17、受人类手指屈伸运动轨迹启发的软气动执行器

受人类手指屈伸运动轨迹启发的软气动执行器

1. 引言

近年来，软机器人技术得到了广泛探索，医疗工程领域更是充分利用了这一技术。非常规材料的使用推动了高度灵活且机械适应性强的医疗设备的发展。本文聚焦于一款受人类手指屈伸运动轨迹启发的软弯曲执行器，将介绍其设计、运动学建模、制造工艺以及实验验证等内容。

在医疗工程领域，软机器人技术已应用于开发用于检查和医疗康复的执行器与机器人。康复用的机电一体化设备能助力肢体恢复和保持运动，而软机器人在诊断、药物输送和手术等方面也展现出了广阔的应用前景。目前，已开发出多种用于支持人体上半身不同部位的软机器人设备，且多数软执行器由气动信号驱动。

2. 执行器设计与运动学建模

2.1 执行器几何参数

执行器的设计参考了手指自然的屈伸运动轨迹，依据18 - 65岁墨西哥人平均手部的人体测量数据确定其长度。设计中的重要参数包括壁厚、腔室间距和总腔室数量。执行器的一般尺寸如下：
|参数|数值|
| ---- | ---- |
|长度|105 mm|
|高度|25.5 mm|
|宽度|14 mm|
|每个腔室长度|9 mm|
|壁厚|3 mm|
|腔室数量|9|

腔室间距通过有限元模拟确定为3 mm，此间距能使执行器性能接近屈伸轨迹，且设计均匀。

2.2 运动学模型

运动学模型基于Denavit - Hartenberg（D - H）约定。执行器被离散为九个刚性链接段，通过已知压力值确定执行器尖端（P）的位置。

从运动学图可获取D - H参数，执行器尖端