復(fù)合驅(qū)動(dòng)共融假肢手關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)：原理、實(shí)踐與創(chuàng)新一、引言1.1研究背景與意義肢體缺失是一種嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量的身體殘障狀況，其成因涵蓋了戰(zhàn)爭(zhēng)沖突、交通事故、工傷意外、疾病侵襲以及先天性發(fā)育異常等多個(gè)方面。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全球范圍內(nèi)肢體殘疾人數(shù)持續(xù)攀升，僅我國(guó)肢體殘疾人數(shù)量就已達(dá)數(shù)千萬之眾。上肢截肢患者在日常生活中，穿衣、進(jìn)食、洗漱、書寫等基本活動(dòng)都會(huì)遭遇重重困難；在工作場(chǎng)景里，無法從事精細(xì)操作工作，極大地限制了職業(yè)選擇與發(fā)展空間；在社交場(chǎng)合，肢體的缺失容易使患者產(chǎn)生自卑心理，阻礙正常的社交互動(dòng)。假肢作為幫助截肢患者恢復(fù)部分肢體功能的關(guān)鍵器具，在康復(fù)工程領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的地位。傳統(tǒng)假肢存在諸多局限性，如機(jī)械假肢雖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，但功能單一，僅能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的屈伸動(dòng)作，無法滿足復(fù)雜的日常需求；肌電假肢雖能依據(jù)肌肉電信號(hào)控制運(yùn)動(dòng)，但信號(hào)易受干擾，控制精度欠佳，且價(jià)格昂貴，令許多患者望而卻步。隨著科技的飛速發(fā)展，對(duì)假肢性能提出了更高要求，復(fù)合驅(qū)動(dòng)共融假肢手關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生，旨在突破傳統(tǒng)假肢的瓶頸，為截肢患者帶來更接近自然手部功能的假肢產(chǎn)品。復(fù)合驅(qū)動(dòng)共融假肢手關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)具有重大意義。從患者個(gè)體角度而言，能顯著改善截肢患者的生活質(zhì)量，使其更便捷地完成日常生活活動(dòng)，重新融入社會(huì)，增強(qiáng)自信心與生活獨(dú)立性；在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，推動(dòng)了康復(fù)工程技術(shù)的進(jìn)步，為醫(yī)學(xué)研究提供了新的方向與思路，促進(jìn)了多學(xué)科的交叉融合；在社會(huì)層面，有助于減輕家庭與社會(huì)的負(fù)擔(dān)，提高截肢患者的勞動(dòng)參與率，促進(jìn)社會(huì)和諧穩(wěn)定發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外在復(fù)合驅(qū)動(dòng)共融假肢手關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)方面起步較早，取得了眾多具有開創(chuàng)性的成果。美國(guó)宇航局（NASA）研發(fā)的仿人靈巧手，運(yùn)用了先進(jìn)的多電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)高度靈活的抓握和操作動(dòng)作，在太空探索等特殊領(lǐng)域展現(xiàn)出卓越性能，為復(fù)雜環(huán)境下的作業(yè)提供了可能；德國(guó)宇航中心（DLR）的仿人靈巧手同樣具備多種感知功能，如觸覺、力覺感知等，通過傳感器獲取外界信息并反饋給控制系統(tǒng)，使假肢手能根據(jù)不同物體的特性調(diào)整抓握力度和方式，極大地提升了操作的準(zhǔn)確性與安全性。然而，這些早期的智能靈巧手普遍存在系統(tǒng)復(fù)雜、成本高昂的問題，難以在普通截肢患者中廣泛推廣。為解決成本和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性問題，國(guó)外又相繼推出了一些重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的人形手。英國(guó)南安普頓大學(xué)研制的Southampton手，采用了獨(dú)特的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過一個(gè)驅(qū)動(dòng)源帶動(dòng)多個(gè)手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了成本，同時(shí)在一定程度上保留了手部的基本功能；日本TBM手在設(shè)計(jì)上注重仿生學(xué)原理，模仿人類手部的骨骼和肌肉結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了較為自然的手指運(yùn)動(dòng)；德國(guó)奧托博克（Ottobock）手以其高可靠性和良好的人機(jī)交互性能著稱，在市場(chǎng)上獲得了一定的認(rèn)可。但這些假肢手在功能完整性和適應(yīng)性方面仍存在不足，例如在面對(duì)復(fù)雜多變的日常任務(wù)時(shí)，其操作的靈活性和精準(zhǔn)度難以滿足患者需求。近年來，隨著人工智能、傳感器技術(shù)和材料科學(xué)的飛速發(fā)展，國(guó)外在復(fù)合驅(qū)動(dòng)共融假肢手關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)上取得了新突破。美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的模塊化假肢手，利用人工智能算法對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)和分析，能夠更準(zhǔn)確地識(shí)別用戶的運(yùn)動(dòng)意圖，實(shí)現(xiàn)更自然、流暢的動(dòng)作控制；瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研究的可穿戴式假肢手，采用了新型的柔性傳感器和智能材料，使假肢手能夠更好地感知外界環(huán)境變化，并根據(jù)環(huán)境反饋實(shí)時(shí)調(diào)整自身狀態(tài)，增強(qiáng)了與人體的共融性。國(guó)內(nèi)在復(fù)合驅(qū)動(dòng)共融假肢手關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究雖起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速。清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校在該領(lǐng)域開展了深入研究。清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)針對(duì)假肢手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提出了一種結(jié)合形狀記憶合金和直流電機(jī)的復(fù)合驅(qū)動(dòng)方案，利用形狀記憶合金的大驅(qū)動(dòng)力和直流電機(jī)的精確控制特性，實(shí)現(xiàn)了假肢手關(guān)節(jié)在不同負(fù)載和運(yùn)動(dòng)要求下的高效驅(qū)動(dòng)；上海交通大學(xué)在假肢手的感知與控制算法方面取得進(jìn)展，通過融合多種傳感器信息，開發(fā)出具有環(huán)境自適應(yīng)能力的控制算法，提高了假肢手在復(fù)雜場(chǎng)景下的操作能力；哈爾濱工業(yè)大學(xué)則專注于假肢手的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出一種新型的多指靈巧手結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了手指關(guān)節(jié)的靈活性和協(xié)同性。盡管國(guó)內(nèi)外在復(fù)合驅(qū)動(dòng)共融假肢手關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)方面已取得顯著成果，但仍存在一些不足。一方面，假肢手的控制精度和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高，當(dāng)前的肌電信號(hào)識(shí)別準(zhǔn)確率易受多種因素干擾，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)控制不夠精準(zhǔn)；另一方面，假肢手與人體的共融性研究尚不完善，如何使假肢手更好地感知人體的生理和心理狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)更自然、和諧的人機(jī)交互，仍是亟待解決的問題。