一種新型的欠驅(qū)動仿擬人機械手爪的設(shè)計-肌電假肢手傳動和執(zhí)行部分含12張CAD圖,一種,新型,驅(qū)動,擬人,機械,手爪,設(shè)計,假肢,傳動,以及,執(zhí)行,履行,部分,部份,12,十二,cad XXX 設(shè) 計 說 明 書 課題：機械手爪的設(shè)計 （傳動和執(zhí)行部分設(shè)計） 學(xué)院名稱： XXXXXXXXXX 專業(yè)班級： XXXXXX 學(xué)生姓名： XXXX 學(xué)生學(xué)號：__ XXXXXXXXXX___ 指導(dǎo)教師姓名： XXXX 20XX 年6月 摘要 目前擬人假肢普遍采用多指靈巧手的設(shè)計思想，利用電機、電子和傳感器等領(lǐng)域的最新技術(shù)成果，實現(xiàn)假手的多自由度和多感知，從而最大程度地提高假手的靈活性和可操作性。但是，從生物／機械系統(tǒng)接口技術(shù)的研究現(xiàn)狀來看，基于殘余臂EMG(肌電)信號的運動解碼器對于手的運動模式識別功能十分有限且識別率低，利用EMG信號控制多指手這樣的靈巧操作機構(gòu)各驅(qū)動單元的協(xié)調(diào)運動在技術(shù)上難以實現(xiàn)；并且，多自由度靈巧手由于驅(qū)動單元過多，重量較重，也很難被市場接受。 為了解決上面的問題，本文設(shè)計并開發(fā)了一種新型的欠驅(qū)動肌電機械手。仿人假肢手由4個電機驅(qū)動15個關(guān)節(jié)，克服了現(xiàn)有技術(shù)中手指靈活度不夠的缺點，減小了功耗，利于機械手的小型化。該手對于不同的抓取物體具有良好的形狀適應(yīng)性，且在部分手指運動受限的情況下具有理想的力分配特性。 本文描述該假手的具體設(shè)計與機構(gòu)組成，介紹了其兩大主要創(chuàng)新點：一是彈性交叉四連桿手指，二是指間差動機構(gòu)。 ABSTRACT Nowadays lots of human prosthetic hands are designed; they all followed the idea of the dexterous hands, which using high performance motors, sensors or other new technology to get more freedom or feeling. However the more motors are deployed, the more requirements to the bio-mechanical interface and the power will be higher. Because of the limitations of biological/mechanical interface technology, most of the prosthetic hands are low dexterousness and functionality, and with high weight, these kinds of hands are unaccepted by the market. In order to resolve the problem, a prototype of underactuated prosthetic hand is designed and developed. The hand has 15 revolute joints, actuated by 4 motors. The hand is more dexterous, more energy solving and smaller size. It can grasp different objects, like the mobile phones, the books, the bottles, the pingpong balls and etc, and has the good force distribution capability. This thesis introduces two main innovative structures: first One is underactuated finger; another is a miniature differential mechanism which is embedded inside the palm of the hand to control the differential motion of the two fingers. 目 錄 第一章 緒論 §1.1 國內(nèi)外假手的研究現(xiàn)狀…………………………………6 §1.2 假手研究的目的和意義…………………………………10 第二章 假手功能原理的設(shè)計 §2.1 假手應(yīng)該具有的基本功能………………………………12 §2.2 假手基本功能的實現(xiàn)……………………………………12 第三章 肌電假手的結(jié)構(gòu)設(shè)計 §3.1 肌電假手的整體方案……………………………………14 §3.2 肌電假手的手指設(shè)計……………………………………15 §3.3 拇指的設(shè)計………………………………………………16 §3.4 指間差動機構(gòu)的設(shè)計……………………………………17 §3.5 手掌的設(shè)計………………………………………………18 第四章 肌電假手的實用化設(shè)計 §4.1 實用化設(shè)計的任務(wù)和主要內(nèi)容…………………………19 §4.2 假手的總體設(shè)計…………………………………………19 §4.3 基本構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計……………………………………20 第五章 總結(jié)與展望 §5.1 畢業(yè)設(shè)計工作總結(jié)…………………………………………23 §5.2 前景展望……………………………………………………23 致 謝…………………………………………………………………25 參 考 文 獻(xiàn)…………………………………………………………26 第一章 緒論 §1.1國內(nèi)外假手的研究現(xiàn)狀 假肢手可以分為傳統(tǒng)假肢和現(xiàn)代假肢。傳統(tǒng)假肢包括裝飾型假肢和索控式假肢，現(xiàn)代假肢即EMG控制假肢。 裝飾型假肢手是最早出現(xiàn)的假手，如圖1-1-1所示，以外形美容為主，可被動活動，為彌補肢體外觀缺陷所設(shè)計的，起到恢復(fù)自然外表的裝飾作用或平衡身體的作用。其缺點是不具有手的動作功能。 圖1-1-1 裝飾型假肢 索控式假肢手又稱為身體動力型假肢手，如圖1-1-2所示，主要由截肢者通過肩膀、上臂和軀干等肢體的運動，并借助力牽引索來驅(qū)動和控制假肢手運動。該型假肢手設(shè)計簡單，維護費用低，經(jīng)久耐用，并且可以在條件惡劣的環(huán)境如潮濕多水、灰塵多的場合使用。由于該型假肢手受自身力源控制，截肢患者能增強對其的控制性。