郑建忠
揭阳市残疾人辅助器具服务中心 广东省揭阳市 522000
摘要：随着当前科技的发展，机械技术也在不断的发展，已经取得了长足的发展，其中肌电控制下的柔性仿人灵巧手的研究在当前的很多领域得到了广泛的应用，尤其是对于康复医学的方面，使用这样的技术能够有效模拟人手的功能，从而保证残疾人的使用，因此对当前的医疗来说有着非常重要的意义，在这样的情况下，如何进行肌电控制下的柔性仿人灵巧手的研究，就成为了当前的重点内容，本文主要对此进行分析，希望对相关从业者有一定的参考。
关键词：肌电控制；柔性仿人灵巧手；研究
引言：肌电控制仿人灵巧手对于残疾人员来说有着重要的意义，在实际的使用过程中，需要涉及到非常多的内容，包括机械结构的相关知识，同时还需要仿真分析、通信信号以及生物技术等多个领域。本身有着非常高的技术门槛，在使用的时候，可以和人手有较强的相似度，因此可以达到很好的使用效果，对于残疾人员来说，可以帮助人完成以往相对难以完成的工作，从而更好发挥自身的价值，因此在当前的使用之中，有着非常强的社会潜力，也是未来的重点目标以及内容，所以在当前的社会中受到了较为广泛的关注。
一、肌电控制与仿人灵巧手概述
收缩肌肉时，皮肤表面会产生一种电生理信号这就是肌电信号。肌电信号的产生过程是这样的：大脑运动皮层产生动作电位，经由脊髓及周围神经系统到达肌肉纤维，最后经过皮肤的低通滤波作用，在皮肤表面形成电势场。从而对电势场进行转化，完成一些输入动作，在当前的仿人手制作的过程中，通过对肌电控制的利用，从而让灵巧手能够有效契合当前的使用效果，进而完成既定的工作。
智能材料或柔性材料通常被用作柔性灵巧手的主要成分。 在该应用程序中，一些刚性骨骼将添加到整个结构中以增加支撑。 这种复合结构不仅具有变形能力，还可以用作支撑结构和执行结构，可以与环境灵活交互，具有更好的适应性。 EMG信号的本质是时空中许多肌肉纤维中运动单元动作电位的叠加。 它可用于人机交互领域，以提供更自然，便捷和有效的控制模式。 它广泛应用于假肢控制，移动设备控制，手语识别等方面。因此对于残疾人士来说有着非常广泛的应用，改善他们的生活方式，帮助他们更好的生活。
柔性仿真灵巧手一般有以下几个方面的优势：首先是材料的稳定性比较强，在使用的过程中，柔性仿真灵巧手需要具备更加稳定的化学性质，这样才可以在日常的使用过程中，符合当前的使用需求，但是在整体的应用过程中，会设计一些刚性的骨骼，用这样的方式保证在使用过程中能够达到塑性的需求。其次就是驱动方式应该采用电活性聚合物进行驱动，这种聚合物具有特殊的电性能和机械性能。这种聚合物在受到电刺激后，产生微小形变。因此可以应用在柔性仿真手的驱动之中。同时结构设计也应该更加倾向于复合性结构的设计，这样能够保证在使用的过程中，达到闭环控制的目的，从而实现附加的功能。最后就是柔性灵巧手需要具备针对不同接触物体能够进行适应，这样才可以满足日常使用较为复杂的需求，完成日常生活的安排。
二、柔性灵巧手的设计
手是人们日常生活中使用常见工具，作为人体方面较为复杂的器官，手本身有着较为复杂的结构以及情况，所以在使用的时候，能够完成较为复杂的指令，柔性灵巧手在设计的时候，需要能够满足当前对于手的功能的复制，这样才可以有效保证最终的使用效果。因此在柔性灵巧手的设计之中，应该符合以下几个方面的要求。
（一）柔性复合驱动器设计