此外，高昂的成本限制了先進(jìn)假肢手的普及，如何在保證性能的前提下降低成本，提高產(chǎn)品的性價(jià)比，也是未來研究的重要方向之一。1.3研究目的與方法本研究旨在設(shè)計(jì)一種復(fù)合驅(qū)動(dòng)共融假肢手關(guān)節(jié)，以解決傳統(tǒng)假肢在功能、控制精度和人機(jī)共融性等方面的不足，具體而言，要提高假肢手關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)靈活性與精準(zhǔn)度，使其能夠?qū)崿F(xiàn)多種復(fù)雜的抓握和操作動(dòng)作，滿足截肢患者日常生活和工作中的多樣化需求；增強(qiáng)假肢手關(guān)節(jié)與人體的共融性，通過優(yōu)化傳感器技術(shù)和控制算法，使假肢手能夠更好地感知人體的運(yùn)動(dòng)意圖和生理信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自然、流暢的人機(jī)交互；降低假肢手關(guān)節(jié)的成本，在保證性能的前提下，采用新型材料和優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品的性價(jià)比，促進(jìn)先進(jìn)假肢手的普及應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)上述研究目的，本研究擬采用以下設(shè)計(jì)方法與實(shí)驗(yàn)手段。在設(shè)計(jì)方法上，運(yùn)用仿生學(xué)原理，深入研究人體手部關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行假肢手關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保假肢手關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)模式和功能盡可能接近自然手部。綜合運(yùn)用形狀記憶合金和直流電機(jī)等多種驅(qū)動(dòng)方式，發(fā)揮形狀記憶合金的大驅(qū)動(dòng)力、響應(yīng)速度快和直流電機(jī)的精確控制、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)假肢手關(guān)節(jié)在不同負(fù)載和運(yùn)動(dòng)要求下的高效驅(qū)動(dòng)。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件進(jìn)行假肢手關(guān)節(jié)的三維建模，通過虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，提前驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性和合理性，減少物理樣機(jī)制作的次數(shù)和成本。在實(shí)驗(yàn)手段方面，搭建假肢手關(guān)節(jié)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分，對(duì)設(shè)計(jì)的假肢手關(guān)節(jié)進(jìn)行性能測(cè)試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；采用多種傳感器，如肌電傳感器、力傳感器、位置傳感器等，獲取人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)和假肢手關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，為控制算法的優(yōu)化和人機(jī)共融性的研究提供數(shù)據(jù)支持；運(yùn)用數(shù)據(jù)采集卡和信號(hào)調(diào)理電路，將傳感器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和分析；基于MATLAB、Simulink等軟件平臺(tái)，開發(fā)假肢手關(guān)節(jié)的控制算法，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)控制算法進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化，提高假肢手關(guān)節(jié)的控制精度和穩(wěn)定性；對(duì)截肢患者進(jìn)行臨床試驗(yàn)，評(píng)估假肢手關(guān)節(jié)的實(shí)際使用效果和患者的滿意度，收集反饋意見，進(jìn)一步改進(jìn)和完善設(shè)計(jì)方案。二、復(fù)合驅(qū)動(dòng)共融假肢手關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)原理2.1人體手部關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)機(jī)理分析人體手部是一個(gè)極其復(fù)雜且精妙的結(jié)構(gòu)，由眾多骨骼、關(guān)節(jié)、肌肉、肌腱、神經(jīng)和血管等組織協(xié)同構(gòu)成，這些結(jié)構(gòu)相互配合，使手部能夠完成豐富多樣的運(yùn)動(dòng)，從精細(xì)的捏取微小物體，到有力的抓握重物，以及復(fù)雜的手勢(shì)表達(dá)等。手部關(guān)節(jié)作為手部運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵樞紐，其結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理的研究對(duì)于復(fù)合驅(qū)動(dòng)共融假肢手關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，為實(shí)現(xiàn)假肢手關(guān)節(jié)高度仿生和精準(zhǔn)控制提供了不可或缺的生物學(xué)依據(jù)。手部關(guān)節(jié)主要包含橈腕關(guān)節(jié)、腕骨間關(guān)節(jié)、腕掌關(guān)節(jié)、掌骨間關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)和指關(guān)節(jié)。橈腕關(guān)節(jié)由橈骨的腕關(guān)節(jié)面與橈尺遠(yuǎn)側(cè)關(guān)節(jié)盤構(gòu)成關(guān)節(jié)窩，舟骨、月骨和三角骨構(gòu)成關(guān)節(jié)頭，屬于橢圓關(guān)節(jié)，可作屈、伸展收運(yùn)動(dòng)，屈伸總幅度約為150°，屈略大于伸，展收約60°，收略大于展，且其運(yùn)動(dòng)常伴有腕骨間關(guān)節(jié)的活動(dòng)。腕骨間關(guān)節(jié)包括各列腕骨各骨之間的關(guān)節(jié)和兩列腕骨之間的關(guān)節(jié)，基本上都屬于平面關(guān)節(jié)，其中腕橫關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)幅度大于各列的腕骨間關(guān)節(jié)。腕掌關(guān)節(jié)由遠(yuǎn)側(cè)列腕骨與各掌骨底構(gòu)成，拇指腕掌關(guān)節(jié)是由大多角骨與第Ⅰ掌骨底構(gòu)成的獨(dú)立鞍狀關(guān)節(jié)，可作屈、伸、收、展及環(huán)展運(yùn)動(dòng)，而第2-4指的腕掌關(guān)節(jié)屬于平面關(guān)節(jié)，活動(dòng)度甚小，唯第5指者活動(dòng)度稍大。掌骨間關(guān)節(jié)是第Ⅱ-Ⅴ掌骨底毗鄰面之間的平面關(guān)節(jié)，活動(dòng)度極小。掌指關(guān)節(jié)由掌骨頭與近節(jié)指骨底構(gòu)成，屬于球窩關(guān)節(jié)，能作屈、伸、收、展及微小的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但指在屈位時(shí)，則不能作后三種運(yùn)動(dòng)。指關(guān)節(jié)是指節(jié)骨下端的滑車與下位指節(jié)骨底之間的關(guān)節(jié)，只能作屈伸活動(dòng)。手部關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是通過肌肉的收縮和舒張來實(shí)現(xiàn)的。手部肌肉分為外在肌和內(nèi)在肌。外在肌的肌腹位于前臂，通過長(zhǎng)長(zhǎng)的肌腱止于手部，主要負(fù)責(zé)手部的大范圍運(yùn)動(dòng)和有力動(dòng)作，如屈肌收縮使手指彎曲，伸肌收縮使手指伸直。