机械设计大赛说明书可穿戴式机械手.docx
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机械设计大赛说明书可穿戴式机械手
种可协助老年人抓取的
可穿戴机械手
参赛单位:
团队负责人:
作品简介-1-
1设计背景及意义-2-
2一种可协助老年人抓取的可穿戴机械手设计方案-3-
2.1拟合指关节运动设计-3-
2.2多自由度设计-4-
2.2.1手指多自由度设计-4-
2.2.2手腕多自由度设计-4-
2.3双曲柄滑块的应用-7-
2.4薄膜式压力传感器的应用-7-
2.5多万向节的串联使用-7-
2.6欠驱机构-8-
2.7降自由度设计-8-
2.8假肢机器人功能-9-
3一种可协助老年人抓取的可穿戴机械手设计计算-10-
3.1双等腰梯形结构尺寸设计计算-10-
3.2双曲柄滑块机构尺寸设计计算-10-
4一种可协助老年人抓取的可穿戴机械手工作方式-12-
4.1单根手指的运动方式-12-
4.2机械手的整体工作方式-13-
5成本核算-14-
6发展前景-15-
7模型展示-16-
8实物展示-18-
9参考文献-18-
作品简介
摘要
“一种可协助老年人抓取的可穿戴机械手”(以下简称“设计”)为一种辅助老年人日
常手部运动的可穿戴装置,装置可分为手腕部分,手背部分,手指部分以及驱动部分。
每根手指的形态设计皆拟合正常人手进行设计,且每段“关节”都可进行微调以适应不同老年
人的手指长度。
每根手指都进行仿生物学设计,完美贴合人体骨骼构造,同时内部覆以柔性材质,使
老年人佩戴起来更加舒适。
我们通过对人体手指整体运动的观察和分析,提取出在自然状态下单根手指的相邻关节
之间的夹角可看做近似相等。
于是采用双等腰梯形的杆机构的设计,使得在只有一个动力源
的情况下可控制整根手指的运动,为了满足手部运动的真实性,在手腕处采用了球头连杆、
指根设计将万向球与特形滑块结合,使该“设计”的自由度与人体手部自由度的相等,符合
人体手部的运动习惯。
同时该“设计”具备降自由度设计,降低自由度后,可在一定程度上
缓解老人手部颤抖所带来的问题。
在每根手指后方的手背连杆上应用了双曲柄滑块机构,可通过曲柄运动控制手指的张握
运动,同时由于每根手指之间并非平行排列,为了实现一个动力同时控制五根手指的设想,
采用多个万向联轴器的串联,由电机控制,可实现多个方向的力传递。
当老年人需要抓取物体时,将手摆放到相应位置,启动电机,可控制机械手的手指握紧,
从而带动老年人手指合紧,使老年人牢靠的握住想要拿取的物体。
同时整体装置采用了欠驱机构,仅对手指来说有三个自由度,一个动力来源,当老人抓
取不规则物体时,使得手指会自适应的贴合物体轮廓,最大限度保证了整体抓取的稳定性和
安全性,且可以拿取碗、勺子、筷子、扫把、水杯、水果等物体。
手腕部分采用三层结构,外壳,柔性层,固定层,在保证其牢固性的同时又可以减小对
手摩擦,在拆卸以及佩戴过程中采用柔软材质贴合肌肤,具有一定的透气性,进一步提高了
整体舒适性,又增加了其安全性,避免老人的手腕受伤。
关键词:
助老手部外骨骼欠驱机构双曲柄滑块机构串联式万向联轴器
1设计背景及意义
随着老年人身体的衰弱,手部力量明显下降,没办法去适应日常生活,甚至在喝水、吃
饭这种日常小事上会遭遇麻烦,而我们设计的“一种可协助老年人抓取的可穿戴机械手”(以
下简称“设计”)可在一定程度上帮助老年人克服这一难题。
据调查,市场上暂无可以直接提高老年人手部抓握力的产品,而例如握力球等产品,是
通过一定的训练来帮助老人恢复抓握力,但这样不仅见效慢且不能有效的提高老年人的抓握
力。