索控型假肢手的缺點也很明顯：一方面，由于自由度受到限制，其功能比較少；另一方面，雖然該型假肢手由患者自身力源控制，但是很難接近使用者的意念，因此控制和操作均很不方便。 圖1-1-2 索控式假肢 EMG控制假肢手（如圖1-1-3所示）：由肌電信號控制的假肢手功能更加完善，外形更加美觀，并且不需要大量傳感反饋系統(tǒng)。肌電信號來源于使用者運動引起的肌肉收縮產(chǎn)生的微電信號。通過安裝在殘余臂肌肉表面的電極所產(chǎn)生的電信號來控制電機驅(qū)動假肢手運動。EMG控制假肢手的缺點是價格昂貴，并且維護成本高。 圖1-1-3 EMG控制假肢 在機器人多指靈巧手技術(shù)的推動下，EMG控制假肢手的研究也取得了很大進(jìn)步和重大突破。目前假肢手研究的一大難題是設(shè)計重量輕、體積小、輸出力大、噪音低的足夠靈活的多自由度假肢手。受到重量、體積以及生物/機械系統(tǒng)接口水平的限制，現(xiàn)在絕大多數(shù)的EMG控制假肢手只有1個獨立自由度。 德國Otto Bock公司單自由度肌電假肢手Ottobock SUVA手是世界上目前運作最成功，實際運用最廣泛的假肢手，如圖1-1-4所示。該手的特點是肌電信號的處理和控制比較成熟，使用性能穩(wěn)定，有滑動覺傳感器，最大抓取力可達(dá)90N。由于采用了SUVA感應(yīng)技術(shù)，截肢患者在抓取任何物體時都更為安全。當(dāng)抓取的物體要滑落時，加速感應(yīng)假手能感覺到重心的變換，進(jìn)而自動調(diào)節(jié)抓握動作，穩(wěn)定抓握系統(tǒng)自動增加握力，直至牢固握住物體。 圖1-1-4 Ottobock SUVA假手 英國南安普頓大學(xué)Dr Paul Chappell近年來基于對人手和手指的研究基礎(chǔ)上對假肢手和機器人靈巧手進(jìn)行了研究，并相繼成功的研制了Southampton Hand和Southampton Remedi-Hand。SouthamptonHand如圖1-1-5所示，由3個手指和1個拇指組成，除拇指外，每個手指有3個關(guān)節(jié)，其中末端兩個關(guān)節(jié)的運動是耦合的，相鄰兩個手指的最大相對運動角度為90。每個手指由一個電機驅(qū)動，電機和齒輪箱（Gearbox）等組成的驅(qū)動器放置在手掌中。 圖1-1-5 Southampton Hand Southampton Remedi-Hand手如圖1-1-6所示，有5個手指，其中拇指有2個自由度，共有6個自由度，由6個獨立驅(qū)動單元，每個手指都由獨立的驅(qū)動單元，因此能夠獨立運動。該假手采用了輕質(zhì)的環(huán)氧碳纖維作為材料，因而整個手的重量不足500g，甚至比人手還略輕。由于拇指具有額外的運動柔性，相比其他假肢手，該假手的運動更趨近于人手。同時，Southampton Remedi-Hand具有十分先進(jìn)的控制反饋系統(tǒng)，它采用了壓阻電阻器和動態(tài)壓電傳感器來檢測抓取穩(wěn)定性或抓取力，因此不需要依靠患者的意識就能確定抓取是否穩(wěn)定或者抓取力是否足夠。 圖1-1-6 Southampton Remedi-Hand 我國從60年代初開始探討應(yīng)用肌電控制假手。60年代中期研制出單自由度肌電控制前臂假手，1979年研制成功三自由度肌電控制前臂假肢。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國殘肢者正在使用的各類肌電控制假手已達(dá)數(shù)萬只。事實上，我國的假手方面的研究與國外相比還存在較大的距離，從事這一領(lǐng)域研究和開發(fā)的大學(xué)和研究機構(gòu)相對較少，相關(guān)產(chǎn)業(yè)比較落后。各假手生產(chǎn)廠家及康復(fù)中心目前的產(chǎn)品主要是裝飾性假手和機械牽引式假手。因此開發(fā)和研制國產(chǎn)的智能假手有廣泛的應(yīng)用前景和社會效益。我國一些大學(xué)和研究所積極地從事假手方面的研究工作。胡天培等人采用再造“指”作為控制信號源，實現(xiàn)了電子假手的準(zhǔn)確控制。 目前，已經(jīng)開發(fā)出來的商品化的性能比較完善的假手仍然是單自由度、開環(huán)控制系統(tǒng)的肌電假手。盡管科研人員對假手作了很多研究，但是大部分成果實際上仍然處于實驗室階段，距離商品化、實用化還有很大的距離。 近年來為了解決假肢手的驅(qū)動和自由度的矛盾，國際上有研究人員先后提出了假手的欠驅(qū)動機構(gòu)。在假肢手中采用欠驅(qū)動機構(gòu)，一方面能保證假肢手具有足夠多的自由度，可滿足假肢手操作靈巧性的要求，提高抓取功能；另一方面，由于其獨立驅(qū)動少，可降低假肢手的運動規(guī)劃和控制的復(fù)雜性。 有關(guān)欠驅(qū)動操作機構(gòu)的設(shè)計已經(jīng)有較長的研究歷史，東京工業(yè)大學(xué)的廣瀨茂男（Shigeo Hirose）在20世紀(jì)80年代系統(tǒng)地研究了連接式差動機構(gòu)理論，并用它來實現(xiàn)力矩分解，在此基礎(chǔ)上采用滑輪差動機構(gòu)與耦合驅(qū)動原理設(shè)計了冗余度串連操作臂，其中大部分為被動關(guān)節(jié)。欠驅(qū)動機構(gòu)在假肢手的研究中已經(jīng)有應(yīng)用，比如上述介紹的RTR系列假肢手。另外值得一提的是加拿大Laval大學(xué)的Gosselin針對航天機械臂末端操作機構(gòu)的要求，設(shè)計了一系列欠驅(qū)動手，該系列的欠驅(qū)動手具有10-15個運動自由度，單獨立驅(qū)動單元的數(shù)目少于6個，最少的只有2個。該系列手在執(zhí)行抓取操作時主要以強力抓取模式進(jìn)行操作，通過采用智能機械單元（彈性機械元件和機械限位），可以實現(xiàn)對物體的形狀自適應(yīng)抓取，控制策略十分簡單。 多自由度差動機構(gòu)和智能機械單元是設(shè)計欠驅(qū)動手的關(guān)鍵技術(shù)。研究表明，如果設(shè)計合理，欠驅(qū)動手只需要3-4個獨立驅(qū)動單元即可實現(xiàn)對仿人手操作機構(gòu)的控制，且可實現(xiàn)強力抓取的形狀自適應(yīng)性，并具有精確抓取能力。這一方面可以克服現(xiàn)有的假肢手在抓取和操作功能上的缺陷，同時也可使得假肢手的控制大大簡化。 §1.2 假手研究的目的和意義 根據(jù)全國殘疾人抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)推算，全國各類殘疾人的總數(shù)為8296萬人。按照國家統(tǒng)計局公布的2005年末全國人口數(shù)，推算出本次調(diào)查時點的我國總?cè)丝跀?shù)為130948萬人，據(jù)此得到2006年4月1日我國殘疾人占全國總?cè)丝诘谋壤秊?.34%。其中肢體殘疾2412萬人，占?xì)埣部側(cè)丝诘?9.07%。 與1987年第一次全國殘疾人抽樣調(diào)查比較，我國殘疾人口總量增加，殘疾人比例上升，殘疾類別結(jié)構(gòu)變動。