文摘
这项工作提出了一种低成本的假肢装置的设计肩膀关节脱落。适当的机制已经获得解决的设计原型,提出了7自由度。肩部运动是通过球面并联机构实现,肘部运动是由机构机制,手腕运动是由球面并联机构实现。为了执行一组动态仿真评估的功能设计。原型是使用3 d打印技术和实现低成本的驱动器。进行了实验评价”来形容这个设备。这项工作的结果是一个原型,重1350克,能够执行运动相关的日常生活活动。
1。介绍
的一个主要问题与假体设备的设计尽可能模仿人类的动作。已经证明了假肢的灵巧武器产量补偿运动,长期使用可能会导致伤害(1]。此外,低功能设备的缺乏导致患者上肢过度综合征(2]。此外,截肢越近,越高的利率是放弃假肢手臂(3];这主要是由于较低的功能和舒适。肩膀关节脱落显示发病率最低,所以低激励开发解决方案这个残疾的人,因此,很少有假肢设备设计(4]。肩膀的截肢涉及更多的自由度假肢装置的必要性,因此,系统的复杂性增加。
目前,一些商业解决方案存在不同程度的手臂截肢;其中,最先进的假肢是上肢可在市场人工机械手超,bebionic®v2的手,Contineo Multi-Grasp®,米开朗基罗®(5]。above-elbow截肢患者和肩部关节脱落是最困难的情况下接近;这是因为需要更多的功能段的假肢装置,其设计的难度增加。
我们所知,很少有相关研究工作已经开发的设计总上肢。设计由国防高级研究计划局(DARPA)[美国提出的6]。这是一个4.8公斤的设备有不同的配置,包括针对驱动的肩膀,肱骨旋转器,一个弯头,电池,已经被26自由度特征(包括手)。这个设备的复杂性,使得大多数人负担不起。
DEKA臂是一种最先进的上肢假肢(7]。不同截肢患者可以使用这个设备水平。这是一个项目由美国国防部高级研究计划局的结果。它显示了一个模块化的配置,可以适应不同截肢的水平。肩膀关节脱落的配置10自由度分布与六自由度手臂和四手重量为4.5公斤。这个假肢可以由不同的控制信号开关和肌电的信号,甚至与定向神经移植8]。
提出了一种7自由度仿生上肢(9]。此原型包括一个驱动与15自由度。这个设备是基于微分机制,两个电机之间的负载共享,允许使用更小的执行机构。这个系统的总重量是4.45公斤,这使得它大量使用了很长一段时间。
当前假肢手臂上的一项调查报告显示,这些解决方案通常设计自由度少于所需的。这些设计存在的局限性低功能和高体重。此外,最复杂的假臂,大多数人负担不起,被长期项目设计由美国军队。
考虑到之前,在这个工作中,我们提出一个光和easy-to-afford上肢假肢的人肩膀关节脱落,允许模仿一只手臂的运动通过一组规定轨迹。
2。假肢的设计
开放问题指的是上肢假肢功能和不适的缺乏是由于高体重和大部分的设备是无法负担的。
更多的功能细分的必要性提出了设备的肩膀关节脱落使假肢的机械设计的一个重要话题。原型开发的这项工作有7个自由度通过一个三自由度的肩膀,1-DOF肘部和三自由度手腕。一个初步设计,显示了机制的可行性提出了(10]。
3所示。肩设计
可用的空间分配的肩膀机制使肩膀的设计一个具有挑战性的任务,如果一个拟人化的形状是必需的。假的肩膀支持设备的整个结构;因此,最大的联合开发加载的肩膀。
肩膀机制建模为3-RRR-type球面并联机器人(图1)。这种机械手的空间合成进行了使用基于遗传算法的多目标优化[11]。
维合成后,从机械手的逆运动学,观察到的链接只机械手执行旋转的幅度小于90°。考虑这一点,它提出了包括一种机制以增加马达的扭矩施加的链接球形操纵者。
建议的机制来实现机械的优势是一个四杆机构,安装在设计解决方案。一个简略的优化过程进行了定义长度的关系。目标函数是最小化最大扭矩施加的马达。静态分析的四杆机构进行,如图2。
自由体图2一个方程可以发现,评估电动机的转矩()作为参数的函数的机制和转矩要求机械手()定义的任务。这可以建立 在哪里的系数矩阵是取决于链路长度和位置的机制, , 。
从先前的动态模拟11),和已知值。一种基于GA的优化进行了使用图的算法3。所选参数链接长度(l1,l2,l3,l4)。最初的200人口的元素是为了有一个广泛的多样性的元素,和最大迭代次数设置为100。
