19、适用于手部残疾的便携式定制外骨骼

适用于手部残疾的便携式定制外骨骼

1. 引言

在机器人日益普及、可穿戴机器人设备数量显著增长的社会中，研究机器人与人类手部的交互至关重要。由于手在日常生活中起着关键作用，人们为手部灵活性受损的人提供机器人辅助付出了很多努力。该领域最具挑战性的方面之一是用户对设备的接受程度，这取决于多个因素，如舒适性、轻便性、小尺寸、用户友好的设计以及手部外骨骼的便捷主动使用。开发一种紧凑且定制化的设备，能够精确跟踪手指的自然轨迹，是这一领域的一大挑战。下面将讨论一种低成本、完全可穿戴的手部外骨骼的开发过程。从单自由度（DOF）运动学架构出发，依次开发了该原型的三个不同版本，以逐步满足用户在舒适性和可用性方面的需求。

2. 运动学分析与综合

这里将对一个案例手指机构的运动学进行分析研究。所讨论的模型将为外骨骼适应不同手指轨迹提供数学基础。在深入研究运动学细节之前，先简要概述一下所研究的手部外骨骼的概念。该设备由两个基础模块组成：
- 第一个模块“手指机构”：是一个平面机构，放置在手指上，具有单自由度，负责驱动手指的伸展运动。
- 第二个模块“背壳”：放置在手背，用于容纳电缆驱动传动系统和电子设备，同时作为每个手指机构的锚点。

下面是运动学分析概述，介绍了机构几何形状的选择和优化方法。图 1 展示了手指机构模块中采用的单自由度运动链。

参考系统 x1y1、x2y2 到 x6y6 分别与组件 A、C、B、E、D 和 F 相关联。为简化表示，每个参考系也与特定关节按数字顺序关联（例如，关节 1 与框架 x1y1 相关，关节 2 与框架 x2y2 相关，依此类推）。组件 A 是背壳的一部分，其对应的参考系（x1y1）位于掌指关节（MCP）正上