[论文解读] Design and Kinematic Optimization of a Novel Underactuated Robotic Hand Exoskeleton

Mine Saraç, Massimiliano Solazzi+3 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2020

Stroke Rehabilitation and Recovery参考文献 16被引用 37

一句话总结

本论文提出一种新型的单线性执行器驱动、关节连杆式手部外骨骼，针对每根手指各自一个线性执行器，分析其运动学与静力学，并优化连杆长度以最大化力传递和抓取适应性。

ABSTRACT

This study presents the design and the kinematic optimization of a novel, underactuated, linkage-based robotic hand exoskeleton to assist users in performing grasping tasks. The device has been designed to apply only normal forces to the finger phalanges during flexion/extension of the fingers, while providing automatic adaptability for different finger sizes. Thus, the easiness of the attachment to the user's fingers and better comfort have been ensured. The analyses of the device kinematic pose, statics, and stability of grasp have been performed. These analyses have been used to optimize the link lengths of the mechanism, ensuring that a reasonable range of motion is satisfied while maximizing the force transmission on the finger joints. Finally, the usability of a prototype with multiple fingers has been tested during grasping tasks with different objects.

研究动机与目标

• 引入一种平面、欠驱动的手部外骨骼，仅对手指指节施加法线力。
• 在不需要机械调整的情况下，确保自动适应不同手指尺寸和抓握形状。
• 分析姿态、静力学和抓握稳定性，以优化连杆长度实现高力传递。
• 通过多指原型演示可行性，并评估对各种物体的抓取。

提出的方法

• 将手指建模为平面开链，排除拇指的内外收。
• 在手指指节上连接被动滑块，并用单个线性执行器驱动每根手指部件。
• 利用四个独立的向量回路进行姿态分析，以从手指姿态和执行器位移得到唯一配置。
• 推导微分运动学雅可比矩阵，将执行器速度与测量速度关联到手指关节速度。
• 通过逆雅可比矩阵转置进行静态抓取分析，将执行器力转化为手指关节力矩。
• 通过带有敏感性分析的约束穷举搜索来优化连杆长度，以在满足关节范围和安全比的前提下最大化综合扭矩指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 欠驱动的连杆式手部外骨骼在抓握过程中如何实现对指节的稳定、垂直力传递？
• RQ2 哪种连杆长度配置在保持不同手指尺寸的自然关节范围的同时，能够最大化力传递？
• RQ3 是否每根手指一个执行器即可在不同形状和尺寸的物体上实现自然的抓握？
• RQ4 为了确保所提出设备的安全有效抓握，需要哪些运动学与静态约束？

主要发现

• 优化后的多指外骨骼实现了逼真的手指关节范围：食指MCP 0–80°，PIP 0–90°。
• 灵敏度分析确定六个关键连杆长度（EJ、CI、EF、ED、CD、BC）对性能影响最大。
• 带约束的穷举搜索使性能指标p比初始配置提高约50%。
• 原型食指实现通过3D打印获得最大屈伸配置。
• 该设计可适配小、中、大手型，表明具有广泛可用性。