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仿人机器人手手指人工关节的设计与分析

摘要：

为了进一步了解什么生理特征使一只手在许多灵巧的任务中不可替代，有必要开发解剖学上的人工关节。 人工关节在共享相似的动态特性时进行更正。本文讨论食指的二自由度掌指关节设计问题。人工MCP关节 由球头、钩状韧带和硅橡胶套组成，整体上提供人体手指手指关节所需的功能。我们定量地验证了通过线性回归分析人工关节与两根人食指的动态特性。人工设计参数关节是多种多样的，以突出它们对关节动力学的影响。修正的二阶模型考虑了非线性刚度和阻尼，并考虑了高阶模型。 在人(R2=0.97)和食指人工关节(R2=0.95)中均观察到良好的拟合。人工关节刚度和阻尼的参数估计与文献中的文献相似，表明我们的新关节是食指MCP关节的一个很好的近似值。

1. 导言

由于其与人类手的内在固有相似性，炭疽病机器人手有可能对人们生活的许多方面产生有益的影响。例如太空探索，个人a 假手假肢可以更好地使用高度仿生的人工手。太空探索依赖于不断修复轨道或空间范围内的探索平台。 对于人类来说，需要高度灵巧的机器人机器来代替他们发挥作用本身往往是危险的。实现一只与我们自己的手非常相似的机器人手 我允许自然的互动，同时在假肢设计上有一个飞跃。但必须首先克服重大挑战。这些规则包括匹配相同的自由度(Dof)。 人的手，可能是为了恢复手的灵巧性和功能，也是为了复制人类手指的顺应性，以便在非结构化的人类环境中进行安全的操作。其他重大技术障碍 S也存在于权力、驱动和重量约束方面。然而，在这里，我们集中于复制人类手指关节所需的内在生物力学。

图1.柔顺的人工手指关节，真实的骨形状

手部的手指关节具有几个很难同时模仿的生物逻辑特征。其中包括：(1)mcp，pip，DIP的独特形状和倾角关节，决定关节的自由度；(2)由细韧带形成的关节囊，确定关节的运动范围；(3)软骨和滑液， 使两个弧形表面之间的低摩擦接触[1]。通常，研究人员并没有设计出能将这些生物特征结合在一起的人形机器人手，也没有设计出解剖学上的。

在拟人化机器人手的研究中，有两种关节设计方法得到了广泛的应用。第一类使用标准机械部件，如铰链、齿轮、连杆或齿轮或带传动[2]-[12]。在这些拟人化机器人手中已经实现了一些重要的特性，包括高度模块化[7]，内置执行机构[5]，[7][9]，低惯性[5]， [8]、[13]和额外的掌心DOF[4]、[6]。虽然这种方法在达到正确的DOF数，甚至模仿人体手指的运动特性方面，都有着出色的性能。 ，它涉及到相当大的系统级复杂性和实现成本。此外，这些类型的手很少有内置的依从性，这是人类的手去探索非金属物所必需的。 在非结构化的现实世界中一种替代的联合耦合方法使用了一种简化的设计，为了适应性，采用了被动的遵从性。这些类型的手通常是欠驱动的[13]-[16]，他比自由度具有更少的驱动性能。 因此降低了机器人手的机构的整体复杂性。机械依从也许是最简单的方法，可以在不强制固定的情况下在关节之间进行耦合。 ED-齿轮或连杆固有的运动耦合关系。用这种方法制造的手/抓具通常具有优异的鲁棒性，并且能够承受大的冲击而不会损坏[16]。 但是在实现手指预期的运动范围和有一个柔顺的手指关节之间还有一种折衷，因为弹性元件本身不能限制关节的运动范围。 .

树脂骨壳 万向节 人工关节胶囊 球关节

铝制框架 固体ABS骨

关节韧带 筋(屈肌)

图2目前和新版本ACT手的MCP接头设计比较

虽然标准的设计方法，如上述，可以模仿手指关节，使人的手不可替代的M运动行为的显著特征 任何灵巧的任务。因此，有必要根据精确的生理学原理开发人工手指关节，以便定量地识别这些特征，从而提供对以下方面的了解得到拟人化机器人手设计。

标准机械组件的一个引人注目的替代方法是开发直接利用人类关节独特的关节形状的机构，以及肌腱罩结构来驱动手指。遵循生物启发的设计也减少了单个组件的总数，从而产生了优雅的设计。

本文所描述的手指关节是由上述方法的结合而来的，有可能成为下一代解剖Corr的重要组成部分。 ECT试验台（ACT）手[ 17 ] [ 19 ]。我们专注于关节囊，并提出一个人工关节，其机械设计和运动范围是类似于人的手指。在下列证券交易委员会 详细介绍了创新的机械设计方法，并将人工MCP关节的系统动力学与实际手指的MCP关节进行了比较。