肢體殘疾的比例在整個調(diào)查中最高，可見各種假肢的需求已經(jīng)非常迫切。 目前肌電控制假肢最具代表性的產(chǎn)品化肌電假肢是Otto Bock手，但該手只有一個自由度，由一個電機控制其張合操作，靈巧性差。近年來，由于生物機電一體化技術(shù)的迅速發(fā)展，全球的研究機構(gòu)開發(fā)了高性能的肌電控制接口，為研制多自由度仿人靈巧假肢的開發(fā)提供了技術(shù)條件。 但由于收到生物/機械系統(tǒng)接口技術(shù)水平的限制，目前的EMG控制假肢手在操作靈活性和抓取性能比較差。本次課題的目的在于通過優(yōu)化機械部分的設(shè)計，使得機電控制部分的難度減低。 在影響假肢手應(yīng)用的眾多原因中，以下四個問題顯得尤為突出： ◆目前的EMG控制假肢重量比較大。盡管商用假肢手的重量能和人手接近，但由于它的重量主要從活動臂傳遞到殘余臂上，因此顯的特別笨重。 ◆假肢手的功能仍然比較少。目前的假肢手通常只有1-2個自由度，一方面不可能像人手那樣做出大量不同的抓取動作，只能實現(xiàn)簡單的張合運動（即鉗形運動）；另一方面它不具備抓取形狀自適性，同時抓取的穩(wěn)定性和靈巧性也比較差。 ◆由于受自由度的限制，目前的假肢手的運動更類似于機器人手的運動，顯得格外不自然。 ◆假肢手的操作性比較差。由于生物/機械接口未采用個性化設(shè)計，患者需要經(jīng)過長時間的訓(xùn)練才能夠使用，難以通過“自然”和“本能”的方式控制，使用很不方便。 由此可見，生物機電一體化假肢手的研究與開發(fā)仍然是康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有待進(jìn)一步探索的問題。 第二章 假手功能原理的設(shè)計 §2.1 假手應(yīng)該具有的基本功能 根據(jù)第一章所介紹的假手的研究現(xiàn)狀，以及結(jié)合其發(fā)展趨勢，不難得出，假手主要應(yīng)該具有的基本功能有以下幾方面： （1）具有多個活動的關(guān)節(jié)； （2）具備抓取形狀自適應(yīng)能力； （3）整個系統(tǒng)重量輕，體積小，簡單可靠； （4）具有局部自主控制功能。 可以看到，上述基本功能中的（1）和（3）是一對矛盾。按照傳統(tǒng)的驅(qū)動機理，活動關(guān)節(jié)的增多意味著驅(qū)動器數(shù)量的增多，體積的增大，重量的提高，整個系統(tǒng)復(fù)雜度的提升以及可靠性的降低。因此，如何解決活動關(guān)節(jié)數(shù)目和驅(qū)動有效性之間的矛盾，成了肌電控制仿人假肢手設(shè)計和開發(fā)的關(guān)鍵。 §2.2 假手基本功能的實現(xiàn) 要實現(xiàn)假手具有多個活動的關(guān)節(jié)，可以將假手按照人的自然手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，即設(shè)計五個手指，其中每個手指也有三個指節(jié)，同一個手指上的相連指節(jié)可以相互轉(zhuǎn)動，這樣再通過手指里的連桿機構(gòu)的拉動，就可以實現(xiàn)手指多個關(guān)節(jié)的運動。（具體分析見第三章） 人手的的遠(yuǎn)指節(jié)和中指節(jié)之間的運動是自然耦合的，在抓取物體時，有自適應(yīng)能力，要求所設(shè)計的假手也具有自適應(yīng)能力，可以采用多個彈性連桿相互連接，這樣假手在抓取物體時就可以有自適應(yīng)能力。 要實現(xiàn)假手質(zhì)量輕，體積小，簡單可靠這一功能要求，一個比較好的辦法就是采用欠驅(qū)動機構(gòu)。所謂欠驅(qū)動機構(gòu)是指獨立驅(qū)動器（Actuator）數(shù)目少于自由度數(shù)目的機構(gòu)。欠驅(qū)動假肢的主要原理是用較少驅(qū)動單元實現(xiàn)較多自由度的動作控制。欠驅(qū)動控制的常用機構(gòu)包括差動機構(gòu)（行星齒輪差動機構(gòu)、滑輪差動機構(gòu)），手指設(shè)計方案中，基于彈性機械元件和機械限位、專用連桿機構(gòu)。 所設(shè)計的肌電假手，其控制源頭還是殘肢者自己，利用手臂上肌肉的收縮產(chǎn)生肌電信號，然后經(jīng)過放大器對信號進(jìn)行放大處理，來控制假手。這一功能的實現(xiàn)要依賴于生物、信息、控制等領(lǐng)域的技術(shù)以及DSP芯片強大的數(shù)據(jù)處理能力，使得人們有條件開發(fā)功能先進(jìn)的生物/機械系統(tǒng)接口。 第三章 肌電假手的結(jié)構(gòu)設(shè)計 §3.1肌電假手的整體方案 要提高假手的操作功能和操作靈巧性，開發(fā)功能更先進(jìn)的生物/機械系統(tǒng)接口，在此基礎(chǔ)上研制具有“仿人手”功能新一代假手，還面臨一系列的基礎(chǔ)理論方法挑戰(zhàn)和技術(shù)瓶頸。僅僅從提高抓取和操作功能的角度來看，增加手的自由度和獨立驅(qū)動單元數(shù)無疑是最直接的方法，在這方面機器人多指手是最好的例證。但是，從生物／機械系統(tǒng)接口技術(shù)的研究現(xiàn)狀來看，基于殘余臂EMG信號的運動解碼器對于手的運動模式識別功能十分有限且識別率低，利用EMG信號控制多指手這樣的靈巧操作機構(gòu)各驅(qū)動單元的協(xié)調(diào)運動在技術(shù)上難以實現(xiàn)。因此，在新一代假肢手的研究中，一方面需要提高生物／機械系統(tǒng)接口（基于EMG信號的運動解碼器和運動控制器）的性能，同時還必須考慮手的功能與生物／機械系統(tǒng)接口的復(fù)雜性及可實現(xiàn)性之間的矛盾。 在手的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，要解決假肢手抓取能力欠缺、靈巧性差等問題，同時兼顧基于殘余臂EMG信號的運動解碼器和運動控制器的可實現(xiàn)性，擬采用多自由度聯(lián)接式差動機構(gòu)和智能機械單元實現(xiàn)“欠驅(qū)動”假肢手設(shè)計。一方面使得假肢手具有足夠的自由度以滿足抓取操作要求，另一方面減少獨立驅(qū)動單元降低控制復(fù)雜性。 要對自由度進(jìn)行配置，首先對人手進(jìn)行一定的研究，人手是一個復(fù)雜的混合自由度系統(tǒng)，人手是由五個相互協(xié)調(diào)的手指和一個手掌組成。除了大拇指之外每個手指有三個指節(jié)（大拇指有兩個），五個手指加上一個手掌，相互協(xié)調(diào)工作，可以對物體進(jìn)行包絡(luò)，抓拿。 本欠驅(qū)動肌電假手采用仿人手設(shè)計，共有5個手指和15個關(guān)節(jié)自由度，由4個獨立電機驅(qū)動，每個手指各有3個關(guān)節(jié)自由度。其中食指和中指、無名指和小指分別由一個電機各通過一個齒輪齒條差動機構(gòu)驅(qū)動，拇指有兩個驅(qū)動電機，分別控制其旋轉(zhuǎn)和彎曲。