內(nèi)在肌的肌腹和肌腱均位于手部，主要參與手部的精細(xì)運(yùn)動(dòng)和手指間的協(xié)同動(dòng)作，如蚓狀肌和骨間肌可使手指產(chǎn)生內(nèi)收、外展和精細(xì)的屈伸動(dòng)作。當(dāng)大腦發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令后，神經(jīng)沖動(dòng)沿著神經(jīng)纖維傳導(dǎo)至肌肉，引起肌肉纖維的收縮，進(jìn)而帶動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)過程中，肌肉的收縮力量、速度和持續(xù)時(shí)間等因素都會(huì)影響關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在日常生活中，手部關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出高度的復(fù)雜性和多樣性。例如，在抓握物體時(shí)，拇指與其他手指會(huì)協(xié)同運(yùn)動(dòng)，通過調(diào)整掌指關(guān)節(jié)和指間關(guān)節(jié)的角度，形成不同的抓握方式，以適應(yīng)物體的形狀、大小和重量。在進(jìn)行書寫、繪畫等精細(xì)操作時(shí)，手指關(guān)節(jié)需要進(jìn)行微小而精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)各關(guān)節(jié)之間要保持高度的協(xié)調(diào)性。而在進(jìn)行握拳、伸展等簡(jiǎn)單動(dòng)作時(shí)，雖然看似動(dòng)作單一，但實(shí)際上涉及多個(gè)關(guān)節(jié)和肌肉的有序配合。此外，手部關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)還受到個(gè)體差異、年齡、訓(xùn)練程度等因素的影響。不同個(gè)體的手部關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和肌肉力量存在一定差異，這會(huì)導(dǎo)致手部運(yùn)動(dòng)能力和表現(xiàn)的不同；隨著年齡的增長(zhǎng)，手部關(guān)節(jié)的靈活性和肌肉力量會(huì)逐漸下降；經(jīng)過專業(yè)訓(xùn)練的人員，如鋼琴家、手工藝人等，其手部關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)性和運(yùn)動(dòng)控制能力會(huì)明顯優(yōu)于普通人。2.2復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理復(fù)合驅(qū)動(dòng)共融假肢手關(guān)節(jié)的復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由直流電機(jī)、形狀記憶合金以及配套的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成。這些組成部分相互協(xié)作，為假肢手關(guān)節(jié)提供了高效、精準(zhǔn)且靈活的動(dòng)力支持，使其能夠模擬人體手部關(guān)節(jié)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。直流電機(jī)作為復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，具有轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、控制精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。在假肢手關(guān)節(jié)中，直流電機(jī)通常通過齒輪、絲杠等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與關(guān)節(jié)相連，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)的直線運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。例如，在控制手指的屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)，直流電機(jī)通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠上的螺母與手指關(guān)節(jié)相連，從而實(shí)現(xiàn)手指的精確屈伸動(dòng)作。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向可以通過控制系統(tǒng)進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)意圖和實(shí)際操作需求，快速、準(zhǔn)確地調(diào)整關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)速度和方向。當(dāng)需要進(jìn)行精細(xì)操作時(shí)，控制系統(tǒng)可以降低直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使手指關(guān)節(jié)能夠緩慢、穩(wěn)定地移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微小物體的精準(zhǔn)抓?。欢谶M(jìn)行力量較大的抓握動(dòng)作時(shí)，控制系統(tǒng)則可以提高直流電機(jī)的輸出功率，使手指關(guān)節(jié)能夠產(chǎn)生足夠的力量，牢固地抓住物體。形狀記憶合金是一種具有獨(dú)特形狀記憶效應(yīng)和超彈性特性的智能材料。在復(fù)合驅(qū)動(dòng)共融假肢手關(guān)節(jié)中，形狀記憶合金主要利用其形狀記憶效應(yīng)來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)形狀記憶合金受到加熱時(shí)，它會(huì)恢復(fù)到預(yù)先設(shè)定的形狀，從而產(chǎn)生收縮力；而當(dāng)溫度降低時(shí)，它又可以在外力作用下變形。在手指關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)中，將形狀記憶合金絲纏繞在關(guān)節(jié)周圍，當(dāng)需要關(guān)節(jié)彎曲時(shí)，通過電流加熱形狀記憶合金絲，使其收縮，從而帶動(dòng)關(guān)節(jié)彎曲；當(dāng)需要關(guān)節(jié)伸展時(shí)，停止加熱，形狀記憶合金絲冷卻并在外部彈簧或其他復(fù)位裝置的作用下恢復(fù)原狀，使關(guān)節(jié)伸展。形狀記憶合金具有驅(qū)動(dòng)力大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠在較小的空間內(nèi)產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)力，適合用于假肢手關(guān)節(jié)這種對(duì)空間和重量要求較高的場(chǎng)合。而且，其響應(yīng)速度快的特點(diǎn)使其能夠快速對(duì)控制信號(hào)做出反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的快速運(yùn)動(dòng)。在復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，直流電機(jī)和形狀記憶合金并非獨(dú)立工作，而是相互協(xié)同，共同實(shí)現(xiàn)假肢手關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制。當(dāng)假肢手需要進(jìn)行精細(xì)的動(dòng)作，如捏取微小物品時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)優(yōu)先啟動(dòng)直流電機(jī)，利用其高精度的控制特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)手指關(guān)節(jié)位置和角度的精確控制，確保動(dòng)作的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。而當(dāng)假肢手需要承受較大的負(fù)載或進(jìn)行快速有力的抓握動(dòng)作時(shí)，形狀記憶合金則發(fā)揮主要作用。形狀記憶合金在短時(shí)間內(nèi)能夠產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)力，為手指關(guān)節(jié)提供足夠的力量，以完成抓握任務(wù)。