二．人工手指关节的研制

本文讨论的人工关节是受目前ACT手版本的启发。由于尸体手的共同祖先，两个关节都有许多生物力学特征，如骨段长度，关节面形状，伸肌帽。然而，两者之间有着关键的区别。

在图2中，ACT手食指的掌骨指(MCP)关节在当前和新的设计中都与人类的食指进行了比较。图2的解剖图显示t。 他切除了伸肌帽的MCP关节。目前版本的ACT手使用一个万向节在mcp关节处实现两自由度(内收/外展为-35，延伸/屈肌为-30至90度)。 )。而人工关节则使用接近人体手指的实体球来实现两自由度手指的运动(从3自由度球面关节中增加一个欠驱动自由度)。我们的 人工关节是独立于伸肌罩设计的，因此不能完全覆盖MCP关节的上部，这可以在图2的右侧看到。

如图2最左边的图片所示，目前ACT手的设计中食指的运动范围是由MCP骨壳的形状规定的。而新的设计使用 钩编关节韧带，限制MCP关节的运动范围，用弹性套筒复制肌肉-骨骼结构的被动生物力学。尽管MCP的运动学 在目前版本的ACT手部中关节与人手很好地匹配，为了模拟被动生物力学，必须采用复杂的运动控制策略。移动模拟装置的载荷 将被动生物力学纳入关节处的物理弹性元件，可使ACT手降低其控制复杂性。这不仅节省了电力，而且降低了饱和的机会。 具有非任务特定命令的执行机构。

在下面的小节中，将根据人工关节的装配顺序介绍每个组件。

1. 手指的模块化设计

(A)分离骨段 (B)钢圈

(C)钢圈安装槽 (D)铰接式表面

图3.。食指骨的部件。(A)食指的模块化设计。(B)和(C)用于固定钩指囊边缘的钢环。(D)热塑性涂层铰接式。 在手指关节提供低摩擦表面的表面。

（A）链缝 (B)单钩针形柱

(C)钩状关节韧带 (D)组装的联合韧带

图4.(A)基本钩针Ⅰ型链缝(B)基本钩针Ⅱ型-单钩针(C)双曲形钩编关节韧带的范围 食指MCP关节的运动。(D)部分组合食指，附钩韧带。

采用解剖正确的骨骼结构似乎意味着成本高且复杂的人工转变过程。然而，这种成本可以通过快速成型机的创新来避免。手指关节的每个部分都是由尺寸BST 768打印的三维图形。 三维打印部分的分辨率为0.025mm，仅需3小时就可打印出整个食指的所有部件。另外，ABS塑料的强度为满足的，能抵抗伸肌帽的诱导应力。

手指关节的每一个远端部分都可以从其底部分离，如图3(A)所示。这种设计有两种功能。第一种是便于安装钢圈(0.8mm) (直径)形状符合ABS骨横截面轮廓的。钩编关节囊的边缘被缝在这个钢圈上(图3(B))，使后者形成一个圆锥。 前一部分的连续附着区沿手指关节附近的横截面轮廓。图3(C)显示了部分组装的MCP连接段。

这种模块化设计的第二个功能是为今后的改进提供一个平台。例如，abs零件的表面可以进一步镀上0.003英寸厚的铬，提供一种更好的手指关节无摩擦接触方法(RePliForm Corp.，巴尔的摩，MD)。这种设计的一个即时好处也在实验部分展示了，其中不同的部分 测量远端手指的T权值，进行动态识别。

为了模拟人关节关节软骨的无摩擦表面，采用热塑性材料(Shapelock Corp.，Sunnyvale，CA)涂覆MCP的关节侧表面。 如图3(D)所示。这种连接联轴器的组合减少了两个关节表面之间的摩擦。

B.钩状关节韧带

关节囊是一种紧密的纤维结缔组织，通过特殊的附着区附着在骨骼上，并在关节周围形成袖子。它的厚度根据不同的标准而变化。 SSE受其影响，局部增厚形成囊状韧带，也可合并肌腱(图2)。它封闭关节空间，并通过限制运动提供被动稳定。 通过韧带[20]。

在手外科手术中，外科医生避免使用机械复合的手指关节置换。手外科中常用的假体关节可以包括由钛合金制成的柔性关节，陶瓷或塑料[21]，但不能复制在骨头末端发现的表面细节。假体关节的柔性部分被插入到邻近内的孔中。然后用关节囊密封关节。这些类型的人工关节已经被临床证明可以恢复关节功能[22]。没有关节囊，邻近的趾骨会失去完整性和崩溃，因此它是我们生物启发的人工关节的关键组成部分。

钩状关节韧带被摩擦具有0.46mm,纤维具有高强度，刚性，柔顺性，并且他是有能力去润滑骨头。在人工韧带的法线形成过程中，使用了两条基本的钩针.。如图4(A)和(B)所示，这些是链针和单钩针。一系列链针 称为行，行的长度由关节囊的局部周长决定。单个钩针决定行宽，而双钩针将增加此宽度，全部形成链的L宽度由单钩针构成关节囊的柱长。

