為輔助手功能障礙患者在日常生活中更好地進(jìn)行手部的康復(fù)訓(xùn)練與活動(dòng),提出一種基于柔性鉸鏈的仿生外骨骼機(jī)械手。首先,基于彈性力學(xué)建立直梁型與半圓弧梁型柔性鉸鏈剛度之間的映射關(guān)系模型,通過有限元模型改進(jìn)半圓弧梁型柔性鉸鏈的剛度設(shè)計(jì)式,并利用三鉸鏈串聯(lián)式外骨骼手指有限元模型驗(yàn)證單鉸鏈剛度設(shè)計(jì)式的通用性和有效性;其次,基于修正后的剛度設(shè)計(jì)式,設(shè)計(jì)基于柔性鉸鏈的仿生外骨骼機(jī)械手,通過繩索實(shí)現(xiàn)屈曲運(yùn)動(dòng),通過柔性鉸鏈的儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)伸展運(yùn)動(dòng),并根據(jù)齊次坐標(biāo)變換建立相關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,研究繩驅(qū)下的運(yùn)動(dòng)特性;最后,對(duì)試制的原型機(jī)進(jìn)行屈曲性能與抓握能力的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。外骨骼手指的仿真結(jié)果表明:單鉸鏈的剛度設(shè)計(jì)式可用于復(fù)雜機(jī)構(gòu)中各鉸鏈的剛度計(jì)算,其誤差值不大于3.5%;所試制的原型機(jī)手部執(zhí)行構(gòu)件僅重125 g,方便使用者日常攜帶。屈曲性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:改進(jìn)的剛度設(shè)計(jì)式減小了半圓弧梁型柔性鉸鏈40%的剛度計(jì)算誤差,使誤差控制在5%以內(nèi),能快速獲取滿足彎曲條件的鉸鏈幾何尺寸。抓握能力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:兩名健康受試者測(cè)量出外骨骼手單指能穩(wěn)定輸出8 N的指尖力,滿足日常生活所需。因此,該外骨骼機(jī)械手可提供正常的關(guān)節(jié)活動(dòng)度,其輕質(zhì)便... 

【文章來源】：中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào). 2020,39(05)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

末端受力矩載荷的大變形懸臂梁

圖1 末端受力矩載荷的大變形懸臂梁如圖2所示，柔性鉸鏈的一端固定，另一端施加使其達(dá)到材料屈服強(qiáng)度的最大彎矩M。材料采用65Mn，其楊氏模量E=196.5 GPa，泊松比v=0.3，彎曲屈服強(qiáng)度σs=784 MPa，寬度b=7 mm，所有特性都是各向同性的。為滿足訓(xùn)練手指功能的彎曲角度，單個(gè)柔性鉸鏈在達(dá)到其材料屈服強(qiáng)度前，設(shè)定的最大彎曲角度不小于30°。

相比于單個(gè)半圓弧梁型鉸鏈，人手指是一個(gè)較為復(fù)雜的多鉸鏈模型。如圖3所示，本研究用三鉸鏈串聯(lián)模型來模擬外骨骼手指，用于對(duì)單個(gè)半圓弧梁型柔性鉸鏈的剛度驗(yàn)證。其中，外骨骼手指模型中各柔性鉸鏈的半徑R1、R2和R3參考穿戴者食指的掌指、近指和遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)半徑。在仿真過程中，外骨骼手指模型的一端被固定，另一端施加彎曲力矩，直至達(dá)到材料的最大屈服強(qiáng)度。

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號(hào)：3250536