同時(shí)，直流電機(jī)也會(huì)輔助形狀記憶合金工作，通過調(diào)整轉(zhuǎn)速和扭矩，使手指關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)、協(xié)調(diào)。在抓取較重物體時(shí)，形狀記憶合金首先迅速收縮，提供強(qiáng)大的初始抓握力，防止物體滑落；然后直流電機(jī)根據(jù)物體的重量和抓握狀態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)整輸出扭矩，保持手指關(guān)節(jié)的穩(wěn)定，確保抓握的可靠性?？刂葡到y(tǒng)是復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)接收來自人體的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，如肌電信號(hào)、神經(jīng)信號(hào)等，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理和分析，識(shí)別出人體的運(yùn)動(dòng)意圖，然后根據(jù)運(yùn)動(dòng)意圖向直流電機(jī)和形狀記憶合金發(fā)送相應(yīng)的控制指令，協(xié)調(diào)它們的工作?？刂葡到y(tǒng)還會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)假肢手關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過傳感器獲取關(guān)節(jié)的位置、速度、力等信息，與預(yù)設(shè)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)控制指令進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以保證假肢手關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)符合人體的預(yù)期。當(dāng)傳感器檢測(cè)到假肢手在抓握物體時(shí)力量不足時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)增加形狀記憶合金的加熱電流，使其產(chǎn)生更大的驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)調(diào)整直流電機(jī)的輸出扭矩，共同增強(qiáng)抓握力，確保物體不會(huì)掉落。2.3共融設(shè)計(jì)理念在假肢手關(guān)節(jié)中的應(yīng)用共融設(shè)計(jì)理念在復(fù)合驅(qū)動(dòng)共融假肢手關(guān)節(jié)中具有至關(guān)重要的地位，其核心在于實(shí)現(xiàn)假肢與人體的自然交互，從而顯著提高使用者的舒適度和操控性，使假肢真正成為人體的有效延伸，融入使用者的日常生活。在傳感器融合技術(shù)方面，為實(shí)現(xiàn)假肢與人體的自然交互，本設(shè)計(jì)采用了多種先進(jìn)的傳感器融合技術(shù)。在假肢手關(guān)節(jié)中集成了高精度的肌電傳感器，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地捕捉人體殘肢肌肉的電信號(hào)變化。這些肌電信號(hào)蘊(yùn)含著人體運(yùn)動(dòng)意圖的關(guān)鍵信息，通過對(duì)其進(jìn)行深入分析和處理，控制系統(tǒng)可以識(shí)別出使用者想要做出的手部動(dòng)作，如抓握、伸展、彎曲等。同時(shí)，還配備了力傳感器，用于精確測(cè)量假肢手在抓握物體時(shí)所施加的力的大小。力傳感器能夠?qū)崟r(shí)反饋?zhàn)ノ樟Φ男畔?，使假肢手可以根?jù)物體的材質(zhì)、形狀和重量等因素，自動(dòng)調(diào)整抓握力度，避免因用力過大導(dǎo)致物體損壞，或用力過小而使物體滑落。位置傳感器則用于監(jiān)測(cè)假肢手關(guān)節(jié)的位置和角度，確保手部動(dòng)作的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在抓取一個(gè)玻璃水杯時(shí)，肌電傳感器捕捉到使用者想要抓握的意圖，控制系統(tǒng)根據(jù)這一信號(hào)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使假肢手向水杯靠近。在接觸水杯的瞬間，力傳感器開始工作，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)抓握力，控制系統(tǒng)根據(jù)力傳感器的反饋，精確調(diào)整驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出，使假肢手以合適的力度握住水杯，既保證水杯不會(huì)掉落，又不會(huì)因用力過猛而將其捏碎。通過多種傳感器的融合，假肢手能夠全面、準(zhǔn)確地感知人體的運(yùn)動(dòng)意圖和外界環(huán)境信息，為實(shí)現(xiàn)自然交互提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。人機(jī)交互界面的優(yōu)化也是共融設(shè)計(jì)理念的重要體現(xiàn)。為提高使用者的操控性，本設(shè)計(jì)致力于開發(fā)簡(jiǎn)潔、直觀且高效的人機(jī)交互界面。采用了直觀的圖形化界面設(shè)計(jì)，在假肢手的控制系統(tǒng)顯示屏上，以清晰易懂的圖形和圖標(biāo)展示假肢手的工作狀態(tài)、電量信息、傳感器數(shù)據(jù)等關(guān)鍵參數(shù)。使用者可以通過簡(jiǎn)單的操作，如觸摸屏幕、按鍵操作等，輕松地對(duì)假肢手進(jìn)行控制和設(shè)置。開發(fā)了智能語音交互功能，使用者只需通過語音指令，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)假肢手的各種操作，如“抓取”“松開”“彎曲手指”等。語音交互功能極大地提高了操作的便捷性，尤其適用于那些手部殘障較為嚴(yán)重，難以進(jìn)行手動(dòng)操作的使用者。針對(duì)不同使用者的個(gè)性化需求，人機(jī)交互界面還具備高度的可定制性。使用者可以根據(jù)自己的習(xí)慣和偏好，調(diào)整界面的布局、顏色、操作方式等參數(shù)，使假肢手的操控更加符合個(gè)人需求。通過這些優(yōu)化措施，人機(jī)交互界面更加友好、便捷，使用者能夠更加自然、流暢地與假肢手進(jìn)行交互，顯著提高了操控的效率和舒適度。在材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，共融設(shè)計(jì)理念同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。為提高使用者的舒適度，在假肢手關(guān)節(jié)的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上充分考慮了人體工程學(xué)和生物相容性。選用了輕質(zhì)、高強(qiáng)度且具有良好生物相容性的材料，如鈦合金、碳纖維復(fù)合材料等。這些材料不僅能夠減輕假肢手的重量，減少使用者佩戴時(shí)的負(fù)擔(dān)，還能降低對(duì)人體皮膚的刺激和過敏反應(yīng)，提高佩戴的舒適度。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用了仿人體手部骨骼和肌肉的結(jié)構(gòu)形式，使假肢手的外形和運(yùn)動(dòng)方式更加接近自然手部。通過優(yōu)化關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)和連接方式，提高了假肢手關(guān)節(jié)的靈活性和穩(wěn)定性，減少了運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦和噪音。在手指關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)中，采用了類似于人體手指關(guān)節(jié)的鉸鏈結(jié)構(gòu)，并使用柔性材料進(jìn)行連接，使手指關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)更加自然、流暢的屈伸運(yùn)動(dòng)。此外，還在假肢手的接觸部位，如手掌、手指等，采用了柔軟、透氣的材料，增加了與物體接觸時(shí)的摩擦力和觸感，同時(shí)也提高了使用者的舒適度。通過合理的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，假肢手關(guān)節(jié)在保證性能的前提下，最大限度地提高了使用者的舒適度，實(shí)現(xiàn)了與人體的自然共融。