用于肌肉电信号控制的仿生机械手设计与仿真刘乐远闫炳成黄经纬李敏魏德轩摘要：针对肌肉电信号（EMG）控制假手的需求，介绍了一种仿生机械手的设计和控制仿真。此机械手优势在于关节和手指尺寸完全还原真实人手的大小。首先，在多自由度的基础上，建立了五指的运动学模型并求出其运动学正解和逆解。然后，通过仿真来验证其运动学解的正确性，从而为仿生机械手的运动轨迹规划和进一步的控制提供了理论依据。最后，简要说明了肌肉电信号如何实现对仿生机械手的运动控制。关键词：肌电信号;仿生机械手;运动学;运动仿真：2095-2163（2021）03-0048-04：TP24文献标志码：A【Abstract】Aimingatthedemandofelectromuscularsignal（EMG）tocontrolartificialhand，thispaperintroducesthedesignandcontrolsimulationofabionicmanipulator.Thismanipulatorismainlybasedonthedesignoffingersandjoints，anditcancompleteavarietyofgestures.Theadvantageisthatthesizeofjointsandfingerscompletelyrestorethesizeofrealhands.Firstly，thekinematicsmodelofthefivefingersisestablishedonthebasisofmultipledegreesoffreedomandthekinematicsforwardsolutionandinversesolutionareobtained.Then，thecorrectnessofthekinematicssolutionisverifiedbysimulation，whichprovidesthetheoreticalbasisforthemotiontrajectoryplanningandfurthercontrolofthebionicmanipulator.Finally，thepaperbrieflyexplainshowtorealizethemotioncontrolofthebiomimeticmanipulatorbymuscleelectricalsignal.【Keywords】EMG;bionicmanipulator;kinematics;motionsimulation0引言隨着科技的进步，工业等方面的机械化飞速发展。其中，机械手的应用越来越广泛。机械手的分类大致可分为工业用机械手和假肢用机械手。假肢用机械手又可叫做仿生机械手[1]，近年来国内外学者对其的研究也日趋深入。如崔鹏等人[2]采用腱传动式仿生机械手取代了简单的夹具，提高了末端执行器的适应性。南卓江等人[3]研发了一种质量轻且具有良好柔顺性、灵巧性的仿生机械手。随着信号采集技术的日益发展，通过采集到的生物电信号实现运动控制正成为一种趋势。如王宏等人[4]提出的一种基于肌肉电信号控制的假肢用机械手的设计，为机械手控制问题提供了理论依据。刘帅等人[5]利用ADAMS软件建立仿生机械手的虚拟样机。李振浩等人[6]通过ADAMS进一步对仿生机械手进行运动学仿真分析。吕美凤等人[7]针对机械手运动过程中的运动轨迹进行了研究分析。而对于更多自由度的机械手研究，适合更加复杂的运动。侯歆岩[8]对5R机械臂进行坐标建模并确定其连杆参数。同样地，周睿等人[9]也对一种5自由度机械手进行了运动学分析。陈珂等人[10]对六自由度机械手进行了ANSYS静力学仿真。王卫兵等人[11]对六轴机械手进行运动学分析，并进行仿真实验。仿生机械手的设计和分析，能够为后续的肌电输入控制做准备。1仿生机械手结构及参数建立仿生机械手的模型，拇指具有2个关节，食指、中指、无名指、小指都具有3个关节。因此，在solidworks中的机械手模型具有14个自由度。机械手结构简图如图1所示，除拇指外其余四指均含有3个臂，拇指含有2个臂，以手掌对称轴与拇指轴线相交处建立机械手的世界坐标系xyz。在图1中，a、b、c分别为20.785mm、12.5mm、39.1315mm，a为关节Oi在x方向距离世界坐标系的距离，b为四指间距离。具体参数见表1。2运动学分析由于除拇指外其余四指的运动学具有相似性，因此先对四指进行运动学分析。利用图1机械手在H方向视图，可将四指简化为如图2所示的结构，其中Oi（i=1～4）分别为四指与手掌的连接的关节，角度为θi1（i=1～4），Ai和Bi（i=1～4）分别为四指中间的两关节，角度分别为θi2和θi3（i=1～4），Ci（i=1～4）分别为四指的指尖，以各个关节及指尖分别建立坐标系，如图2所示。通过D-H参数计算方法获得机械手四指D-H参数表，见表2。利用机械手在K方向视图，可得拇指简化图，如图3所示。在世界坐标系下O5的坐标为（0，0，-c）。其中，O5表示拇指与手掌的连接的关节，θ51表示角度，A5表示拇指中间关节，θ52表示角度，B5表示拇指...