚是五趾型四肢。3.8亿年前，第一个动物从海洋登陆的时候，四指动物和八指动物数量相似，后来，五指模式称为标准模式，某些群体如青蛙和小鸟，向着熟悉的五指模式进化。

在人体中，手是仅次于大脑的最迷人的和复杂的人体器官。就像帮助人类工作和娱乐一样，在人造世界的自然行动中，与其他器官相比，手的作用是显著的。我们的手在生命中中发挥核心作用，而令人惊讶的是，我们对这个挂在我们的肩膀上的、可笑的、尖端分五叉的、多铰链的工具了解甚少。

对人类的手最古老的定义是由Charles Bell先生于1834年《布里奇沃特条约》第四卷中提出：就像它被设计的表象一样，手的机理和禀赋至关重要，“我们应该把手定义为，在自然界人类理性和感性在自然防护中决定谁是弱者的精巧的装置，而对于统治者则位于有生命和无生命的自然之上”。毫无疑问这是记录进化方面最吸引人的书,记录了人手个体发生学和种系发生学。Bell根据手普遍的功能，给出了详细明确的定义。

我们对人类手明确和典型的了解是,我们拥有一个大拇指和其他四个手指。仅仅因为手，人类区别于灵长类动物，而像人类一样拥有五个手指的动物却没有像人类一样先进的制造工具的能力。

在人体中，人手是最复杂和美丽的自然工程之一。它给我们提供了一个强大的握力，也允许我们很精确地操纵小物体。这种多功能性使我们有别于地球上其他所有生物。人体肌肉中，手上的肌肉分布最为奇特。大部分的运动是由肌肉控制,而这些肌肉并不是位于手中,而位于前臂。前臂的肌肉通过长肌腱穿过灵活的手腕连接到手指的骨骼上。这个偏远的肌肉组织给手指提供力量和运动能力,而所有的肌肉直接连接到这个偏远的肌肉组织是不可能的。实际上,手只是一个被韧带绑在一起并受前臂控制的瘦骨嶙峋的“木偶”。但这种分布还是可以让我们做这么多。登山者手上的力量给人的印象极其深刻，这是一个极端的情况。通过习惯性的使用和培训，一个手指甚至可以支持整个身体的重量。在另一个极端的情况是，在一场音乐会中，钢琴家需要极好的技巧,而这来自分布手内叫做固有肌肉的肌肉。这些肌肉专门控制拇指和小指，而除了肌腱外的其它肌肉如蚓状肌(形状像蚯蚓)不直接附在骨头上，也可以实现极其精确的运动。

当用一根棒状物体接触个月大婴儿的手掌时，婴儿会自动弯曲手指抓握该物体^[5]。而当我们从婴儿手中拔出该物体时，婴儿将会用更大的握紧力抓住物体，人手的这种运动模式称为人手滑动反射运动,如图2-1所示。日常生活中，人们会遇到各种滑动反射的情况，如人们在进行物体的传递时，由于初始抓握力不足而导致物体的滑落，此时人手会立即作出反应增加手指抓握力，防止物体脱落；或者在水杯接水过程中，由于水量的增加人手原有的抓握力已不能克服水杯的重量，水杯滑落，人手会立即作出反应增加手指握紧力^[5]。反射过程中，人的反应时间和人手力加载速度是决定反射成功与否的关键因素^[5]。

由于工伤、交通事故、战争以及疾病等原因，我国的上肢截肢者数目日益增加。对于部分上肢残疾者来说，手的缺失不仅使他们丧失了劳动能力，同时也失去了生活自理能力，如，部分上肢截肢者不能完成穿衣、吃饭、刷牙、端水等日

常工作，这使上肢残疾者遭受了巨大的心灵创伤^[5]。目前，随着人们物质生活水平的不断提高，社会对残疾者的生活权益也越来越关注。残疾者对功能齐全、使用方便的医疗机械、康复机械的需求也越来越大^[5]。

外界刺激

激励信号