整個手的自由度和驅(qū)動配置如圖3-1所示： 圖3-1 假手的自由度及驅(qū)動配置 §3.2肌電假手的手指設(shè)計 手指機構(gòu)為彈性交叉四連桿機構(gòu)，每個手指由六個構(gòu)件組成，構(gòu)件1、2、3分別為遠(yuǎn)指節(jié)、中指節(jié)和近指節(jié)，構(gòu)件4為搖臂，構(gòu)件5、6分別為中指節(jié)彈性拉桿和遠(yuǎn)指節(jié)彈性拉桿，如圖3-2-1。抓取和操作過程中，手指接觸被操作物體之前兩根彈性拉桿都可以看作是剛性桿，手指各關(guān)節(jié)按固定的軌跡作自由運動。在接觸被抓取之后，手指局部關(guān)節(jié)運動受限，此時兩根彈性連桿的彈簧均被壓縮，連桿產(chǎn)生變形，中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)作被動順應(yīng)運動，直至貼合物體表面。按照這種方式設(shè)計手指具有較好的形狀適應(yīng)性，即對于不同幾何形狀的操作物體，采用單一驅(qū)動即可使手指較好地貼合物體表面，實現(xiàn)穩(wěn)定的包絡(luò)抓取。 圖3-2-1 手指結(jié)構(gòu)原理圖 下面介紹在設(shè)計手指的過程中的兩個關(guān)鍵部位：一是手指的框架。手指采用“門”形截面的框體結(jié)構(gòu)，采用這種整體式的手指結(jié)構(gòu)，雖然零件的加工稍稍復(fù)雜，但能夠很好的保證轉(zhuǎn)軸的同軸度以及指節(jié)內(nèi)腔的寬度，在裝配時就很好的體現(xiàn)出這種設(shè)計的優(yōu)勢。轉(zhuǎn)軸的安裝采用一側(cè)沉孔，一側(cè)螺紋連接的方式，見圖3-2-2。這樣軸的端部不會超出指節(jié)的兩個外表面。既保證了手指外形的美觀，有很好的防止了運動干涉的出現(xiàn)。另外，這種方式也十分便于安裝和拆卸。 圖3-2-2 轉(zhuǎn)軸安裝示意圖 二是彈性伸縮桿的設(shè)計。彈性桿類似一個氣缸-活塞。外缸體與左側(cè)的搖臂固結(jié)。彈簧穿在活塞桿上，缸體右端使用一端蓋將彈簧壓在缸體內(nèi)?；钊麠U的一段有螺紋連接，可以與右側(cè)的搖臂連接。通過調(diào)整活塞桿螺紋擰入搖臂內(nèi)螺紋孔的深度，調(diào)整彈性連桿的初始長度。螺紋連接處的螺母可以在調(diào)整完初始長度以后，與搖臂擰緊，防止連接松動，改變彈性桿初始長度，如圖3-2-3。 圖3-2-3 彈性桿二維裝配圖 短彈性連桿（手指構(gòu)件6）的結(jié)構(gòu)基本與長彈性連桿（手指構(gòu)件5）相似。只是一頭由彎曲的搖臂改為直搖臂。 §3.3拇指的設(shè)計 拇指也采用欠驅(qū)動原理設(shè)計，但結(jié)構(gòu)上與前面四個手指有一些區(qū)別。大拇指的原理簡圖如圖3-3所示。拇指也有三個指節(jié)，但只有中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)可以做彎曲動作。近指節(jié)安裝方向被設(shè)計成與手掌邊緣之間的夾角保持固定，它可繞根關(guān)節(jié)軸旋轉(zhuǎn)，由一個獨立的電機驅(qū)動。 圖3-3 拇指原理簡圖 中指指節(jié)由另一個電動機直接驅(qū)動，遠(yuǎn)指節(jié)則通過一根彈性拉桿與近指節(jié)連接，其自適應(yīng)包絡(luò)物體的過程與前述四指的原理相同。 §3.4指間差動機構(gòu)的設(shè)計 欠驅(qū)動假肢手的食指和中指、無名指和小指分別由一個電機各通過一個安裝在掌部的小型齒輪齒條差動機構(gòu)驅(qū)動。在關(guān)節(jié)運動不受限時，差動機構(gòu)實現(xiàn)兩個手指關(guān)節(jié)速度和力矩的均勻分配。當(dāng)其中一個手指關(guān)節(jié)運動受限時（譬如抓取操作過程中與物體表面接觸），差動機構(gòu)將電機速度傳遞到另一個手指上，但兩個手指的關(guān)節(jié)力矩仍然相同。該設(shè)計方案可保證手在抓取不同的物體時具有較好的形狀適應(yīng)性，并具有較好的力分配特性。齒輪齒條差動機構(gòu)的原理如圖3-4所示: 圖3-4 差動機構(gòu)原理圖 齒輪齒條機構(gòu)將驅(qū)動電機輸出的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，主動的齒條一端連接有一個齒輪，齒輪同時與兩條被動齒條嚙合。被動齒條與手指的搖臂構(gòu)件連接，從而帶動手指彎曲。當(dāng)動力由中間的主動齒條輸入時，若兩側(cè)的被動齒條運動不受限，則中間的齒輪隨主動齒條平動，此時兩側(cè)的被動齒條獲得相同的速度和力分配。當(dāng)一側(cè)的被動齒條運動受到限制時，其運動停止，此時中間的齒輪既跟隨主動齒條做平動，又繞軸心轉(zhuǎn)動，將動力傳遞給另一被動齒條。 §3.5手掌的設(shè)計 手掌的基板既是結(jié)構(gòu)零件又是功能零件。一方面，它連接各個部件，起到機架的作用，使之組成一個完整的機械手。另一方面，作為差動機構(gòu)的運動導(dǎo)軌起到一個功能零件的作用。這樣的設(shè)計也是為了機械手的小型化和輕量化?？紤]到滑動部件的運動速度和受力都不是很大，所以利用滑動導(dǎo)軌就可以實現(xiàn)這一功能。相比滾珠導(dǎo)軌，滑動導(dǎo)軌在厚度和重量上都有十分明顯的優(yōu)勢。手掌上有滑動導(dǎo)軌槽，使得齒條能沿著導(dǎo)軌方向平動。手掌基板局部圖如圖3-5所示。 圖3-5 手掌基板局部圖 第四章 肌電假手的實用化設(shè)計 §4.1 實用化設(shè)計的任務(wù)和主要內(nèi)容 實用化設(shè)計是在假手功能原理設(shè)計的基礎(chǔ)上，將假手原理方案結(jié)構(gòu)化、實體化，把關(guān)于原理方案設(shè)計的構(gòu)思轉(zhuǎn)化為具有實用水平的、達(dá)到設(shè)計要求的實體產(chǎn)品。對于機械產(chǎn)品設(shè)計，工作原理確定后，要對機械動作進(jìn)行構(gòu)思和分解，初步確定各執(zhí)行構(gòu)件的動作以及動作之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，進(jìn)行機械運動方案設(shè)計及機械圖設(shè)計。 §4.2 假手的總體設(shè)計 假手的總體設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計的中心環(huán)節(jié)，對假手產(chǎn)品的技術(shù)性能、經(jīng)濟指標(biāo)和造型設(shè)計具有決定性意義。假手的總體設(shè)計包括以下一些內(nèi)容： 1）確定假手的功能原理方案。所設(shè)計的肌電假手主要由四個相同的手指和一個大拇指，還有中間的連桿等等組成。手掌上的齒輪齒條差動機構(gòu)通過電機的帶動，將力傳到各個手指，實現(xiàn)手指的彎曲來包絡(luò)被抓物體。此功能實現(xiàn)的關(guān)鍵之處在于五個手指能相互協(xié)調(diào)工作，且被包絡(luò)物體的形狀不宜過大。 2）確定假手的總體參數(shù)。對于不同類型的機器，由于其功能不同，總體參數(shù)的數(shù)量和內(nèi)容也不同。