三、復(fù)合驅(qū)動(dòng)共融假肢手關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)案例分析3.1案例一：[具體名稱1]復(fù)合驅(qū)動(dòng)假肢手關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)[具體名稱1]復(fù)合驅(qū)動(dòng)假肢手關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)旨在為上肢截肢患者提供更接近自然手部功能的假肢解決方案。該設(shè)計(jì)深入研究人體手部關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)機(jī)理，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建假肢手關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)框架，確保其運(yùn)動(dòng)模式和功能高度仿生。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，[具體名稱1]假肢手關(guān)節(jié)采用了獨(dú)特的模塊化設(shè)計(jì)理念。整個(gè)手關(guān)節(jié)由多個(gè)獨(dú)立的模塊組成，包括手指關(guān)節(jié)模塊、手掌模塊和腕關(guān)節(jié)模塊等。每個(gè)模塊都具有特定的功能和結(jié)構(gòu)，通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口進(jìn)行連接和組裝。手指關(guān)節(jié)模塊采用了多連桿機(jī)構(gòu)，模仿人體手指的骨骼和關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，如屈伸、內(nèi)收、外展等。這種模塊化設(shè)計(jì)不僅便于制造、安裝和維護(hù)，還具有高度的可擴(kuò)展性。根據(jù)患者的具體需求和使用場(chǎng)景，可以靈活選擇和組合不同的模塊，定制出個(gè)性化的假肢手關(guān)節(jié)。對(duì)于從事精細(xì)操作工作的患者，可以選擇配備高精度傳感器和更靈活手指關(guān)節(jié)模塊的假肢；而對(duì)于需要承受較大力量的患者，則可以選用強(qiáng)度更高的手掌和腕關(guān)節(jié)模塊。在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面，[具體名稱1]采用了直流電機(jī)與形狀記憶合金復(fù)合驅(qū)動(dòng)的方式。在進(jìn)行精細(xì)動(dòng)作時(shí)，如捏取微小物品，直流電機(jī)憑借其高精度的控制特性，能夠精確控制手指關(guān)節(jié)的位置和角度，確保動(dòng)作的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在抓取一顆小珠子時(shí)，直流電機(jī)可以使手指關(guān)節(jié)緩慢、平穩(wěn)地移動(dòng)，準(zhǔn)確地捏住珠子，避免因動(dòng)作過大而使珠子掉落。當(dāng)需要承受較大負(fù)載或進(jìn)行快速有力的抓握動(dòng)作時(shí)，形狀記憶合金發(fā)揮主要作用。形狀記憶合金在短時(shí)間內(nèi)能夠產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)力，為手指關(guān)節(jié)提供足夠的力量，以完成抓握任務(wù)。在抓取重物時(shí)，形狀記憶合金迅速收縮，提供強(qiáng)大的初始抓握力，防止物體滑落；同時(shí)，直流電機(jī)也會(huì)輔助形狀記憶合金工作，通過調(diào)整轉(zhuǎn)速和扭矩，使手指關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)、協(xié)調(diào)。在實(shí)際應(yīng)用中，[具體名稱1]復(fù)合驅(qū)動(dòng)假肢手關(guān)節(jié)取得了顯著的效果。經(jīng)過對(duì)多位截肢患者的臨床試驗(yàn)，結(jié)果顯示該假肢手關(guān)節(jié)能夠幫助患者完成多種復(fù)雜的日?；顒?dòng)，如穿衣、進(jìn)食、寫字、使用工具等?；颊叻答伡僦株P(guān)節(jié)的操作較為自然、流暢，能夠較好地滿足他們的生活和工作需求。在穿衣過程中，患者可以較為輕松地用假肢手握住衣服的拉鏈頭并拉動(dòng)，完成穿衣動(dòng)作；在進(jìn)食時(shí)，能夠穩(wěn)定地握住餐具，將食物送入口中。然而，該設(shè)計(jì)也存在一些局限性。一方面，由于采用了多種先進(jìn)技術(shù)和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致假肢手關(guān)節(jié)的成本較高，限制了其在更廣泛患者群體中的普及應(yīng)用。另一方面，盡管在人機(jī)交互方面進(jìn)行了優(yōu)化，但在一些復(fù)雜場(chǎng)景下，如在不平整的表面上抓取形狀不規(guī)則的物體時(shí)，假肢手關(guān)節(jié)的適應(yīng)性和靈活性仍有待提高。由于傳感器的感知能力有限，可能無法準(zhǔn)確獲取物體的形狀和位置信息，從而影響抓握的成功率。3.2案例二：[具體名稱2]復(fù)合驅(qū)動(dòng)假肢手關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)[具體名稱2]復(fù)合驅(qū)動(dòng)假肢手關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)同樣致力于提升上肢截肢患者的生活自理能力，通過創(chuàng)新的設(shè)計(jì)理念和先進(jìn)的技術(shù)手段，為患者帶來更高效、便捷的假肢使用體驗(yàn)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，[具體名稱2]采用了一體化的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。與案例一的模塊化設(shè)計(jì)不同，它將手指關(guān)節(jié)、手掌和腕關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)為一個(gè)緊密結(jié)合的整體，減少了模塊之間的連接縫隙和接口數(shù)量。這種一體化結(jié)構(gòu)使得假肢手關(guān)節(jié)的整體性和穩(wěn)定性更強(qiáng)，在運(yùn)動(dòng)過程中能夠更好地傳遞力量，減少能量損耗。同時(shí)，通過對(duì)整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使假肢手關(guān)節(jié)的外形更加貼合人體手部的自然輪廓，佩戴起來更加舒適和自然。在手指關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)上，采用了新型的柔性關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，利用特殊的柔性材料制作關(guān)節(jié)連接件，使手指關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)更加靈活、自然的彎曲和伸展運(yùn)動(dòng)，接近人體手指的運(yùn)動(dòng)范圍和靈活性。在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型上，[具體名稱2]采用了液壓驅(qū)動(dòng)與形狀記憶合金復(fù)合驅(qū)動(dòng)的方式。液壓驅(qū)動(dòng)具有輸出力大、響應(yīng)速度快、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。在進(jìn)行較大力量的抓握動(dòng)作時(shí)，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠迅速提供強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力，使假肢手能夠牢固地抓取重物。在搬運(yùn)重物時(shí)，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以在短時(shí)間內(nèi)輸出足夠的力量，確保物體不會(huì)滑落。而形狀記憶合金則主要用于輔助精細(xì)動(dòng)作的控制。當(dāng)需要進(jìn)行精細(xì)操作，如捏取微小物品時(shí)，形狀記憶合金通過精確的溫度控制，產(chǎn)生微小而精確的驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)手指關(guān)節(jié)的微調(diào)，提高操作的準(zhǔn)確性。