而该“设计”可以在短时间内迅速大幅度提高抓握力,且起到随时随地随用的效果。
该“设计”整体可分为四大部分:
手腕部分,手背部分,手指部分以及驱动部分。
我们
将手背简化为五条连接手腕末端与手指根部的球头连杆机构,根据手背血管确定出球头连杆
机构的长度以及安装位置,并在手腕末端相应位置设立转动机构,使手背可以绕手腕进行个
方向的转动。
当老年人需要抓取物体时,将手摆放到相应位置,启动电机,可控制机械手的手指握紧,
从而带动老年人手指合紧,使老年人牢靠的握住想要拿取的物体,当电机断开后,作为日用
外骨骼的时候,在平时不影响使用者正常活动。
面向手抖的老年人时,只需要在上述几个活动关节点减少自由度,可以给患有帕金森综
合征或一些因为其他疾病导致手抖的老年人使用,即可实现通过外力来减缓手抖的幅度,使
患者在一定程度上可以稳定的完成一些行动,比如吃饭、倒水等行为。
同时在手腕部分采用三层结构,外壳,柔性层,固定层,在保证其牢固性的同时又可以
减小对手摩擦,在拆卸以及佩戴过程中采用柔软材质贴合肌肤,具有一定的透气性,进一步
提高了整体舒适性,又增加了其安全性,避免老人的手腕受伤。
该“设计”通过智能控制与精巧的机械结构相结合,使老年人的使用感更好、使用更安
全、更便捷、更智能化,并且结构简单、维护方便,能很好的缓解老人手部无力,手部颤抖
等问题,适合大批量投入生产,具有社会效益和经济效益!
2一种可协助老年人抓取的可穿戴机械手设计方案
2.1拟合指关节运动设计
通过对人体手指整体运动的观察和分析,提取出在自然状态下单根手指的相邻关节之间的夹角可看做近似相等。
以食指设计为例,三段指关节与手背分为四个部分,每相邻的三个部分当做一个运动环节,根据上述运动特点,我们采用等腰梯形的结构来实现,使每个环节为以其中两不相邻部分为腰的等腰梯形,如图1所示,通过反向延长指关节,通过滑块与杆之间的设计,在手指外侧形成等腰梯形结构,将整根食指运动简化为两个联动的等腰梯形运动,使得手指在运动的过程中可以保证相邻关节之间的夹角相等,且无自相干涉。
2.2多自由度设计
2.2.1手指多自由度设计
为了更贴近真人手指的运动方式,在指根与手背的连接处采用了如图3所示的万向球与
滑块结合后具有类骨节体性质的特殊结构体,使得手指根部以及由手指根部带动的其它关节
可以绕手背末端进行多个方向的自由转动,如图4所示,使整根手指以及外部结构始终在同一平面内,保证了手指运动的灵活性和稳定性。
图3
图4
2.2.2手腕多自由度设计
在手背与手腕的连接处采用了球头连杆机构,如图5、图6,使得手背,可绕手腕处做圆周运动,符合正常人手的运动方式。
图5
图6
2.3双曲柄滑块的应用
如图7,通过双曲柄滑块机构的应用,首先可将不整周或整周的回转运动转换为往复移动,同时可将在手腕处的动力源传递到手指的指根部,从而通过电机控制手指的张握。
图7
以食指运动为例,在手背与腕部的夹角一定时,通过曲柄的转动,可通过双曲柄滑块机
构推动指根末端的受力杆,进而带动手指握紧,如图8,图9为曲柄初始状态下与运动状态
卜手指的形态,同时在滑块中间设置有弹簧提供缓冲力
图8
图8
2.4薄膜式压力传感器的应用
通过手指内部多个薄膜式压力传感器的应用,可识别当前握力水平,做到精准控制手掌张握的角度和位置,使速度变化平缓,在使用时更加稳定和安全。
2.5多万向节的串联使用
利用万向联轴器的结构特点,在两轴存在轴线夹角的情况下能实现所联接的两轴连续回转,并可靠地传递转矩和运动。
在“一种可协助老年人抓取的可穿戴机械手”的设计中,将多个万向联轴器和光轴的用连,其中一端与手腕右侧固定的电机轴相连,另一端与手腕另一侧的大拇指的曲柄相连,如图9所示,这样便可做到在只使用一个动力源的情况下,对五根手指皆有稳定的输出。