假手是用來抓握物體的，所以對被抓物體的形狀大小，重量等有一定的要求。被抓物體的直徑不超過80mm，重量不超過10N。 3）確定假手總體設(shè)計的指導(dǎo)思想。假手設(shè)計的主要標(biāo)準(zhǔn)是盡可能用較少的驅(qū)動器來實現(xiàn)較多的自由度。所以采用的指間差動機構(gòu)，將一個電機的力，平均地分配到兩個手指。 4）確定假手的運動方案。假手的主要功能就是抓取物體，因此可以選擇適當(dāng)?shù)膱?zhí)行機構(gòu)來完成這一功能的實現(xiàn)。主要的執(zhí)行機構(gòu)就是假手的手指結(jié)構(gòu)。由三個指節(jié)組成，分別是近指節(jié)，中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)，鄰近的兩個指節(jié)之間可以相互轉(zhuǎn)動，指節(jié)之間的轉(zhuǎn)動力是由中間的彈性連桿給予的，彈性桿連接到手掌上的差動機構(gòu)，直接由電機帶動。大拇指是由兩個電機所帶動，一個在拇指根部，帶動拇指轉(zhuǎn)動，另一個帶動中指的轉(zhuǎn)動。 5）假手的驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計。由于結(jié)構(gòu)小，動力要求不高，本文所采用的是MAXON公司生產(chǎn)的高性能微型直流電機，功率20W。電機的驅(qū)動力是通過掌部差動機構(gòu)把動力傳到各個手指上，這種差動機構(gòu)傳遞動力的能很好的把力分配給各個手指。 6）假手的總體布局。根據(jù)其功能、工藝及操作要求，確定假手的部件的構(gòu)成、相對位置極其連接方式。圖4-2-1是假手去除大拇指的三維圖，從圖中可以很清楚的了解假手的總體布局，四個手指通過根部基架固定在手掌上，齒輪齒條差動機構(gòu)對稱地分布于手掌之上，兩個電機安裝在手掌的背面。 圖4-2-1 假手的總體布局圖 §4.3基本構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 第三章已經(jīng)介紹了假手手指機構(gòu)、拇指機構(gòu)、以及掌上差動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，這一節(jié)著重介紹構(gòu)成這些結(jié)構(gòu)的小的構(gòu)件的設(shè)計。由于機構(gòu)設(shè)計的多解性，使得設(shè)計假手有很大的自由度，但在設(shè)計中還是應(yīng)該依據(jù)一些原則，這樣可以做出比較優(yōu)秀的機構(gòu)設(shè)計方案。應(yīng)該遵循的原則有：明確—功能明確、原理明確、工作狀態(tài)明確；簡單；安全可靠。 1、手指結(jié)構(gòu)的零部件設(shè)計。 所設(shè)計的手指共由六個構(gòu)件組成，第二章已經(jīng)分析過。手指的框架是采用“門”形截面的框體結(jié)構(gòu)。上面一側(cè)有沉孔，一側(cè)有螺紋孔。而且這種框體結(jié)構(gòu)，大大增加了手指里面的空間，方便連桿連接。具體結(jié)構(gòu)見圖4-3-1. 圖4-3-1 手指近指節(jié) 同樣手指的中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)的結(jié)構(gòu)也類似于上面所講的近指節(jié)機構(gòu)，所不同的就是遠(yuǎn)指節(jié)的指端是流線型設(shè)計，類似于人手。 2、中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)的結(jié)構(gòu)如圖4-3-2和4-3-3. 圖4-3-2 手指中指節(jié) 圖4-3-3 手指遠(yuǎn)指節(jié) 手指近指節(jié)和手掌的連接時通過手指跟關(guān)節(jié)基座來連接的，如圖4-3-4，基座可以通過螺釘連接固定在手掌上，同時，基座上面通孔，以便和手指近指節(jié)連接。 圖4-3-4 手指跟關(guān)節(jié)基座 3、手掌上的導(dǎo)軌設(shè)計 手掌不僅僅是結(jié)構(gòu)零件，也是功能零件，考慮到滑動部件的運動速度和受力都不是很大，所以設(shè)計的是一個滑動導(dǎo)軌，而不是滾珠導(dǎo)軌，相對于滾珠導(dǎo)軌，滑動導(dǎo)軌的厚度和重量上都有十分明顯的優(yōu)勢。 之所以沒有采用一般機床上的燕尾槽導(dǎo)軌，是因為采用這樣的導(dǎo)軌大大增加了手掌的厚度，并且增加零件加工的難度。使用這種形式的滑動導(dǎo)軌的另一個有點是，將部件很好地分配到手掌基板的兩個方向。這樣最大限度的保證了運動部件不發(fā)生運動干涉現(xiàn)象。圖4-3-5，將兩種形式的導(dǎo)軌列出來做了比較。 圖4-3-5 兩種形式導(dǎo)軌的截面比較圖 第五章 總結(jié)與展望 §5.1畢業(yè)設(shè)計工作總結(jié) 本論文主要介紹了假手的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀以及自主設(shè)計的欠驅(qū)動肌電假手的機械機構(gòu)，對整個假手機構(gòu)進(jìn)行了簡要的分析與討論，完成的主要工作有： 1.對國內(nèi)外假手的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納和總結(jié)。 2.設(shè)計了一個欠驅(qū)動肌電假手（4個驅(qū)動，15個自由度）。其中食指和中指（共6自由度）由一個電機驅(qū)動，無名指和小指（共6自由度）由一個電機驅(qū)動，大拇指（共3自由度）由2個電機驅(qū)動，該手能靈活抓取各種物體。 3.設(shè)計了一種新型欠驅(qū)動手指，該手指由一個曲柄滑塊機構(gòu)和兩個交叉四連桿機構(gòu)和彈性元件串聯(lián)組成，引進(jìn)了長度可變的彈性桿機構(gòu)，實現(xiàn)了單一手指對任意物體表面的自適應(yīng)包絡(luò)，克服了現(xiàn)有技術(shù)中手指靈活度不夠的缺點。 4設(shè)計了一種新型的指間差動機構(gòu)，該機構(gòu)擁有良好的力分配性能，通過齒輪-齒條將驅(qū)動電機輸出的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，主動齒條一端連接有一個齒輪，齒輪同時與兩條被動齒條嚙合，兩條被動齒條最后分別與手指連接，被動齒條的前后運動可帶動手指完成抓握動作，從而實現(xiàn)手指間的欠驅(qū)動，即一個電機驅(qū)動兩個手指運動，本差動機構(gòu)改善了手指間的力分配問題，減小了功耗，利于機械手的小型化。 §5.2前景展望 20世紀(jì)后期是康復(fù)醫(yī)學(xué)工程取得空前進(jìn)步的時代，EMG假肢手的研究在這一時期也取得了長足的發(fā)展并已被大量應(yīng)用于臨床。