钩状关节韧带的样本如图4(C)和(D)所示。这个例子说明了完整的双曲形状[23]，它涵盖了伸展罩通常位于的区域。我们的设计(如图2所示)不包括这个背侧区，因为我们认为伸肌罩是一个独立的成分[24]。钩状韧带的双曲线形状非常适合密封。 关节间距及其柱长决定了MCP关节的运动范围。

给定两个钢圈之间的固定距离，柱长确定韧带中的松弛量，使接头处于中性位置。这是钩编韧带上的松驰 当关节移动时限制关节的运动范围。柱长是根据接头的尺寸经验确定的。关节韧带两端的基行由c构成。 它的总长度等于钢圈的周长。关节囊的局部厚度也可以通过改变针型来控制。制作钩编接头后 把它缝在钢圈上，然后把它缝进一个切成骨的槽里。

1. 硅橡胶套

图5.完全组装的MCP接头的横截面。右下角：硅橡胶套及其制造模具。

图6.左：实验装置。右：用厚的硅盖覆盖每个手指的典型试验。

手指关节的动态特性很大程度上取决于沿着骨表面运动的肌肉和肌腱的被动生物力学。而不是模仿肌肉骨骼支柱 与致动器的弹性套可以作用于与钩编组合各关节韧带重建的动力学性质。

该人工接头的弹性部件是由硅橡胶(PlatSil R 71系列RTV，Polytek DevelopmentCorp.，Easton，PA)制成，具有高抗剪强度。它的形状是由一组3D pri铸造的。 nted模具(见图5)，它在MCP关节周围形成一个套筒，在手指弯曲/拉伸时提供弹性和粘性力。

为了达到硅橡胶的最佳性能，在固化前，用真空室将硅橡胶混合物中的微小气泡去除。硅橡胶套的厚度可以是EA。 用不同的模具进行适当的改性。这一特性为人工关节胶囊提供了可调刚度和阻尼，用于我们的动态识别。

所有这些部件共同为人工手指关节的运动学和动力学模拟奠定了基础。为了验证我们的应用程序的有效性，我们对人工关节进行了系统识别。

1. 系统辨识

我们进行了一系列的实验和分析，目的是识别新机器人关节的动态特性，并将其与人类手指进行比较。

实验装置如图6所示。我们对两名受试者以及四个不同的人工手指进行了实验。后者因硅配偶的厚度不同而不同。 里亚尔(薄1.5毫米对厚2.0毫米)，远端段(8.7g)是否存在7.5g肿块。对这四个组合进行了研究。红外标记(相空间公司，圣莱安德罗，加利福尼亚州)被附加到基地和远端赛格。 每指。标记的3D坐标的测定在480赫兹使用7-camera系统。手的底座固定了，如图所示。手指的指关节和指关节 人工手指没有可移动的DIP和PIP关节。研究人员指示受试者放松和闭上眼睛，尽可能的避免一样的自愿反应。

A 实验设计和方法

该协议包括大约120个手动应用的微扰，大约每隔1s进行一次。在每次扰动中，实验者将手指(人类或人造手指)延伸到随机选择的位置，然后突然松开手指。运动捕捉数据被连续记录，并被解析为个别试验。该设计旨在揭示手指在停止点周围的动态特性。理由是，如果手指的行为像质量弹簧阻尼器系统[25]，停止相位将特别揭示它们的动态特性。

B.数据处理

原始数据非常清晰。静态条件下的噪声标准差约为50微米(0.05 mm)，无需滤波。由于我们需要多达第三个头寸导数，所以我们需要一个 三次样条(MatlabSplineToolbox)调整了其平滑参数，使其在原始位置数据中不引入人工产物，但高阶导数平滑。然后我们自动识别连续记录中的个别试验的程序，使用的事实是，手指一旦松开，就会由于被动僵硬而产生消极的刚性。因此，试验开始被定义为屈曲速度的峰值，-以避免由于实验人员施加的压力而造成的污染。我们在数据集中包含了每个速度峰值后的一个特定时间间隔：卸下人工手指175毫秒，35毫秒。 人工手指装上0毫秒，人体手指200毫秒。对这些数据进行了调整，以捕捉数据中明显的不同时间尺度。每种情况包括100次审判 在数据集中。由于两个受试者的结果非常相似，但我们收集了其中一个不太有用的数据，我们把重点放在另一个学科的数据上。典型的试验成果 如图6所示。

远端标记的三维位置转换为弧度，如下所示。利用主成分分析，我们确定了标记在其中移动的二维平面，实际上有一些运动。 在第三维空间中也有NT，但是我们直观地证实了主运动是在我们分析中定义的二维平面上的。然后，我们用已知的距离对投影的2D数据拟合一个圆。 MCP关节中心与远端标记物之间。这个距离是用人体的卡尺测量的，并从人工手指的CAD模型中得知。

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