22、外骨骼系统设计与优化：从手部到下肢的探索

外骨骼系统设计与优化：从手部到下肢的探索

手部外骨骼的优化设计

在手部外骨骼的设计中，优化连杆长度是关键环节。设计得分与连杆长度密切相关，通常随着连杆长度增加，设计得分降低，这表明较小的设计更受青睐，这与面积项的设计意图相符。不过，最小的有效设计并非最优。ISO项的总和倾向于奖励较长的连杆长度，尤其是L1。综合来看，最优的连杆长度组合应具有接近最小的总长度，且L1应长于L2，同时在测试工作空间内避免接近奇异的配置。

优化结果显示，对于三种连杆机构，L1应明显长于L2。这一结果具有合理性，主要基于以下两点：一是近端指骨（拇指的掌骨）明显长于中间指骨（拇指的近端指骨）；二是连杆的起点位于每个手指第一关节的背侧，因此每个3R连杆的第一关节与手指的第一关节之间需要有最小距离。由于面积大致与L1和L2的长度及方向对应的向量叉积有关，对于给定的总机构长度，L1和L2越接近相等，面积越大。理想情况下，L1应考虑所需的偏移和近端指骨（掌骨）长度，而L2应考虑中间指骨（近端指骨）长度以及指骨外骨骼连接点所在的远端指骨1厘米的长度。因此，对于给定的拓扑结构，当手指完全弯曲时，每个连杆的第二关节应大致与每个手指的第二关节对齐。

手部外骨骼原型的工作空间评估表明，尽管该机构的外形不如文献中某些其他拓扑结构的设备那样低，但考虑到要适配95%的人群，其整体尺寸是合理的。通过对十名志愿者（手指长度从第15百分位到第99百分位）的测试，第15到95百分位的志愿者均表示该设计能舒适地实现所有预期的动作，且不会接近奇异配置。虽然第99百分位的志愿者在做出某些手部姿势时受到限制，但这是因为他们的手部节段长度超过了设计的最大值，这也说明优化后的连杆长度对于设计要求来说并非过大。

志愿者能够达到所有预