用于肌肉电信号控制的仿生机械手设计与仿真

刘乐远 闫炳成 黄经纬 李敏 魏德轩

摘 要： 针对肌肉电信号（EMG）控制假手的需求，介绍了一种仿生机械手的设计和控制仿真。此机械手优势在于关节和手指尺寸完全还原真实人手的大小。首先，在多自由度的基础上，建立了五指的运动学模型并求出其运动学正解和逆解。然后，通过仿真来验证其运动学解的正确性，从而为仿生机械手的运动轨迹规划和进一步的控制提供了理论依据。最后，简要说明了肌肉电信号如何实现对仿生机械手的运动控制。

关键词： 肌电信号; 仿生机械手; 运动学; 运动仿真

文章编号： 2095-2163（2021）03-0048-04 中图分类号：TP24 文献标志码：A

【Abstract】Aiming at the demand of electromuscular signal （EMG） to control artificial hand， this paper introduces the design and control simulation of a bionic manipulator. This manipulator is mainly based on the design of fingers and joints， and it can complete a variety of gestures. The advantage is that the size of joints and fingers completely restore the size of real hands. Firstly， the kinematics model of the five fingers is established on the basis of multiple degrees of freedom and the kinematics forward solution and inverse solution are obtained. Then， the correctness of the kinematics solution is verified by simulation， which provides the theoretical basis for the motion trajectory planning and further control of the bionic manipulator. Finally， the paper briefly explains how to realize the motion control of the biomimetic manipulator by muscle electrical signal.

【Key words】 EMG; bionic manipulator; kinematics; motion simulation

0 引 言

隨着科技的进步，工业等方面的机械化飞速发展。其中，机械手的应用越来越广泛。机械手的分类大致可分为工业用机械手和假肢用机械手。假肢用机械手又可叫做仿生机械手[1]，近年来国内外学者对其的研究也日趋深入。如崔鹏等人[2]采用腱传动式仿生机械手取代了简单的夹具，提高了末端执行器的适应性。南卓江等人[3]研发了一种质量轻且具有良好柔顺性、灵巧性的仿生机械手。随着信号采集技术的日益发展，通过采集到的生物电信号实现运动控制正成为一种趋势。如王宏等人[4]提出的一种基于肌肉电信号控制的假肢用机械手的设计，为机械手控制问题提供了理论依据。刘帅等人[5]利用ADAMS软件建立仿生机械手的虚拟样机。李振浩等人[6]通过ADAMS进一步对仿生机械手进行运动学仿真分析。吕美凤等人[7]针对机械手运动过程中的运动轨迹进行了研究分析。……