人的手是灵长类动物独有的位于手臂前端的器官，相较于其他的灵长类动物，人的手有着更加先进的功能，因此在当前的柔性灵巧手设计的过程中，需要让柔性手能够具备这样的优势，最好的方法就是模拟人手的功能，从而实现队友柔性手的设计，所以在设计的过程中，一般会对以下几个功能进行重视，首先就是仿人手的骨骼、肌肉以及筋腱的设计，用这样的方式，可以有效对人手的情况进行模拟，从而完成对于人手的设计，不仅如此，在木制驱动器的设计过程中，需要保证手指能够在平面上错开，人手也是这样的情况，这样是为了实现手掌与手指之间的相互作用，用这样的方式，可以实现更好的抓取能力。最后就是关节的弯曲，柔性手一大特点就是能够仿照人手，既能够抓紧相关的物体，同时也能够实现对物理轮廓的模拟，通过这样的方式，有效提升了对于物体的贴合能力，从而实现抓取的功能，因此在当前的柔性手设计之中，使用这样的关节弯曲设计，可以更符合更好实现柔性手的功能，从而增强其实用性。
因此在当前的设计之中，主要怕采用的有刚性的掌骨部分结构、教练关节，以及柔性的指骨复合结构，用这样的结构能够最大程度还原手掌的功能，从而实现对于柔性功能的实现，在设计的过程中，对于柔性指骨选择主要是使用复合材料，并且用3D打印技术实现制作，从而具备更加良好的化学性质，能够有效的防水防火，弹性模块等也能够达到使用的要求，这样的材料才可以应用在手指材料的选择过程中。
（二）柔性复合手指驱动的制作工艺
在驱动方面，目前使用的主要驱动方式是液压末端执行器，其便于调速，但压力高，系统成本高，维护麻烦。 气动末端执行器由于其低成本和丰富的产品型号而已成为工业领域中使用最广泛的末端执行器。 但是，不稳定的气压输出会导致夹紧力不足，工件容易掉落。 电动末端执行器在性能和结构上均优于液压和气动末端执行器，这是未来末端执行器行业的发展趋势。
与气动末端执行器相比，它使用电驱动来代替气动末端执行器的气源，过滤器，电磁阀和其他部件。 与液压末端执行器相比，其系统易于维护，无需使用液压能，并且可以减少能源污染。
所以在腱驱动式仿生机械手的驱动之中，包括手掌、第一腱驱动机构以及第二腱驱动机构，所述手掌上铰接有至少两根手指，每根所述手指均对应设置有至少一个第一腱驱动机构以及至少一个第二腱驱动机构，每根所述手指包含至少两节顺序铰接的指节，所述第一腱驱动机构带动位于最外端的指节摆动，所述第二腱驱动机构带动位于最内端的指节摆动。所述第一腱驱动机构包含第一舵机、第一上牵引绳、第一下牵引绳以及若干第一导线轮，位于最内端的所述指节与手掌之间、任意两节相邻指节之间均设置有第一导线轮，所述第一上牵引绳的一端与位于最外端的指节的正面固定连接，所述第一上牵引绳的另一端依次经过所有第一导线轮后与第一舵机的舵轮固定连接，所述第一下牵引绳的一端与位于最外端的指节的背面固定连接，所述第一下牵引绳的另一端依次经过所有第一导线轮后与第一舵机的舵轮固定连接。所述第二腱驱动机构包含第二舵机、第二上牵引绳、第二下牵引绳以及第二导线轮，位于最内端的所述指节与手掌之间设置有第二导线轮，所述第二上牵引绳的一端与位于最内端的指节的正面固定连接，所述第二上牵引绳的另一端依次经过第二导线轮后与第二舵机的舵轮固定连接，所述第二下牵引绳的一端与位于最内端的指节的背面固定连接，所述第二下牵引绳的另一端依次经过第二导线轮后与第二舵机的舵轮固定连接。
（三）柔性仿人灵巧手一体化设计