與此同時，生物機電一體化技術(shù)、信號處理技術(shù)、機器人學(xué)、自動控制、微制造和MEMS技術(shù)等相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的研究成果為新一代EMG控制假肢手的研究積累了豐富的理論方法和技術(shù)基礎(chǔ)。但是，研究和開發(fā)新一代的EMG控制假肢手仍面臨若干理論方法挑戰(zhàn)與技術(shù)瓶頸，主要包括： （1）多通道EMG信號的測量、處理以及基于前臂EMG信號的手運動模式識別與運動控制方法，尤其需要解決EMG測量信號中生物噪聲干擾、“EMG信號→手關(guān)節(jié)運動”生物系統(tǒng)的“耦合驅(qū)動”特征抽取、EMG信號的非平穩(wěn)特征抽取以及特征選擇等一系列關(guān)鍵理論問題，開發(fā)高性能的生物／機械系統(tǒng)接口； （2）欠驅(qū)動假肢手的設(shè)計理論，包括小型、輕質(zhì)多自由度聯(lián)結(jié)式差動機構(gòu)的設(shè)計理論，基于智能機械單元的欠驅(qū)動假肢手形狀自適應(yīng)性設(shè)計理論與設(shè)計指標(biāo)等； （3）機械結(jié)構(gòu)、傳感器、驅(qū)動單元、生物／機械系統(tǒng)接口硬件的集成化設(shè)計方法。 對上述理論方法和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上開發(fā)新一代EMG控制假肢手，不僅可為全球范圍內(nèi)的肢體殘缺患者帶來福音，同時對于生物機電一體化技術(shù)及康復(fù)醫(yī)學(xué)工程等相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步也可起到有力的推動作用。 致謝 將近一學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計即將結(jié)束，回憶這幾個月的點點滴滴，老師和同學(xué)對我的幫助讓我能夠順利地完成畢業(yè)設(shè)計。 我要感謝我的導(dǎo)師李青林老師的悉心教導(dǎo)，沒有李老師的幫助，我就不可能順利完成畢業(yè)設(shè)計。李老師知識淵博，從假手最初的設(shè)計方案，到后來方案的確立以及具體機構(gòu)的設(shè)計，她都給予了大量的指導(dǎo)。她嚴(yán)謹(jǐn)求實的治學(xué)態(tài)度，平易近人的處世態(tài)度都深深地影響并教育了我，并將成為我畢生收益的寶貴財富。 我還要感謝我身邊的同學(xué)們，他們在我的設(shè)計中也給予了很多支持和幫助。 最后向百忙之中參加論文評審和答辯的專家、教授們表示衷心的感謝！ 參 考 文 獻(xiàn) [1] 劉世廉，宋金澤，馬宏緒，基于腱傳動的仿人型多指機械手的簡易設(shè)計，電子機械工程，2004. [2] 張文增,陳強,孫振國,徐磊.高欠驅(qū)動的擬人機器人多指手,清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2004年第44卷第5期. [3] 鄒慧君，傅祥志機械原理.1999年第1版.P36-P94.北京：高等教育出版社. [4] 黃靖遠(yuǎn)，高志，陳祝林 主編.《機械設(shè)計學(xué)》第三版.機械工業(yè)出版社. [5] 熊有倫，丁漢，機器人學(xué)，北京：機械工業(yè)出版社，1993. [6] 秦志強，機器人多指手操作的理論和實踐研究：[博士學(xué)位論文]，武漢：華中理工大學(xué)，1998. [7] http://www.brown.edu/ [8] http://www.cyberhand.org/ [9] 張文增，田 磊，陳 強等.機器人擬人手欠驅(qū)動多指裝置[P].中國發(fā)明專利，申請?zhí)枺?007100630701，申請日：2007年1月26. [10] 鄭修軍等 肌電假手的研究現(xiàn)狀，中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志.2003年，18卷，第3期. [11] 周勝軍，白智鵬等.淺析肌電假肢人造假肢控制原理和機構(gòu)，醫(yī)療裝備，1997. [12] 郝智秀，申永勝.握取力自適應(yīng)控制.清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）.1999,Vol.39,No.214/3354～56. [13] 胡天培.肌電特征發(fā)現(xiàn)與肌電康復(fù)研究.上海交通大學(xué)學(xué)報.1994,第28卷，第3期. [14] 包海濤，朱林劍.智能假手控制模式的探討.2002年國際康復(fù)工程與臨床康復(fù)學(xué)術(shù)討論會論文集.2002. [15] 王大康 主編.《機械設(shè)計綜合課程設(shè)計》.繼續(xù)工業(yè)出版社出版. [16] B.Massa, S.Roccella, M.C.Carrozza, P.Dario.Design and Development of an Underactuated. Prosthetic Hand. Proceedings of the ICRA,2002,3374-3397. 27 一種新型機械假手的設(shè)計與實驗 摘要：理想的上肢假手應(yīng)該可以被看作殘肢者身體自然的一部分，而且應(yīng)該有感覺和運動能力。然而，這樣的一個控制假手方案仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離現(xiàn)實：目前的假手是一個或兩個自由度的簡單的夾緊機構(gòu)，這種機構(gòu)只不過能恢復(fù)患者的一些夾捏的功能。本文介紹了一種基于“人—機”學(xué)和控制論方法的新型假手的設(shè)計與制造。我們的做法旨在為殘肢者提供“自然”的感覺與運動協(xié)調(diào)的假肢，通過整合機制仿生，傳感器，驅(qū)動器和控制器于一體，并通過斷肢周圍的神經(jīng)系統(tǒng)連接控制假手。 1.導(dǎo)論 讓截肢者感覺假肢是自己身體的一部分，而且還可以代替截肢者的一些親密的感覺和運動能力，這樣的新發(fā)明還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能成為現(xiàn)實。事實上，目前市場上的假肢還不能給患者用戶提供足夠的抓握功能和感覺運動功能。目前可用假手的一個主要的問題是缺乏自由度。商用假肢裝置，如Otto Bock SensorHand?，以及多功能手的設(shè)計，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能提供人手的操縱能力。這有很多不同的原因。比如說，假手的彎曲運動僅限于兩個或三個關(guān)節(jié)，是由一個單一的驅(qū)動電機同時驅(qū)動掌指關(guān)節(jié)—拇指關(guān)節(jié)、食指關(guān)節(jié)和中指關(guān)節(jié)，而其他關(guān)節(jié)只能被動的彎曲。 解決所有這些問題的辦法是制定一個“控制論”方案，即機電一體化方案。