1、第5 7卷 第8期2 0 2 3年8月西 安 交 通 大 学 学 报J OUR NA LO FX IANJ I AO T ON GUN I V E R S I T YV o l.5 7 N o.8A u g.2 0 2 3.*采用套索驱动的手部助力外骨骼设计与抓握实验研究宋纪元1,2,朱爱斌1,2,张晶1,3,郑春莉4,屠尧1,2,黄虎1,3,张政1,2,徐海波1,2(1.西安交通大学机器人与智能系统研究所,7 1 0 0 4 9,西安;2.西安交通大学陕西省智能机器人重点实验室,7 1 0 0 4 9,西安;3.西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室,7 1 0 0 4 9,西安
2、;4.西安交通大学环境科学与工程系,7 1 0 0 4 9,西安)摘要:针对航天和工业领域中人体佩戴手套执行任务时,手指关节处因受到编织物挤压而造成的手部疲劳损伤以及抓握力下降等问题,设计了一种采用套索驱动的手部助力外骨骼系统。该系统采用以速度为内环、力为外环的力P I D控制方法,以拉力传感器反馈输出力,通过力学建模对手部助力外骨骼导线槽开展位置优化。对所设计的外骨骼系统开展抓握实验,结果表明:人体穿戴手部助力外骨骼可再现F e i x分类法中全部3 3种抓握类型;外骨骼抓握指尖力最高可达1 4N;与不穿戴外骨骼相比,穿戴外骨骼时人体手指关节运动范围能够达到自主弯曲运动范围的6 3%以上,掌
3、指关节、近端指间关节和大拇指的指间关节角度的皮尔森相关系数可达0.9 0以上;外骨骼助力抓握使得肱桡肌和桡侧腕长伸肌的肌电均方根峰值分别减小了3 7.8 6%和6 2.4 6%。实验结果证明所设计的手部助力外骨骼能够明显减少手部肌肉耗能。关键词:套索驱动;手部助力;外骨骼机构;抓握实验;静力学分析中图分类号:TH 1 1 7.1 文献标志码:AD O I:1 0.7 6 5 2/x j t u x b 2 0 2 3 0 8 0 1 2 文章编号:0 2 5 3-9 8 7 X(2 0 2 3)0 8-0 1 1 5-1 2N o v e lD e s i g na n dG r a s p
4、i n gE x p e r i m e n t o faH a n d-A s s i s t e dE x o s k e l e t o nD r i v e nb yT e n d o n-S h e a t hA c t u a t o rS ONGJ i y u a n1,2,Z HU A i b i n1,2,Z HANGJ i n g1,3,Z HE NGC h u n l i4,TUY a o1,2,HUANG H u1,3,Z HANGZ h e n g1,2,XU H a i b o1,2(1.I n s t i t u t eo fR o b o t i c s&I n
5、 t e l l i g e n tS y s t e m s,X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,X ia n7 1 0 0 4 9,C h i n a;2.S h a a n x iK e yL a b o r a t o r yo f I n t e l l i g e n tR o b o t s,X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,X ia n7 1 0 0 4 9,C h i n a;3.K e yL a b o r a t o r yo fE d u c a t i o nM i n i
6、s t r yf o rM o d e r nD e s i g na n dR o t o r-B e a r i n gS y s t e m,X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,X ia n7 1 0 0 4 9,C h i n a;4.D e p a r t m e n to fE n v i r o n m e n t a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g,X ia nJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,X ia n7 1 0 0 4 9,C h i n a
7、)A b s t r a c t:Ah a n d-a s s i s t e de x o s k e l e t o ns y s t e md r i v e nb yat e n d o n-s h e a t ha c t u a t o r i sd e s i g n e dt oa d d r e s s t h ep r o b l e mt h a t,i n t h e a e r o s p a c e a n d i n d u s t r i a l f i e l d s,f a t i g u ed a m a g e t oh a n d s i s c a
8、u s e da n dg r a s ps t r e n g t h i s r e d u c e d,w h e np e r s o n n e lw e a rg l o v e s t op e r f o r mt a s k s,a s f i n g e r j o i n t sa r es u b j e c t t ot h eg l o v ew o v e n f a b r i c c o m p r e s s i o n.F o r t h i s s y s t e m,aP I Df o r c e c o n t r o lm e t h o dw i