创建初始种群以随机的方式链接长度从1到10厘米。图4显示链接的进化优化过程中长度(左设在)。可以看出,在迭代收敛达到大约70人。图4显示了在优化过程中扭矩的演变(右设在)。这个过程被重复三个并联机械手的四肢;因此,得到了三种不同的四连杆机制。四连杆机构连接到平行机械手可以看到在图5。
(一)
(b)
4所示。弯头设计
肘部的弯曲伸缩的pronation-supination前臂可以建模为两个垂直转动关节系列,但在这个设计,pronation-supination手腕的运动。执行弯曲伸缩使用机构机制,可以分析两类四机制。在第一个机制的一部分,链接和c有相同的长度以及b和d(图的链接6(一))。在该机制中,链接的旋转c是一样的链接。链接b的旋转与曲率设计为了避免碰撞与外部假肢的一部分。第一个四连杆机构是由第二个(图6 (b))。这种机制是一个singularity-based四杆机构的建议(12]。作为输入机制的方法一个奇点,输出转矩增加。第一个链接是附着在致动器,第三个链接的链接是链接的一部分。第二个机制设计以这样一种方式,第三个链接的运动范围是90°;这样做是为了能够完成肘部弯曲伸缩运动。图形连杆综合应用(13]。这种设计允许将致动器附近的肩膀,就这样,减少转动惯量。
(一)
(b)
(c)
5。手腕设计
前臂pronation-supination,手腕弯曲伸缩和手腕ulnar-radial偏差实现通过一个球形机械手放在手腕。使用这种机制,因为分布加载到小型汽车可以安装在前臂结构(图7)。
简化,设计被认为是对称的体系结构并行机制。这意味着,机械手的上下金字塔是常规金字塔和定义的角度和和被定义为在14]。作为一个对称的机制、三条腿都是平等的,只有两个参数来定义。这些参数的角度每条腿的两个链接,和 。的灵巧和扭矩计算的值不同和从50°- 80,得出最合适的值的大小的链接 和 。
三个伺服电机放置在前臂。每个伺服驱动一个锥齿轮。有一个正时皮带的输出端齿轮。第二个正时皮带连接的传动杆件并联机械手的手腕(图8)。
根据(15),所需的手腕关节活动度(ROM)来执行不同的日常生活活动是40°手腕弯曲和扩展(每个)和40°的结合radial-ulnar偏差。这个ROM实现所选参数的手腕机制。
6。总体设计的假肢
拟议的机制是组装在一起在一个串行配置做出类似人类的上肢假肢,如图9,包括一个假肢手设计在前一个工作16]。肩膀给出了三自由度球形机械手的执行机构。肩膀的球形机制允许三个动作使用小型汽车。机械手的终端执行器附加到前臂结构通过一个盘子。致动器驱动肘是放置在前臂的近端部分。描述设计,假肢器官可以由一个人形大小。在假肢,有足够的空间放置电池和控制系统。
7所示。数值评估
使用软件MSC。亚当斯®,为了执行一组动态仿真评估机制上的致动器和力之间的关系和由此产生的加速度,速度和运动轨迹。ABS密度为1020公斤/米3被认为是元素的假肢。臂内的致动器的权重考虑。在肩膀的关节机制的原型,深沟球轴承,所以摩擦系数被认为是0.0015 (SKF, 2017)。在剩余的关节,使用螺栓组装完成,所以摩擦系数被认为是0.1。
评价原型,模拟定义如下:测试我,肱骨从−20°- 90°弯曲肘部扩展和负载的5 N(图10 ());测试二世,屈肘从0°- 90°的臂在垂直位置和负载5 N(图10 (b));的弯曲和测试第三−40°40°的手腕和肘部弯曲在90°(图10 (c))。
(一)
(b)
(c)
在两种不同情况下执行测试我。在第一种情况下,使用提出的实验进行了四杆机构连接到平行机械手和2 s的时间,和在第二种情况下,它是直接驱动并联机械手执行的。这两种情况下比较显示四杆的实现机制的性能。