在拾取細(xì)小的針時(shí)，形狀記憶合金可以精確控制手指關(guān)節(jié)的動(dòng)作，準(zhǔn)確地捏住針。在實(shí)際應(yīng)用中，[具體名稱2]復(fù)合驅(qū)動(dòng)假肢手關(guān)節(jié)展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，該假肢手關(guān)節(jié)在抓握力量和穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出色，能夠滿足患者在日常生活和工作中對(duì)力量的需求。在進(jìn)行一些需要較大力量的工作，如搬運(yùn)貨物、使用工具等場(chǎng)景下，患者可以借助假肢手關(guān)節(jié)的強(qiáng)大抓握力，順利完成任務(wù)。然而，該設(shè)計(jì)也存在一些不足之處。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要配備復(fù)雜的液壓泵站和管路系統(tǒng)，這使得假肢手關(guān)節(jié)的體積較大、重量較重，給患者的佩戴和使用帶來一定的負(fù)擔(dān)。液壓系統(tǒng)的維護(hù)和保養(yǎng)要求較高，需要專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行操作，增加了使用成本和難度。而且，在一些對(duì)精細(xì)操作要求極高的場(chǎng)景下，如進(jìn)行精細(xì)的手工藝制作時(shí)，雖然形狀記憶合金能夠輔助控制，但整體的操作精度和靈活性仍與自然手部存在一定差距。與案例一相比，[具體名稱2]在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的一體化思路與案例一的模塊化設(shè)計(jì)形成鮮明對(duì)比。一體化結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和整體性更好，但缺乏模塊化設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性和靈活性；模塊化設(shè)計(jì)便于定制和維護(hù)，但模塊之間的連接可能會(huì)影響整體性能。在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面，[具體名稱2]的液壓驅(qū)動(dòng)與形狀記憶合金復(fù)合驅(qū)動(dòng)方式，與案例一的直流電機(jī)與形狀記憶合金復(fù)合驅(qū)動(dòng)各有優(yōu)劣。液壓驅(qū)動(dòng)的力量輸出更大，適合重載任務(wù)，但設(shè)備復(fù)雜、體積重量大；直流電機(jī)控制精度高，響應(yīng)速度快，更適合精細(xì)動(dòng)作，但在力量輸出上相對(duì)較弱。在實(shí)際應(yīng)用中，案例一在精細(xì)操作方面表現(xiàn)較好，能夠滿足患者在日常生活中的一些精細(xì)活動(dòng)需求；而案例二則在力量需求較大的場(chǎng)景下更具優(yōu)勢(shì)，但在便攜性和精細(xì)操作的極致追求上存在不足。3.3案例對(duì)比與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)通過對(duì)[具體名稱1]和[具體名稱2]這兩個(gè)復(fù)合驅(qū)動(dòng)假肢手關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)案例的深入分析，可以發(fā)現(xiàn)它們?cè)诙鄠€(gè)方面存在異同點(diǎn)，且各自的成功經(jīng)驗(yàn)和不足之處都為后續(xù)的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了寶貴的參考。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，[具體名稱1]采用模塊化設(shè)計(jì)，其優(yōu)勢(shì)在于便于制造、安裝與維護(hù)，且具有高度的可擴(kuò)展性，能根據(jù)患者需求靈活定制。但模塊之間的連接可能會(huì)影響整體性能，增加能量損耗和運(yùn)動(dòng)誤差。[具體名稱2]的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使假肢手關(guān)節(jié)整體性和穩(wěn)定性更強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)力量傳遞更順暢，能量損耗更低，外形也更貼合人體手部自然輪廓。然而，這種結(jié)構(gòu)缺乏可擴(kuò)展性，一旦某個(gè)部件出現(xiàn)問題，可能需要整體更換，增加了維修成本和難度。在未來的設(shè)計(jì)中，可以考慮融合兩者的優(yōu)點(diǎn)，例如在模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化模塊之間的連接方式，提高連接的緊密性和穩(wěn)定性，減少能量損耗和運(yùn)動(dòng)誤差；同時(shí)，在一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，預(yù)留一定的可擴(kuò)展接口，以便根據(jù)患者的特殊需求進(jìn)行個(gè)性化調(diào)整。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇對(duì)假肢手關(guān)節(jié)的性能有著關(guān)鍵影響。[具體名稱1]采用直流電機(jī)與形狀記憶合金復(fù)合驅(qū)動(dòng)，直流電機(jī)的高精度控制特性使其在精細(xì)動(dòng)作控制方面表現(xiàn)出色，而形狀記憶合金則在需要大驅(qū)動(dòng)力時(shí)發(fā)揮重要作用。但該方案成本較高，且形狀記憶合金的溫度控制和壽命問題仍有待進(jìn)一步解決。[具體名稱2]的液壓驅(qū)動(dòng)與形狀記憶合金復(fù)合驅(qū)動(dòng)方式，液壓驅(qū)動(dòng)輸出力大、響應(yīng)速度快，適合重載任務(wù)，形狀記憶合金輔助精細(xì)動(dòng)作控制。不過，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜、體積重量大，維護(hù)保養(yǎng)要求高。后續(xù)設(shè)計(jì)可以在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化上，一方面研發(fā)更高效、低成本的驅(qū)動(dòng)裝置，降低假肢手關(guān)節(jié)的成本；另一方面，加強(qiáng)對(duì)形狀記憶合金等智能材料的研究，提高其性能和穩(wěn)定性，解決溫度控制和壽命等問題。例如，探索新型的驅(qū)動(dòng)材料和驅(qū)動(dòng)方式，或者改進(jìn)現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制算法，提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。在實(shí)際應(yīng)用效果方面，[具體名稱1]在精細(xì)操作方面表現(xiàn)較好，能滿足患者日常生活中的一些精細(xì)活動(dòng)需求；[具體名稱2]則在力量需求較大的場(chǎng)景下更具優(yōu)勢(shì)。然而，兩者在人機(jī)交互的自然性和適應(yīng)性方面都還有提升空間。在復(fù)雜環(huán)境中，假肢手關(guān)節(jié)對(duì)不同形狀、材質(zhì)物體的識(shí)別和操作能力有限，人機(jī)交互界面的便捷性和智能化程度也有待提高。未來需要進(jìn)一步優(yōu)化人機(jī)交互系統(tǒng)，采用更先進(jìn)的傳感器技術(shù)和人工智能算法，提高假肢手關(guān)節(jié)對(duì)環(huán)境的感知能力和對(duì)用戶意圖的識(shí)別能力，實(shí)現(xiàn)更自然、流暢的人機(jī)交互?？梢蚤_發(fā)更加智能化的人機(jī)交互界面，通過語音識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別等多種交互方式，讓患者能夠更方便地控制假肢手關(guān)節(jié)；同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)假肢手關(guān)節(jié)的自適應(yīng)控制研究，使其能夠根據(jù)不同的使用場(chǎng)景和任務(wù)需求，自動(dòng)調(diào)整運(yùn)動(dòng)參數(shù)和控制策略。