這樣的一個方案必須解決以下這些商業(yè)假肢存在的問題： 1、抓握能力不夠強； 2、難看的外形； 3、缺乏感官信息提供給截肢者； 4、缺乏一個“天然”的命令接口。 第一和第二個問題可以通過增加相應(yīng)的自由度來解決，在手的機構(gòu)上嵌入更多的驅(qū)動器以及設(shè)計成對的關(guān)節(jié)可以做到這一點。增加相應(yīng)的自由度可以使假手更加靈活，自然就可以增強假手的抓握能力，而設(shè)計成對的關(guān)節(jié)就是為了使假手在外形上看起來舒適，從而解決了商業(yè)假肢外形難看的問題。 第三個和第四個的問題可以通過建立一個“自然”的接口來連接人工假手與殘肢周圍的神經(jīng)系統(tǒng)，以便有選擇性地接受信號。實驗表明這種方案是可行的，可以讓肌電控制假手成為現(xiàn)實（解決第四個問題），以及以適當(dāng)?shù)姆绞酵ㄟ^他/她的傳入/傳出神經(jīng)反饋一些感覺給截肢者來解決商業(yè)假肢普遍存在的第三個問題。 本文重點介紹了目前在Scuola Superiore Sant’Anna的研究活動，通過殘肢上的肌電信號來控制肌電假手的一些發(fā)展情況。 2.肌電假手的設(shè)計 從假手設(shè)計一開始主要應(yīng)該考慮的問題有以下幾個方面：美觀性，可控性，低噪音，重量輕和低能源消耗。這些要求要實現(xiàn)可以通過把不同的功能（機制，驅(qū)動，傳感和控制）嵌入到一個形狀，大小和外觀和人類的手極其相似的機構(gòu)當(dāng)中，這是一個綜合的設(shè)計方法。這種設(shè)計方法可以用這個詞來定義：“biomechatronic”設(shè)計。 2.1假手的結(jié)構(gòu) 該假手將配備3個驅(qū)動器系統(tǒng)，以便提供一個三腳抓握機構(gòu)：兩個相同的手指驅(qū)動系統(tǒng)和一個拇指驅(qū)動系統(tǒng)。（見圖1） 圖一、假手的結(jié)構(gòu) 該驅(qū)動系統(tǒng)是基于兩個微型驅(qū)動器，它可以分別驅(qū)動內(nèi)部機械零件和手指關(guān)節(jié)；考慮的美觀因素，兩個驅(qū)動器是完全集成在手的結(jié)構(gòu)里：第一個在手掌，第二個在靠近指節(jié)。這種雙立直插型關(guān)節(jié)被動地被一個連接到中指端關(guān)節(jié)的機構(gòu)所帶動。拇指具有兩個活動的自由度在近指端關(guān)節(jié)，其中一個被動自由度在遠(yuǎn)指端關(guān)節(jié)處。 該抓握工作過程分為兩個相繼階段進(jìn)行，在這過程中兩個不同的驅(qū)動系統(tǒng)起作用： 1）、靠近物體以及形狀適應(yīng)階段； 2）、手指的抓握階段。 事實上，在第一階段讓手指適應(yīng)被抓物體的外部形態(tài)特征的驅(qū)動系統(tǒng)是一個低輸出力矩電機。在第二個階段，拇指驅(qū)動系統(tǒng)提供強大的抓握力量，能夠在關(guān)鍵時候起作用，特別是抓取重量較大或者較滑的物體對象時。 重要的是應(yīng)該指出，這種機構(gòu)最為關(guān)鍵的問題是在抓握階段，微型驅(qū)動器要能經(jīng)受高負(fù)荷的運轉(zhuǎn)。 為了證明這種假手方案的可行性，我們從設(shè)計手指開始（食指或者中指）。 2.2.手指原型的設(shè)計開發(fā) 如上文所講，這兩個自由度手指原型的設(shè)計是盡可能按照人類手指的大小和運動習(xí)慣來設(shè)計。它包含三個手指機構(gòu)和手掌外殼（見圖2）。 圖2、手指圖案 為了在大小上和人類手指相似，兩個微型馬達(dá)分別被裝在手掌內(nèi)和靠近近指端的地方。驅(qū)動系統(tǒng)動力是由微型線性直流無刷電機提供。 由電動機輸出的動力足以推動指骨機構(gòu)來實現(xiàn)抓握功能。此外，手掌外殼架提供軸的軸向和徑向的機械阻力。這就很明顯，在整個抓握過程中，驅(qū)動系統(tǒng)和整個手指結(jié)構(gòu)應(yīng)該同時起作用才可以實現(xiàn)抓握功能。 第一個手指原型是采用FDM制造工藝過程（見圖3）。這一過程可以用ABS樹脂進(jìn)行一個簡單的三維實體制造，直接從CAD生成實體模型。 圖3、手指原型 2.3 手指指尖力的特征 第一批實驗已經(jīng)完成，實驗表明假手手指有足夠大的力來抓取物體。為了這個目標(biāo)，我們測量的力是手指直接壓在力傳感器上，各個關(guān)節(jié)都有測量。 兩個擺在眼前的任務(wù)已經(jīng)被確定，以便能夠獨立地衡量兩個納入手指的驅(qū)動器的力量： 任務(wù)一：推進(jìn)工作只能由遠(yuǎn)端執(zhí)行器來執(zhí)行。 任務(wù)二：推進(jìn)工作只能由近端執(zhí)行器來執(zhí)行。 對應(yīng)于每一項任務(wù)，兩個次要任務(wù)被識別發(fā)現(xiàn)(延伸，彎曲)，根據(jù)的是不活動關(guān)節(jié)的位置。對應(yīng)于每個不同的子任務(wù)，各個關(guān)節(jié)不同的作用如圖4所示。 圖4、手指關(guān)節(jié)的每項任務(wù)。工作時活動的關(guān)節(jié)用小圓圈畫出。 在力的測量過程中，指尖壓在力傳感器上。Z軸的分力被記錄，同時X軸和Y軸的輸出力也被檢測。通過調(diào)整手指的不同位置來獲得Z軸的力的大小。第一批實驗測試已經(jīng)做了，旨在評估手指能有多大的力作用于被抓物體。 2.4 結(jié)果與討論 每個子任務(wù)進(jìn)行了十次實驗。所得結(jié)果見圖5。在精細(xì)的操作下，這些假手手指的力可以比擬“自然”人類的手指的力，從而可以顯示出“biomechatronic”方案的可行性，至少在手指力這一項任務(wù)上是可以的。由電機運轉(zhuǎn)提供的輸出力足以推動手指機構(gòu)實現(xiàn)自動抓握功能。 圖5、實驗結(jié)果 3、智能神經(jīng)接口的發(fā)展 3.1 微小電極的制備 不同的硅基質(zhì)微電極的設(shè)計和加工采用的是微加工技術(shù)。三種不同的微電極的設(shè)計制造采用了不同的體積，電極尺寸。該設(shè)計主要用于積極的實驗，所以叫做“Active Die 1”和“Active Die 2”。一張“Active Die 2”的圖片如圖6.一些骰子沒有納入電極（“被動骰子“），這些骰子被用于控制。為了實現(xiàn)機械強度，每個硅片被安裝在鈦合金環(huán)上，通過激光焊接或電氣連接。 圖6 3.2、肌電研究成果 3.2.1、肌電方案的確定和研究方法 體內(nèi)實驗是在新西蘭的一只成年雌性兔子身上進(jìn)行的。為了達(dá)到控制的目的，第一套實驗用空渠道導(dǎo)航，然后NI根據(jù)沒有互相連接的“被動”骰子進(jìn)行（即有通道的骰子，但沒有電極）。第二組實驗是用完整的NI結(jié)合骰子進(jìn)行的。這兩套實驗采用了同樣的實驗步驟。 不同的實驗運用不同的實驗結(jié)構(gòu)配置來進(jìn)行。為了記錄從未受刺激的神經(jīng)，從空渠道再生神經(jīng)，從被動骰子神經(jīng)，坐骨神經(jīng)由一對有恒電流脈沖電極來刺激，刺激強度不盡相同。（持續(xù)時間=0.08—0.1毫秒）。