图9
2.6欠驱机构
欠驱动系统是输入比要控制的量少的一类典型系统,欠驱动控制算法可以起到容错控制
的作用。
由于我们无法对所有的抓握对象进行即时受力分析,所以“一种可协助老年人抓取
的可穿戴机械手”使用欠驱机构可以使机械手指指节自行拟合物体的形状,进而可以抓起形
状不同的物体,例如:
碗、勺子、筷子、扫把、水杯等不规则物体,增强该“设计”的实用
性和普适性。
2.7降自由度设计
我们通过降低“一种可协助老年人抓取的可穿戴机械手”的自由度来限制使用者的手部
自由度,可以给患有帕金森综合征或一些因为其他疾病导致手抖的患者使用,并且可以通过
增大关节处的阻尼,以达到利用外力来减缓手抖幅度的设想,且不影响正常手指的张握运动,
使患者在一定程度上可以自主完成一些动作。
2.8假肢机器人功能
我们设计的“一种可协助老年人抓取的可穿戴机械手”在去掉驱动部分后,任然可实现
独立手指的伸展和蜷缩以及摆动等基本运动,可接替原有关节的运动功能,完美贴合人体骨
骼构造,在不需要外部动力的情况下,便能具有较高的人体仿真程度,能够拿捏不同体积、
不同材质的物品;能够进行羽毛球、乒乓球等运动;同时具有如打字、写字等人体高仿真的
功能,具有极强的应用性。
并且我们设计的““一种可协助老年人抓取的可穿戴机械手””可适配不同的残疾状况,
不需要进行专门的订做,极大降低了使用和制作成本,使用更加方便,具有良好的应用前途,
有替代原有医疗方式的趋势。
3一种可协助老年人抓取的可穿戴机械手设计计算
3.1双等腰梯形结构尺寸设计计算
将手指部分的结构简化为机械构件形式,由于单个手指结构相同,所以仅给出如图10右
如图所示,手指机构的简化机构中共有7个构件,根据机构自由度计算公式。
尸=3112巳一2号
得F=7X3-2X10-0=1=原动件数
所以机构有确定的运动。
在设计中,等腰梯形的腰长设计尤为关键,为了计算出腰长,提取出如图10左侧所示的的直角三角形ABC,其中AB长即为等腰梯形的腰长。
其中给定BC最大变化长度为15mm,/A的最大变化度数为82°。
则有:
ABBCsin(82)150.99015.2mm
所以AB合理的设计长度为15.2mm。
3.2双曲柄滑块机构尺寸设计计算
为了设计出曲柄滑块的运动极限长度,将双曲柄滑块机构简化为图11所示机构
图11偏心曲柄滑块机构简图
以食指设计为例,其中给定
DE长度为25mm,给定EG的长度为80mm,为了机构的运
动稳定性,给定曲柄的转动角/
EDF的角度变化范围为35°~100°,且D、G两点的垂直高
度差为10mm。
则D、G两点的水平距离为:
LDGmin
DEcos
LGmax
DEcos
(35)Teg(105)Teg
2(DEsin(35)10)296.7mm
2(DEsin(105)10)65.9mm
即滑块
G的活动范围在0~31mm内。
4一种可协助老年人抓取的可穿戴机械手工作方式
4.1单根手指的运动方式
图12、13为单根手指的结构正视图。
其中1为手背球头连杆,2为指套,3为指根杆,4为指中杆,5为指尖杆,6为等腰梯形机构,7为球头滑杆机构。
1和3通过7进行连接,当3绕7的转动中心向内转动时,由于6机构的存在,使4、5随着
图13
4.2机械手的整体工作方式
图14为一种可协助老年人抓取的机械手的整体结构图,其中8为手腕,9为串联万向联轴器,10为大拇指,11为食指,12为小拇指,13为无名指,14为中指,15为受力推杆,16为滑块,17为电机。