四、復(fù)合驅(qū)動(dòng)共融假肢手關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)難點(diǎn)與解決方案4.1難點(diǎn)一：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)同控制問題復(fù)合驅(qū)動(dòng)共融假肢手關(guān)節(jié)采用多種驅(qū)動(dòng)方式，如直流電機(jī)與形狀記憶合金復(fù)合驅(qū)動(dòng)，或液壓驅(qū)動(dòng)與形狀記憶合金復(fù)合驅(qū)動(dòng)等，不同驅(qū)動(dòng)方式在協(xié)同工作時(shí)面臨諸多控制難題。響應(yīng)速度不一致是一個(gè)顯著問題。直流電機(jī)通過電信號(hào)控制，其響應(yīng)速度相對(duì)較快，能夠在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速和扭矩；而形狀記憶合金需要通過加熱來改變形狀從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，加熱和冷卻過程需要一定時(shí)間，導(dǎo)致其響應(yīng)速度較慢。在假肢手抓取物體的瞬間，若需要快速調(diào)整抓握力，直流電機(jī)能夠迅速做出反應(yīng)，而形狀記憶合金可能由于響應(yīng)延遲，無法及時(shí)提供所需的驅(qū)動(dòng)力，影響抓握的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。力分配不均也是常見難題。不同驅(qū)動(dòng)方式在產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力時(shí)，其力的大小和作用方向難以精確協(xié)調(diào)。在復(fù)雜的抓握動(dòng)作中，可能需要多個(gè)關(guān)節(jié)同時(shí)施加不同大小的力，以適應(yīng)物體的形狀和重量。由于不同驅(qū)動(dòng)方式的力輸出特性不同，很難實(shí)現(xiàn)各關(guān)節(jié)力的均勻分配，可能導(dǎo)致某些關(guān)節(jié)受力過大或過小。當(dāng)抓取一個(gè)不規(guī)則形狀的物體時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)部分手指關(guān)節(jié)抓握力不足，而部分手指關(guān)節(jié)用力過猛的情況，既影響抓握效果，又可能對(duì)物體造成損壞。針對(duì)響應(yīng)速度不一致的問題，可采用預(yù)測(cè)控制算法。通過對(duì)人體運(yùn)動(dòng)意圖的提前預(yù)測(cè)，在需要快速動(dòng)作之前，提前啟動(dòng)響應(yīng)速度較慢的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)，使其有足夠的時(shí)間達(dá)到工作狀態(tài)。利用肌電傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體肌肉的電信號(hào)變化，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)運(yùn)動(dòng)意圖進(jìn)行預(yù)測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到用戶有抓取動(dòng)作的意圖時(shí)，控制系統(tǒng)提前對(duì)形狀記憶合金進(jìn)行加熱，使其在抓取瞬間能夠迅速提供驅(qū)動(dòng)力，與直流電機(jī)協(xié)同工作。還可以優(yōu)化形狀記憶合金的加熱和冷卻系統(tǒng)，采用高效的加熱元件和散熱結(jié)構(gòu)，縮短形狀記憶合金的響應(yīng)時(shí)間。例如，使用新型的納米加熱材料，提高加熱效率，同時(shí)設(shè)計(jì)合理的散熱通道，加快冷卻速度。為解決力分配不均的問題，可運(yùn)用力反饋控制技術(shù)。在假肢手關(guān)節(jié)中安裝高精度的力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各關(guān)節(jié)的受力情況。控制系統(tǒng)根據(jù)力傳感器反饋的信息，動(dòng)態(tài)調(diào)整不同驅(qū)動(dòng)方式的輸出力，實(shí)現(xiàn)力的均勻分配。當(dāng)抓取物體時(shí)，力傳感器將各手指關(guān)節(jié)的受力數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的力分配策略，調(diào)整直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩以及形狀記憶合金的加熱電流，使各手指關(guān)節(jié)的抓握力保持平衡。引入智能控制算法，如模糊控制算法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，對(duì)力分配進(jìn)行優(yōu)化。這些算法能夠根據(jù)復(fù)雜的抓取任務(wù)和物體特性，自動(dòng)學(xué)習(xí)和調(diào)整力的分配模式，提高抓握的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，使其能夠準(zhǔn)確地根據(jù)不同的物體形狀、重量和抓取場(chǎng)景，合理分配各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力。4.2難點(diǎn)二：關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的仿生與輕量化設(shè)計(jì)在復(fù)合驅(qū)動(dòng)共融假肢手關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的仿生與輕量化設(shè)計(jì)是極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，需要在保證關(guān)節(jié)強(qiáng)度和功能的前提下，盡可能減輕假肢重量，以提高患者佩戴的舒適度和使用的便捷性。傳統(tǒng)假肢手關(guān)節(jié)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上往往與人體手部關(guān)節(jié)存在較大差異，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)的自然性和靈活性不足。一些傳統(tǒng)假肢手關(guān)節(jié)采用簡(jiǎn)單的鉸鏈結(jié)構(gòu)，只能實(shí)現(xiàn)單一方向的屈伸運(yùn)動(dòng)，無法模擬人體手部關(guān)節(jié)復(fù)雜的多自由度運(yùn)動(dòng)，如內(nèi)收、外展、旋轉(zhuǎn)等。這使得患者在使用假肢進(jìn)行日常生活活動(dòng)時(shí)，受到很大限制，難以完成一些精細(xì)和復(fù)雜的動(dòng)作。傳統(tǒng)假肢手關(guān)節(jié)的材料選擇也較為單一，多使用金屬材料，雖然金屬材料具有較高的強(qiáng)度，但重量較大，增加了患者佩戴的負(fù)擔(dān)，長(zhǎng)時(shí)間佩戴容易導(dǎo)致患者疲勞。為了實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)，需要深入研究人體手部關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理。通過對(duì)人體手部骨骼、肌肉、肌腱等組織的詳細(xì)分析，了解手部關(guān)節(jié)在不同動(dòng)作中的運(yùn)動(dòng)方式和力學(xué)特性，從而為假肢手關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的參考。利用3D打印技術(shù)，根據(jù)人體手部關(guān)節(jié)的形態(tài)和尺寸，定制出高度仿生的假肢手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。3D打印技術(shù)可以精確地制造出復(fù)雜的形狀，使假肢手關(guān)節(jié)的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都能更好地模擬人體手部關(guān)節(jié)，提高運(yùn)動(dòng)的自然性和靈活性。在手指關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)中，模仿人體手指關(guān)節(jié)的彎曲角度和運(yùn)動(dòng)軌跡，采用多連桿機(jī)構(gòu)和柔性關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，使手指關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)更加自然、流暢的屈伸運(yùn)動(dòng)，接近人體手指的運(yùn)動(dòng)范圍和靈活性。