9、 t hs p e e da s t h e i n n e r l o o pa n d f o r c e a s t h eo u t e r l o o p i su s e d,a n d t h eo u t p u t f o r c e i s f e db a c kw i t haf o r c es e n s o r.T h e l o c a t i o no f t h eh a n d-a s s i s t e de x o s k e l e t o nc a b l es l o t i so p t i m i z e db ym e c h a n i
10、c s*收稿日期:2 0 2 2-1 2-2 3。作者简介:宋纪元(1 9 9 3),男,博士生;朱爱斌(通信作者),男,教授,博士生导师。基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 2 1 7 5 0 6 1);新疆自治区重大科技专项资助项目(2 0 2 1 A 0 2 0 0 2);陕西省重点研发计划资助项目(2 0 2 2 S F-3 5 5)。网络出版时间:2 0 2 3-0 4-1 4 网络出版地址:h t t p s:k n s.c n k i.n e t/k c m s/d e t a i l/6 1.1 0 6 9.T.2 0 2 3 0 4 1 3.1 9 1 2.0 0 4.h
11、 t m l西 安 交 通 大 学 学 报第5 7卷 h t t p:z k x b.x j t u.e d u.c n m o d e l i n g.T h eg r a s p i n ge x p e r i m e n t f o r t h ed e s i g n e de x o s k e l e t o ns y s t e mr e v e a l s t h a t t h ea s s i s t e de x o s k e l e t o nc a nr e p r o d u c e a l l 3 3g r a s p t y p e s i n t h eF
12、 e i x t a x o n o m y;t h e g r a s p i n g f o r c e o f t h e e x o s k e l e t o na t t h e f i n g e r t i pc a nr e a c h1 4N;w i t ht h e e x o s k e l e t o n,h u m a n f i n g e r j o i n t s c a nm o v eb ym o r e t h a n6 3%o f t h e i n d e p e n d e n t f i n g e r b e n d i n g r a n g
13、 e;t h eP e a r s o n c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t o f t h e a n g l e o f t h em e t a c a r p o-p h a l a n g e a l j o i n t,p r o x i m a l i n t e r p h a l a n g e a l j o i n t,a n d i n t e r p h a l a n g e a l j o i n t c a n r e a c hm o r e t h a n0.9 0;t h ep e a kRM Sv a
14、 l u e so f t h eb r a c h i o r a d i a l i sm u s c l e a n d t h e r a d i a l e x t e n s o r c a r p i l o n g u sm u s c l ed e c r e a s e db y3 7.8 6%a n d6 2.4 6%,r e s p e c t i v e l y.T h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s i n d i c a t et h a t t h ed e s i g n e dh a n d-a s s i s
15、t e de x o s k e l e t o nc a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c eh a n dm u s c l e e n e r g yc o n s u m p t i o n.K e y w o r d s:t e n d o n-s h e a t h;h a n da s s i s t;e x o s k e l e t o nm e c h a n i s m;g r i p p i n ge x p e r i m e n t;s t a t i ca n a l y s i s 2 0 2 1年4月2 9日,长征五号运载
16、火箭将中国迄今最大的航天器“天和”号核心舱送入预定轨道,标志着中国空间站时代的到来。未来,我国将努力实现载人登月 计划并着 手建立 月 球 基 地 和 空 间站1-3,针对火星等地外行星的探索已纳入发展计划。为完成特定的舱外飞行试验或任务,航天员需要进行舱外活动,此时手部运动易受到航天服手套关节处编织物的挤压4,例如美国国家航空航天局NA S A设计的舱外航天服手套5,从而造成手部抓握力下降以及手部疲劳等问题。S c h e u r i n g等6研究发现,直接由舱外航天服导致的各种伤害中,手是最常受伤的部位,次数占比高达4 0%。当手套加压时,气密层膨胀,手套变得坚固,手指关节弯曲时会产生阻力矩,导致关节的运动范围减小7。同样地,低温或高温等特殊环境的工厂车间中,工人佩戴隔热手套抓取工件也会遇到类似的问题。手部助力外骨骼的研究致力于解决该问题。手部助力外骨骼在驱动方式上可分为刚性驱动和柔性驱动。刚性手部外骨骼采用齿轮、齿条等刚性传动机构,传动准确且控制精准,但自适应性差,与人体交互不柔顺,易给穿戴者手部造成伤害,如F L E X O R外骨骼康复机器人8、用于重度手部损伤患者重复性任