穿戴时,将8戴在手腕部,7戴在手指部即可,使用时,通过17带动9转动,通过9带动曲柄滑块机构的16向前滑动,当16与15接触时,会推动15进行圆周运动,从而带动11做上节所述运动,其余10、12、13、14的运动方式同11,10、11、12、13、14同步运动,可实现五根手指的张握。
图14
5成本核算
1丁P
品名
单价/元
数量/个
总价/元
1
运动护腕
30
1
30
2
舵机
80
1
80
3
舵机支架
15
1
15
4
舵机盘
4
2
8
5
万向联轴器
10
4
40
6
3mm光轴1m
20
2
40
7
球头连杆
9
12
108
8
伸缩天线
7
12
84
9
3mm定位销
0.4
100
40
10
3mm铝板30cmX40cm
30
2
60
11
3mm透明亚克力30cmX40cm
20
2
40
12
5号电池盒
42
1
84
13
5号电池
4
8
32
14
控制板
30
1
30
15
粘扣2米
20
1
20
16
薄膜式压力传感器
15
5
75
17
额外电子元件
78
1
78
18
502胶
7
5
35
19
AB胶
20
2
40
20
加工费及耗材
120
1
120
金额总计
1081元
6发展前景
近几年,随着社会老龄化的发展,城市生活压力越来越大,年轻人很少能够陪伴在老人
身边,随着独居老人的增多,随之而来的就是老人生活能力的不足带来的日常生活质量降低,
老人生活问题成为各个城市面临的一大难题。
随着老年人身体的衰弱,手部力量明显下降,没办法去适应日常生活,甚至在喝水、吃
饭这种日常小事上会遭遇麻烦,而我们设计的“一种可协助老年人抓取的可穿戴机械手”(以
下简称“设计”)可在一定程度上帮助老年人克服这一难题。
据调查,市场上暂无可以直接提高老年人手部抓握力的产品,而例如握力球等产品,是
通过一定的训练来帮助老人恢复抓握力,但这样不仅见效慢且不能有效的提高老年人的抓握
力。
而该“设计”可以在短时间内迅速大幅度提高抓握力,且起到随时随地随用的效果。
该“设计”通过智能控制与机械结构相结合,拥有佩戴舒适、普适性高、设计合理、使
用安全、操作便捷等优点并且结构简单、维护方便,适合各性别人士使用,能很好的缓解老
人生活自理问题。
同时该“设计”通过简单的改变可用来解决残疾人手部缺陷问题,在不需要外部动力的
情况下,通过指根控制能够拿捏不同体积、不同材质的物品;能够进行羽毛球、乒乓球等运
动;同时具有如打字、写字等人体高仿真的功能,具有极强的应用性。
同时,可以通过限制该“设计”的自由度限制来限制使用者的手指自由度,可以给患有
帕金森综合征或一些因为其他疾病导致手抖的患者使用,以达到利用外力来减缓手抖幅度的
设想,且不影响正常手指的张握运动,使患者在一定程度上可以自主完成一些动作。
该“设计”通过智能控制与精巧的机械结构相结合,使老年人的使用感更好、使用更安
全、更便捷、更智能化,并且结构简单、维护方便,能很好的缓解老人手部无力,手部颤抖
等问题,对于解决我国城市发展过程中老年人自主生活有着举足轻重的作用,适合大批量投
入生产,具有社会效益和经济效益!
7模型展示
8实物展示
9参考文献
[1]唐力.握力薄弱对老年人来说意味着什么?
[J].心血管病防治知识(科普版),2018(01):
20.
[2]刘源.人手抓取运动解析及姿势协同仿人手研究[D].哈尔滨工业大学,2018.
[3]刘明进.人手抓握运动规律及其在机器人仿人手设计中的应用[D].华中科技大学,2017.
[4]温礼刚.一种齿轮—腱欠驱式三指灵巧手的研制[D].大连理工大学,2017.
[5]苏衍宇.欠驱动机械手及其抓取方法的研究[D].哈尔滨工业大学,2015.
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