第一个案例在测试我,肩膀执行肱弯曲所需电机扭矩计算(图(11日))。从情节可以看出,最大扭矩几乎是1.25海里。手臂交叉垂直时,扭矩达到最小值。随着运动的继续,扭矩增加顺利,直到他们达到最大值,然后下降运动。角位移、角速度和角加速度的致动器进行评估(数字11 (b)- - - - - -11 (d))。可以看出,汽车显示平稳运动。第一和第三的运动范围的汽车大约是200°,第二马达旋转160°。有一个瞬间,电机2停止然后改变旋转方向。在整个运动,角加速度低到最后阶段的运动,电机2展览一个巨大的加速度。机械动力计算的转矩和角速度的乘积(图11 (e))。可以看出,附近的最大力量是由电动机2运动的结束与4 W的值。对于肘关节,尽管这个测试没有这个关节的运动,保持肘部扩展所需的扭矩变化沿着任务几乎从0到0.25纳米(图11 (f))。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
第二个案例在测试我,直接并联机械手驱动时,所需的扭矩增加,最大扭矩是大约2.1 Nm,大约60%以上的最高扭矩情况下(图12(一个))。对于这种情况,最大功率是由电机2的情况下,最大值为2.9 W(图12 (b))。这个值小于在第一种情况下,这可以解释由于摩擦在四杆机构认为,以防。
(一)
(b)
在测试II中,我们评估所需的扭矩肘部致动器进行弯曲,手臂垂直位置。在肘部的运动仍在继续,扭矩增加,直到达到最大值1.5 Nm;然后这个值降低的四杆机构肘部达到奇异位置(图(13日)(左)设在)。功率的最大值为3.1 W(图(13日),对吧设在)。在运动的开始和结束时,功率很低因为所需的扭矩也低。角速度(左设在)和角加速度(右设在)肘致动器在这个运动的跟随一个正弦波(图13 (b))。
(一)
(b)
手腕的功能评估期间测试三世。在该测试中,随着负载达到运动的中点,手腕是最大的杠杆臂,增加扭矩的最大值0.45 Nm;然后减少到达最终位置(图(14日))。角位移、角速度和角加速度的汽车提供一个光滑的行为,和最大射程大约70°(数字14 (b)- - - - - -14 (d))。电源开发的手腕汽车测试期间III的最大值为0.42 W和由电机1(图14 (e))。在开始和结束的运动,接近0。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
8。原型建设和实验验证
实验室原型的假肢使用3 d打印机Stratasys公司建于1200®维度。ABS材料。并联机械手的肩膀,三个齿轮马达。这种电动机工作在12 V,变速箱的额定转矩是20公斤厘米。在肩膀的关节机制,球轴承688 zz(8×16×5毫米)。肘部与伺服电动机驱动模型pdi - 6221毫克。这是一个数字伺服电动机的失速扭矩20公斤厘米。三个MG996R伺服电机用于驱动手腕。这些伺服电机失速扭矩10公斤厘米。表1总结了原型的组件的成本。
肘部电动机在前臂的近端部分(图(15日))。由于其减少的大小,它可以很容易地安装在手臂,包括四杆机构(图15 (b))。手腕马达安装在前臂(图15 (c)使用锥齿轮)和开动手腕。
(一)
(b)
(c)
前一个元素和一个假肢手聚集在一起形成了假肢(图16)。
(一)
(b)
(c)
arm-forearm-hand设置的重量是960克,和肩膀的重量是700克。因此,设备的总重量是1660克,比真正的手臂,轻。比较目前的设计和先进的解决方案之间的特征存在于表中2。
两个动作的原型实验评估。第一乐章的弯曲肘部,第二乐章是肱弯曲。
的动作,电动机的电流使用ACS712电流传感器测量。这个传感器,基于线性霍尔传感器,能够测量从0到5安培。低偏移可以使用它没有前校准和只使用输出的增益(185 mV / A)。gy - 87 IMU传感器是用来测量角速度和姿态的前臂屈肘和手臂在肱骨的方向弯曲。乌兹别克斯坦伊斯兰运动在前臂部分的原型。陀螺仪是测量的校准阅读抵消在每个轴而IMU不动。加速度计校准使用报告的过程(17]。校准后,角速度测量用传感器的增益和方向是通过执行一个传感器融合计算卡尔曼滤波器(18]。数据是通过使用一个Arduino大型50赫兹的频率。
考虑到伺服试图达到其最终位置尽可能快,一个子程序是程序以发送媒介位置伺服电动机,以这种方式,速度降低到一个适当的水平。这是执行速度大约相当于10%和50%的最大运行速度(0.16 s / 60°),即速度和速度B, C和速度分别为最大速度。
