23、直线连杆机构与二维定位平台设计

直线连杆机构与二维定位平台设计

直线连杆机构在许多领域都有重要应用，但也存在一些缺点。直线连杆机构的直线输出运动与输出点相关，而且该点还会存在旋转问题。为了减少这种旋转，可添加平行四边形结构。

在微夹爪设计中，采用斯科特 - 拉塞尔（Scott - Russell）机构能在手指较大行程内实现近乎直线的平行夹爪运动。基于斯科特 - 拉塞尔直线机构的纳米定位机构，通常只有一个用于操作任务的移动轴，并且有特定的机械减速器/放大器来改变直线运动范围或力。

基于罗伯特（Robert）机构的二维定位平台，每个轴的工作范围大于 12 毫米，其定位平台的寄生运动相对于输入运动小于 1.7%。詹姆斯·瓦特（James Watt）发明的由三根杆组成的最简单直线连杆机构，所有杆通过转动关节连接，两个外侧杆长度相等且固定，较长杆的自由端由中间杆连接，中间杆的中点近似做直线运动。不过，由于该中点在运动过程中会旋转，且难以附加平行四边形来减少旋转，所以该机构在紧凑型柔顺装置设计中不常使用。

二维定位平台的设计

柔顺 X - Y 机构是许多定位和传感设备的基础。设计的一个重要条件是最小化寄生偏转，即末端平台的运动应准确反映驱动轴的运动，而在其他方向无位移/旋转。理想情况下，输入运动与端板运动之间的关系应表示为对角变换矩阵。

设计任务是为 X - Y 微定位台设计平面机构，其位移范围为±0.5 毫米，频率高达每秒 100 个运动周期，机构外部尺寸约为 20×20 毫米。采用 3D 打印技术构建模型/原型，对于直径为 0.25 毫米的喷嘴，建议铰链的最小弯曲厚度为 0.5 毫米，使用聚酰胺 PA2200 作为材料，其杨氏模量 E = 1650 MPa，屈服抗拉强度 ry = 48 MPa，设备由 PZT 执行器驱动。该机构应满足以下特点：
- 特定轴上的运动应最大程度解耦，即一个方向的输入/驱动位移对另一个方向的位移无影响或影响最小。
- 两个方向的参数和特性相同。
- 机构应在给定频率范围内工作，且位置/轨迹误差最小。

提出的运动学是杠杆机构和瓦特机构的组合，杠杆机构用于放大压电执行器的输入位移。计算时采用两侧圆形切口作为弯曲关节。首先需要计算特定关节的偏转角，由于整个机构对称，计算一条腿上的这些角度即可。

关节 1 到 2 和 2 到 3 之间的距离比大致决定了输入和输出位移之间的关系。根据运动学分析，关节 1 的旋转最大，其角度 h1 应小于 hMAX。

运动学配置	运动 x [mm]	交叉运动 y [mm]	交叉误差 x/y [%]	最大应力 [MPa]
a)	0.4814	0.0808	16.8064	13.707
b)	0.7416	0.0881	11.8836	15.617
c)	0.5300	0.0034	0.6507	15.599

通过有限元分析（FEM）对提出的机构进行优化，开发了多达 10 种具有不同刚性臂长度和弯曲铰链方向/旋转的二维定位台模型。比较三种修改变体的计算结果，案例 c）的中央正方形交叉位移误差最小，其寄生位移仅为驱动 x 轴位移的 0.65%。

当确定了机构的最终形式后，需要解决弯曲铰链中的应力分布问题。如果杠杆机构的尺寸不同，所有机构的铰链可能会受到类似的应力。

五杆机构在手指屈伸运动辅助中的优化设计

背景与需求

中风是一个全球性的公共卫生问题，在美国是导致长期残疾的主要原因。中风患者通常会出现上肢麻痹或无力的症状，康复过程中恢复手部功能对于患者重新融入日常生活至关重要。传统疗法中，手部和手腕的完全康复需要进行三种练习：开合手、抓握运动和手腕屈伸运动。手指的反复屈伸运动已被证明对恢复手部功能有显著效果，机器人辅助技术在肢体康复过程中具有很大的潜力。

手指康复设备现状

市场上有一些商业可用的手指康复设备，如 CyberGrasp、Hand of Hope、Gloreha 和 Amadeo 等，其中 Amadeo 在手指康复机器人辅助市场占主导地位，它使用一系列在平面上产生线性轨迹的机构来为手指提供屈伸运动辅助。

还有一些基于平面机构（非商业）的开发，如分别提出的十二杆、八杆、六杆和四杆单自由度外骨骼机构，以及一个由三个五杆机构组成的系统来活动五根手指，该系统分为用于拇指的一个机构、用于食指和中指的一个机构以及用于无名指和小指的另一个机构，所有五杆机构配置相同。