陽極和陰極都能得到相應(yīng)的刺激。這樣的神經(jīng)電圖分析結(jié)果是通過從記錄電極（放置在距離刺激點50毫米的一個地方）測量的復(fù)合動作電位來獲得的。在動物體內(nèi)植入NI，這種連接器連接到一個標(biāo)準(zhǔn)的電生理學(xué)的設(shè)置來記錄神經(jīng)刺激。一個機械開關(guān)允許每十個神經(jīng)接口電極連接到這個電子設(shè)備上。 單脈沖（振幅范圍=40微安—1毫安，持續(xù)時間=0.2毫秒）被傳送到每個電極界面。當(dāng)肌肉收縮被觀察到，從而表明軸突的出現(xiàn)，同一途徑的神經(jīng)刺激接口被連接到記錄設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。腿部的運動神經(jīng)也被記錄。（即拉伸）。 3.2.2 電生理信號的計算機分析 來自放大器的信號被儲存在一個磁帶里面，然后在計算機硬盤里回放和數(shù)字化（使用MIO-16 A/D轉(zhuǎn)換器）?；谔摂M編程技術(shù)，合適的程序被使用，以便獲得實驗數(shù)據(jù)和同步電刺激。復(fù)合動作電位的振幅和延時長度被測量，以評估再生神經(jīng)的恢復(fù)功能。 3.2.3 使用NI#6刺激和記錄神經(jīng)軸突 最有趣的結(jié)果是使用NI#6在對兔子進(jìn)行的實驗。在這種特定的動物體內(nèi)，刺激與記錄進(jìn)行了48天。在這個時候通過接口神經(jīng)再生。沒有神經(jīng)損傷或設(shè)備故障的出現(xiàn)。在控制實驗中發(fā)現(xiàn)組織反映相似。 動作電位持續(xù)時間大約1—1.5毫秒，振幅約為110微伏。從休息到劇烈運動的肌電圖如圖7所示。 圖7、 A 是腿或腳劇烈運動時的電圖 B 是運動停止后的電圖 C 是休息時的電圖 3.2.4使用NI#6神經(jīng)刺激 通過NI#6獲得了神經(jīng)刺激，證明了是通過微電極陣列將兔子腿或腳收縮時產(chǎn)生的每個脈沖傳遞到神經(jīng)系統(tǒng)。目前能引起收縮的閥值是0.1微安，低于目前神經(jīng)控制實驗使用外電極刺激的需要。清楚的肌電信號記錄了肌肉收縮的狀態(tài)如圖8所示。 圖8、神經(jīng)刺激時記錄的肌電信號 4、工程信號處理技術(shù) 為了驗證記錄運動神經(jīng)的工程信號資料的可行性，我們進(jìn)行了一些初步的實驗與研究，實驗與研究的領(lǐng)域是在在感覺與運動相互作用這一塊（奧爾堡大學(xué)，奧爾堡—DK）。在本節(jié)中，我們將對這些實驗的結(jié)果作簡要的分析說明。 4.1、實驗裝置 用四個雌性成年的新西蘭兔子進(jìn)行實驗（逐個用號碼標(biāo)志）。在這個實驗中使用了丹麥倫理委員會使用的動物研究所有的程序。整個神經(jīng)電極植入袖口處的脛骨和總神經(jīng)（這是主要的坐骨神經(jīng)）在兔子的左腿（袖口長度約20毫米，內(nèi)徑分別約2毫米和1.8毫米）。袖口電極制作是根據(jù)所描述的步驟[14],除了直接切斷是用作最后的方法。腓腸神經(jīng)被立即切斷，以便在皮膚傳入實驗中盡量減少不必要的記錄。如圖10，一個示意圖介紹了植入電極的袖口（類似兔子的籌備工作已經(jīng)用于其他實驗，見【14】）。 實驗中使用到的實驗設(shè)備包括一個計算機控制的伺服電機，用作旋轉(zhuǎn)被實驗兔子的踝關(guān)節(jié)。 支持和固定裝置配有4個應(yīng)變片作為扭矩傳感器（靈敏度為10納米/伏特）。一個光學(xué)的旋轉(zhuǎn)傳感器是用來記錄踝關(guān)節(jié)運動的（靈敏度=10度/伏特）。扭矩信號采樣信號為500赫茲。兔子放在右側(cè)，它的左腳放在一個搖籃里。實驗過程中，兔子的膝蓋和踝關(guān)節(jié)是被固定的。[14]中詳細(xì)描述了試驗裝置。整個神經(jīng)袖套記錄了200，000次，過濾使用了二階模擬過濾器（500Hz-5kHz）。一個正常人的踝關(guān)節(jié)運動被記錄參考，以用作模板，為兔子踝關(guān)節(jié)運動記錄做準(zhǔn)備。整個活動的神經(jīng)和腓總神經(jīng)記錄在【14】中描述。所有的工程記錄都被修正好，集成在一個微軟窗口里。方位和扭矩數(shù)據(jù)通過低通濾波器過濾。 4.2、模糊建模 三個實施模糊建模的特征如下： 1.改良過的FCRM模糊模型是一個TS型的模糊系統(tǒng)。要獲取規(guī)則直接從數(shù)據(jù)、模糊算法來得到【15】。 2.自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)模糊推理系統(tǒng)（ANFIS）模型是一種TS模糊系統(tǒng)作為一個前饋神經(jīng)實施的網(wǎng)絡(luò)。這個網(wǎng)絡(luò)的混合學(xué)習(xí)過程的主要特點如【16】所描述。 3.動態(tài)非單例模糊邏輯系統(tǒng)（DNSFLS）是曼達(dá)尼模糊系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實施的范圍如【17】描述。 4.3、預(yù)測的結(jié)果 要比較不同模糊模型的性能，可以采用預(yù)測誤差的均方根來衡量。表一給出了預(yù)測誤差。 表一：不同模糊模型的有效值的預(yù)測誤差 模糊模型 訓(xùn)練 Traject有效值 測試 Traject有效值 規(guī)則 FCRM 0.0216 0.0480 49 ANFIS 0.0047 0.0079 49 DNSFLS 0.0013 0.0057 45 5、結(jié)論 本文簡單介紹了在圣安娜進(jìn)行的一項關(guān)于肌電控制假手的研究活動。目前，我們正在設(shè)計一種新型的肌電假手，以及在深入研究工程信號的處理技術(shù)。此外，歐盟的一些研究組織目前正在制定一個植入系統(tǒng)，使用外部控制系統(tǒng)來記錄和刺激工程信號。這個裝置可以被用在設(shè)計肌電控制假手的實驗中。 6、鳴謝 這項研究工作受到社會的大力支持，其中包括題為“人體修復(fù)系統(tǒng)的設(shè)計與研究”的研究機構(gòu)，還有目前正在進(jìn)行“康復(fù)工程的應(yīng)用研究”機構(gòu)，這是一個隸屬于國家勞動事故機構(gòu)，以及還有圣安娜大學(xué)等等。這項工作部分已經(jīng)被歐盟著手實施。 作者感謝卡羅先生和加布里埃先生提供的寶貴的技術(shù)援助。作者還要感謝里納爾多先生對于“biomechatronic”假手概念的有益討論和批評。 參考資料 【1】辛普森博士，“multimovement”假肢控制系統(tǒng)的選擇，下體假肢的控制研究，與赫伯茲合編，1974 【2】格林，霍根，肘部機構(gòu)運動不受限制的研究，康復(fù)工程。楊永康。1995 【3】PJ安格紐，肌電假肢功能的效率性與功能分裂：單一主體實驗，普羅斯特，詮釋。1981，92-96 【4】S.-E. 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