9。实验结果
肘部弯曲了在三个不同的速度。第一个实验是速度,速度B,第二和第三个实验电机的速度的100%。6 V提供的电机是在实验。可以看出,前臂不达到水平位置(图17)。这可能是起源于四杆的刚度降低的链接机制。
第一个实验的结果的显示速度运动的开始,有一个峰值功耗的电流(图2(18日))。随着运动的继续,电流降低到0.7的平均价值。当前的突然减少可能是由于奇异位置的机制在运动的开始;那么当前消费随着杠杆臂的增加而上升的运动仍在继续。中间的杠杆臂达到极限的运动,然后减少像当前一样。考虑到提供的电压6 V,功耗计算。最大角速度是20°/ s,和运动的持续时间大约是3.6年代太长代表的自然运动肘(图18 (b))。从图18 (c)可以看出,前臂的运动遵循线性函数。运动的范围大约是65°;因此,整个屈肘仍未完成。
(一)
(b)
(c)
(d)
当实验的速度设置速度,平均电流增加到1.5(图(18日))。这代表了几乎220%的当前10%的速度。可以看出,在最初的高峰之后,在当前急剧下降,因为奇点的机制。当速度增加,功耗有明显上升,显示的最大消费9 W。运动过程中所产生的最大角速度是85°/ s,并达到运动的中点(图18 (b))。从图18日(d)可以看出,在1.6秒到达最终位置;这是减少超过100%的时间比先前的实验。这对于一个手肘任务持续时间是可以接受的。
当速度设置为100%,平均电流(图1.6左右(18日))。知道供给电机的电压6 V,功耗,在这种情况下,大约是9.5 W。在这种情况下,最大角速度是110°/ s(图18 (b))。可以看出,持续时间小于1.1秒。
肘部的评价机制后,肩膀与原型进行弯曲(图19)。可以看出,在这种情况下,手臂不达到水平位置但运动的范围约为90°。
在这个实验中,角速度是缓慢的,有一个10°/ s值和持续时间8.5秒(图的运动20(一个))。可以看出,在运动的开始,有一个更高的峰值在当前电动机2(图20 (b))。这个运动所需的最大平均电流为0.3 A。
(一)
(b)
实验验证表明,该模型能够执行动作减少功耗,但一些元素的设备必须由不同的材料制成的,以有足够的强度承受负载和不影响的操作机制。
10。结论
在这种工作,一个新人类低成本的假肢设计。这个设备是由一个三自由度并联机械手的肩膀,手肘一个自由度的机构机制,和一个三自由度球形机械手的手腕,这是连接在一个串行架构。肩膀的球形机械手允许共享负载,因此,所需的转矩和电机的功耗低于在其他解决方案。使用小型汽车的好处是:它的重量很低,可以创建一个设计降低成本和更容易负担得起比现有的解决方案。肩膀机制可以把手肘靠近肩膀的致动器,并通过这种方式,减少惯性影响,常见的解决方案相比,肘部与大汽车放在肘部动作。这种机制允许锁定的合成时肘部完全伸展或弯曲;的消费肘致动器可以减少在这些共同立场。手腕运动机制有一个合适的范围内执行ADLs使用小型致动器。的选择机制可以有一个原型的总重量1350克,不包括手。这个重量低于人类手臂的平均体重约5公斤。 The numerical and experimental evaluations show that the prototype can perform natural movements of the human arm.
尽管这个设备被证明的可行性,需要做进一步的工作:这包括执行结构分析,以确定最合适的材料和尺寸的主要元素假肢旨在保证其结构完整性,必须解决柔性关节的实现为用户提高安全,并建立一个适当的控制方案为这个设备是必需的。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究支持了CONACYT项目fc2016 - 1961“Neurociencia Computacional: de la teoria al desarrollo de sistema neuromorficos。”