为了能够保证柔性仿人灵巧手在使用的过程中，可以最大程度发挥作用，因此在使用的时候需要进行一体化设计，这样是为了各个单元之间能够通过协调的方式进行彼此之间的合作，从而更好进行后续的工作，因此在实际的复合设计之中，需要分散的单元进行集合，为了达到使用目的，在一体化设计中，每个柔性复合手指促动器的设计均遵循骨骼肌腱的结构原理，并且独立的驱动层，恢复层，柔性层和铰链关节分别对应生物运动单位。控制单元是控制手指驱动器的电路系统，包括五个独立的模块化控制回路。每个控制环控制弯曲的SMAS，拉伸的SMAS和重置的SMAS，它们独立工作且不会互相干扰。整个控制单元还包括一个STM32 CPU模块，通过控制整个电路系统各电路的上电和断电，对合金丝采用适当的加热方法，可以使人形灵活灵巧手的运动方式得以实现。通过中央处理器进行控制和调试。另外，还可以接收由柔性复合手指驱动器在变形过程中产生的自反馈信号。通过对自反馈信号的分析和应用，可以实现更多的仿真功能。控制单元可以看作是动物的大脑，可以对整个系统做出决策。通信单元是指在控制柔性人形灵巧手完成人的手的运动特性的获取之后需要将处理结果传达给控制单元的EMG信号获取设备。控制单元根据肌电图获取信号来识别手势，并将动作命令发送给各个独立的柔性复合手指驱动器，最终实现人的手势。控制单元的中央处理单元具有标准化的通信接口，可以通过无线，红外和其他方式与外界通信。蓝牙通信模块被添加到灵巧的手控制系统和EMG信号采集设备中，并且设置了相同的波特率，以实现所收集的EMG信号与控制单元的通信，并且蓝牙通信模式具有快速，低速的特点。延迟。通信单元可以看作是生物神经元和运动单元之间的桥梁，因此在当前的使用之中有着非常重要的意义。
需要外出使用时，可以选择功率更高的电池作为能源，以确保设备的便利性。 在室内使用时，可以选择直流电源作为能源，以方便在实验过程中对人形柔性手的调试和测试，特别是在以下人形柔性手的最终输出力和弯曲变形的实验中 手。 在生物运动过程中，电源类似于生物能源，为整个系统提供电源支持。 控制单元，通信单元，电源和其他设备如下图所示。 这些单元确保人形灵活的灵巧手与EMG信号采集设备之间的协作和最终手势的实现。
三、在实际设计中，主要采用的方式
在设计的过程中，仿生人手
设计铰链接头以驱动铰链旋转和复位，并计划和设计合金线的空间运动轨迹。通过模型浇注，分层浇注和结构装配来标准化柔性复合手指致动器的制造过程。整个执行器由柔性材料PDMS包裹，以实现连续变形。分层浇注确保了柔性复合手指促动器的多层结构特性。根据功能，它可以分为驱动层（SMA），恢复层（PVC板）和柔性层（PDMS）。分层浇注技术使驱动层和恢复层包裹在柔性层中，可以控制驱动层和恢复层之间的距离，确定弯曲特性，最终实现平面二维往复弯曲运动。掌骨外骨骼设计和合理的夹紧设计确保柔性复合手指驱动器的运动不会相互干扰。相对手指设计的拇指平面和四指平面在最大程度上优化了抓握能力。掌骨和五个不同大小的柔性复合手指驱动器组成了柔性人形灵巧手。该系统集成了通讯单元，控制单元，电源和灵活的人形灵巧手。
四、结束语
综上所述，在当前的肌电控制下的柔性仿人灵巧手研究之中，必须从三个方面进行，首先是就是材料的选择，尽量是依靠仿生设计，进而对当前的人手功能进行还原，其次就是在设计的时候需要兼顾使用需求以及实用的需求，并且在设计的过程中，需要能够达到柔性的标准要求，这样才可以有效进行使用，从而达到预期的效果，因此在肌电控制下的柔性仿人灵巧手设计之中，采用不同的材料组合，从而达到较高的一体性设计，这样才可以符合使用的需求，更好的服务与使用的人群。
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