参 考 文 献 31

1 绪论

1.1 研究目的

本文目的在于设计一种控制系统与驱动系统相对简单，能减轻部分对手指灵活度要求较低的手部工作造成的手指疲劳的机械外骨骼。

本文手指机械外骨骼的设计功能为在人手在进行三手指指关节出力的抓握动作，进行拎扒等手指中指节关节为主要出力的动作时进行辅助出力。设计尽可能追求轻便性与简约性，相对来说并不太重视灵活性与响应速度。由于气动柔性驱动器FPA[1]具有柔顺性与轻便性，出力稳定的特点，因此驱动方式选择基于FPA的气动驱动。在控制方面，由于指关节之间空间较小，不利于传感器的安装与接线，因此采用少量薄壁状按钮进行手动控制，这样便可以在保持轻量化和满足工作需要的时候，又能保持相对低技术成本与材料成本，便于改进与推广。

本手指机械外骨骼的设计的主要目是通过手指机械外骨骼的辅助出力来减轻人在长时间工作时手指的疲劳。本手指机械外骨骼的辅助工作主要为手指三指节关节同时出力的抓握动作，例如手握把手的长时间骑乘，手握登山镐爬山等需要握住带手柄的工具进行的工作，以及需要中指指节关节为主要出力指关节的手部动作，例如攀爬，拎等动作。

1.2  机械外骨骼研究现状

1.2.1 机械外骨骼概述

1.2.2 机械外骨骼研究现状

1.3机械外骨骼发展趋势

1.3.1 人机接口技术[9]

1.3.2 仿生机械结构技术

1.3.3  驱动机构技术

1.3.4  随动控制技术

1.4手指机械外骨骼发展现状

根据之前对机械外骨骼的研究现状的简述，我们不难看出，虽然国内外对机械外骨骼的研究多种多样，但绝大部分都是全身或者半身覆盖的外骨骼，辅助肩关节，肘关节，膝关节弯曲出力，人体关节密度最大的手部指关节的外骨骼研究少之又少。

但随着科技的进步，手部机械外骨骼的设计与实体制造也在近两年进入了人们的视野，其中最为知名的为NASA制造的手套外骨骼与vr游戏外骨骼。

NASA的外骨骼手套如图1.7所示，手套里有五个传感器，还有一个支撑架，可以模仿手和手指的动作。外骨骼承担了工具的一部分重量，它还带有一个轻量级的电池回路，挂在工人的腰部，为它提供电能。手套里的传感器功能类似于人的神经、肌肉和肌腱，把它们组合起来，可以为医疗业和制造业的人员提供更强大的握持力。

图1.8 EXiii的EXOS

日本公司EXiii公司准备研究的vr手部外骨骼EXOS如图1.8所示，其研究目的旨在寻找让用户更贴近虚拟现实体验的方法，在手部安装触觉反馈设备让我们在虚拟空间感受到自己的行动，当我们触摸不同对象，做出抓、推、拉等准确手势时，它们可以给予现实的反馈。

虽然最近NASA与一些大企业合力研究出了可以实时增强人握力的电动机械外骨骼，但其制作阵容即可看出其极高的技术复杂程度，在短时间内难以被大众所使用与研究；而另一个噱头较大的用于vr游戏技术的机械外骨骼，则是仅仅使人感受到其在vr影像中手部震动的虚拟感觉，加强游戏的浸入感，与机械外骨骼增强人体机能的最终的设计目的不符，因此严格意义上来说并不能称作机械外骨骼。

1.5手指机械外骨骼面临的问题

手部机械外骨骼的研究很少，其实是由多方面因素造成的。

首先，手指的指关节之间的空间太小，灵活度需求也是各个关节中最高的，这便要求了手指机械外骨骼在所有元件的选材方面必须小型化与轻量化，这对于采用通常采用电动驱动与液压驱动的机械外骨骼来说，是十分不利的。用轻量化材料的电动驱动，会使电机驱动出力小的缺陷进一步放大，而使用液压驱动则不可避免的会出现响应过慢的问题，电动驱动与液压驱动相结合进行驱动的话，结构势必会十分复杂，难以做到小型化与轻量化，即使做到，也会因为其高超技术造成的昂贵价格导致无法推广使用。