五杆机构康复设备设计

本文提出了一种基于五杆机构的创新手指康复设备，能够产生真实的屈伸轨迹。通过梯度优化方法解决最优设计问题，为五杆机构提供几何参数。

具体步骤如下：
1. 运动捕捉与轨迹获取 ：使用 Qualisys Track Manager 运动捕捉系统获取手指的真实轨迹，并使用 Matlab 进行处理。
2. 五杆机构运动学分析 ：对用于康复设备的五杆机构进行运动学分析，确定其运动特性。
3. 梯度优化设计 ：利用梯度优化方法，以实现手指屈伸运动轨迹的精确跟踪为目标，求解五杆机构的几何参数。

通过这种方式，可以设计出更符合手指实际运动需求的康复设备，为中风患者的手部康复提供更有效的辅助。

通过上述对直线连杆机构、二维定位平台以及五杆机构在手指康复设备中的设计分析，我们可以看到不同机构在不同领域的应用特点和设计要点，这些研究对于推动相关领域的技术发展具有重要意义。未来，还可以进一步验证分析和数值模型的结果与 3D 打印原型的一致性，以及不断优化康复设备的性能，提高患者的康复效果。

直线连杆机构与二维定位平台设计

直线连杆机构的应用与特点分析

为了更清晰地理解直线连杆机构的应用和特点，我们可以通过以下表格进行对比：
|机构名称|应用场景|优点|缺点|
| ---- | ---- | ---- | ---- |
|斯科特 - 拉塞尔机构|微夹爪设计、纳米定位机构|能实现较大行程内近乎直线的平行运动|只有一个移动轴，需特定减速器/放大器|
|罗伯特机构|二维定位平台|工作范围大，寄生运动小| - |
|瓦特机构|理论上可用于定位装置|结构简单|中点旋转问题难解决，不常用于紧凑型柔顺装置|

下面是一个简单的 mermaid 流程图，展示直线连杆机构在不同应用中的选择逻辑：

graph LR
    A[应用需求] --> B{是否需要大行程直线运动}
    B -->|是| C[斯科特 - 拉塞尔机构]
    B -->|否| D{是否为二维定位}
    D -->|是| E[罗伯特机构]
    D -->|否| F{对结构紧凑性要求高吗}
    F -->|是| G[不选瓦特机构]
    F -->|否| H[可考虑瓦特机构]

二维定位平台设计的关键要点

在二维定位平台的设计中，除了前面提到的要求外，还有一些关键要点需要注意：
- 材料选择 ：聚酰胺 PA2200 具有合适的杨氏模量和屈服抗拉强度，能满足一定的力学性能要求。但在实际应用中，还需考虑材料的成本、加工性能等因素。
- 运动解耦 ：为了实现特定轴上运动的最大程度解耦，可以采用一些特殊的结构设计或控制策略。例如，合理布置杠杆机构和瓦特机构的位置和参数，减少不同方向运动之间的相互影响。
- 频率特性 ：机构应在给定频率范围内工作，且位置/轨迹误差最小。这需要对机构的动力学特性进行深入分析，通过优化结构参数来提高机构的动态性能。

五杆机构在手指屈伸运动辅助中的优化设计

手指康复设备的性能评估

对于基于五杆机构的手指康复设备，性能评估是非常重要的。可以从以下几个方面进行评估：
|评估指标|含义|重要性|
| ---- | ---- | ---- |
|轨迹跟踪精度|设备产生的轨迹与手指真实屈伸轨迹的接近程度|直接影响康复效果|
|运动舒适性|患者使用设备时的舒适感受|影响患者的依从性|
|力传递效率|设备将驱动力有效地传递到手指的能力|关系到设备的能耗和康复效果|

下面是一个 mermaid 流程图，展示手指康复设备性能评估的流程：

graph LR
    A[设备设计完成] --> B[进行轨迹跟踪测试]
    B --> C{轨迹跟踪精度是否达标}
    C -->|是| D[进行运动舒适性测试]
    C -->|否| E[优化五杆机构参数]
    E --> B
    D --> F{运动舒适性是否达标}
    F -->|是| G[进行力传递效率测试]
    F -->|否| H[改进设备结构设计]
    H --> D
    G --> I{力传递效率是否达标}
    I -->|是| J[设备合格]
    I -->|否| K[调整驱动系统参数]
    K --> G

五杆机构优化设计的进一步探讨

在使用梯度优化方法求解五杆机构的几何参数时，还可以考虑以下因素：
- 多目标优化 ：除了实现手指屈伸运动轨迹的精确跟踪外，还可以将运动舒适性、力传递效率等因素纳入优化目标，进行多目标优化设计。
- 约束条件 ：在优化过程中，需要考虑一些约束条件，如机构的尺寸限制、关节的运动范围等，以确保设计的可行性。
- 鲁棒性设计 ：考虑到实际应用中可能存在的不确定性因素，如患者个体差异、设备制造误差等，进行鲁棒性设计，提高设备的可靠性和适应性。

通过对直线连杆机构、二维定位平台以及五杆机构在手指康复设备中的深入研究和分析，我们不仅了解了这些机构的设计原理和应用特点，还掌握了一些关键的设计方法和评估指标。这些知识和方法对于推动相关领域的技术发展，提高设备的性能和康复效果具有重要的指导意义。未来，随着科技的不断进步，我们有望看到更多更先进的机构设计和康复设备的出现，为人们的生活带来更多的便利和福祉。