腱驱动假手手指运动及力分析

刘伊威，任 伟，高一夫

(哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，150080哈尔滨)

残疾人假手具有重要的应用价值，国内外的众多研究机构以及商业公司开发了多种形式的假手，比较有代表的假手有OTTOBOCK Hand［1-2］、Southampton Hand［3］、TBM Hand［4］、IOWA Hand［5］、RTR II Hand［6］以及Smart hand［7］、英国的I-limb手［8］等.国内外现有的假手，包括商业应用的假手产品及实验室开发的假手样机，有3个突出问题:1)自由度少，抓握功能不足，不能满足使用者日常操作需要和由各个手指单独运动所带来的心理需求;2)自由度增加引起的系统复杂性、可靠性及成本等问题，限制了多自由度假手的实际应用;3)现有假手的尺寸、质量及外观与人手相比，差距仍然较大.

本文针对5自由度假手的研制，提出了一种腱传动的欠驱动手指结构，并研制了假手HIT p-Hand I(如图1)，该假手有5个可单独运动的手指构成，分别由5个电机驱动，外形与人手相似、体积约为成年人手体积的85%，质量仅为350 g.HIT p-Hand I假手结构具有以下突出特点:1)手指结构简单.具有3个弯曲关节的手指，通过一根腱驱动，零件数少，加工难度低，可靠性高，加工成本低.零件数及加工成本约为哈工大连杆结构手指［9］的30%.2)集成度高.电机、减速机构、传感器、驱动和控制电路板等均集成在手掌内，节省空间，便于更换、维护.3)非金属材料的采用，减轻假手的质量、降低加工费用.手指的指节及手掌采用非金属树脂，基于激光快速成形方法，质量约为铝合金材料的30%.本文将进行手指的运动学及力学的分析，并通过仿真分析手指……