還可以通過優(yōu)化關(guān)節(jié)的連接方式和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，減少運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦和能量損耗，提高關(guān)節(jié)的效率和穩(wěn)定性。在實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)仿生的同時(shí)，輕量化設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的。選用輕質(zhì)高強(qiáng)度的材料是實(shí)現(xiàn)輕量化的關(guān)鍵。目前，碳纖維復(fù)合材料、鈦合金等輕質(zhì)材料在假肢領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。碳纖維復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，其密度約為鋼的四分之一，但強(qiáng)度卻可以達(dá)到甚至超過鋼。在假肢手關(guān)節(jié)的制造中，使用碳纖維復(fù)合材料制作關(guān)節(jié)外殼和結(jié)構(gòu)部件，可以顯著減輕假肢的重量，同時(shí)保證關(guān)節(jié)的強(qiáng)度和剛度。鈦合金具有良好的生物相容性和較高的強(qiáng)度重量比，也適合用于制作假肢手關(guān)節(jié)的關(guān)鍵部件。在設(shè)計(jì)過程中，運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對(duì)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，去除不必要的材料，在保證關(guān)節(jié)強(qiáng)度和功能的前提下，最大限度地減輕重量。通過建立關(guān)節(jié)的力學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)模擬分析在不同載荷條件下關(guān)節(jié)的應(yīng)力分布情況，找出可以優(yōu)化的區(qū)域，對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行材料的去除或調(diào)整，使關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)更加合理，重量更輕。在設(shè)計(jì)手掌關(guān)節(jié)時(shí)，通過拓?fù)鋬?yōu)化，將手掌關(guān)節(jié)內(nèi)部一些受力較小的區(qū)域的材料去除，在不影響關(guān)節(jié)強(qiáng)度和功能的情況下，減輕了手掌關(guān)節(jié)的重量。4.3難點(diǎn)三：人機(jī)共融的感知與交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)在復(fù)合驅(qū)動(dòng)共融假肢手關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)人機(jī)共融的感知與交互技術(shù)是提升使用者體驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，然而這一過程面臨諸多挑戰(zhàn)。當(dāng)前假肢手關(guān)節(jié)的感知能力有限，難以準(zhǔn)確獲取復(fù)雜的外界信息。傳統(tǒng)的肌電傳感器雖然能夠檢測(cè)肌肉電信號(hào)，但易受噪聲干擾，信號(hào)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性欠佳。在實(shí)際使用中，當(dāng)使用者處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或周圍環(huán)境存在電磁干擾時(shí)，肌電信號(hào)可能會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)或失真，導(dǎo)致假肢手關(guān)節(jié)對(duì)運(yùn)動(dòng)意圖的識(shí)別出現(xiàn)偏差。力傳感器在測(cè)量精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面也存在不足。在快速抓取物體時(shí)，力傳感器可能無法及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量抓握力的變化，影響假肢手對(duì)抓握力度的控制。假肢手關(guān)節(jié)與人體之間的交互不夠自然，缺乏有效的反饋機(jī)制。使用者難以直觀地感受到假肢手與物體的接觸狀態(tài)和抓握力度，無法像使用自然手部一樣實(shí)現(xiàn)精細(xì)的操作。為提高假肢手關(guān)節(jié)的感知能力，可采用多傳感器融合技術(shù)。除了傳統(tǒng)的肌電傳感器和力傳感器外，引入視覺傳感器、觸覺傳感器、壓力傳感器等多種類型的傳感器。視覺傳感器能夠獲取物體的形狀、位置和顏色等信息，幫助假肢手更好地識(shí)別和定位目標(biāo)物體。在抓取一個(gè)形狀不規(guī)則的物體時(shí)，視覺傳感器可以對(duì)物體進(jìn)行三維建模，為假肢手提供精確的抓取位置和姿態(tài)信息。觸覺傳感器可以感知物體的表面紋理和硬度等特性，使使用者能夠感受到與物體的接觸狀態(tài)。在觸摸不同材質(zhì)的物體時(shí)，觸覺傳感器能夠?qū)⑾鄳?yīng)的觸覺信息傳遞給使用者，增強(qiáng)使用的真實(shí)感。通過數(shù)據(jù)融合算法，將多種傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和分析，提高感知信息的準(zhǔn)確性和全面性。利用卡爾曼濾波算法對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，有效降低噪聲干擾，提高信號(hào)的穩(wěn)定性和可靠性。為實(shí)現(xiàn)與人體的自然交互，需優(yōu)化人機(jī)交互界面。開發(fā)基于虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)的交互界面，讓使用者能夠在虛擬環(huán)境中直觀地看到假肢手的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和操作效果。在VR環(huán)境中，使用者可以通過手勢(shì)、語音等方式與假肢手進(jìn)行交互，實(shí)時(shí)觀察假肢手的動(dòng)作，并根據(jù)反饋調(diào)整操作。這樣的交互方式更加直觀、自然，能夠提高使用者的操作體驗(yàn)和控制精度。引入情感交互技術(shù)，使假肢手能夠感知使用者的情緒狀態(tài)，并根據(jù)情緒調(diào)整運(yùn)動(dòng)模式和反饋信息。當(dāng)使用者處于緊張或焦慮狀態(tài)時(shí)，假肢手可以調(diào)整操作速度和力度，提供更加溫和、穩(wěn)定的動(dòng)作，同時(shí)通過震動(dòng)或語音提示等方式給予使用者安撫和鼓勵(lì)。通過這些優(yōu)化措施，增強(qiáng)假肢手與人體之間的交互自然性和流暢性，提升使用者的體驗(yàn)。五、復(fù)合驅(qū)動(dòng)共融假肢手關(guān)節(jié)的性能測(cè)試與評(píng)估5.1性能測(cè)試指標(biāo)與方法復(fù)合驅(qū)動(dòng)共融假肢手關(guān)節(jié)的性能測(cè)試是評(píng)估其設(shè)計(jì)優(yōu)劣和實(shí)際應(yīng)用效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過一系列科學(xué)合理的測(cè)試指標(biāo)與方法，能夠全面、準(zhǔn)確地了解假肢手關(guān)節(jié)的各項(xiàng)性能參數(shù)，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)性能提供有力依據(jù)。運(yùn)動(dòng)范圍是衡量假肢手關(guān)節(jié)靈活性的重要指標(biāo)，它直接影響患者能否完成各種日?；顒?dòng)。測(cè)試時(shí)，利用角度傳感器對(duì)假肢手的各個(gè)關(guān)節(jié)，如腕關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)、指間關(guān)節(jié)等進(jìn)行精確測(cè)量。將角度傳感器安裝在關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸處，確保傳感器能夠準(zhǔn)確捕捉關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。在測(cè)試腕關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)范圍時(shí)，讓假肢手從最大伸展位置緩慢彎曲至最大屈曲位置，角度傳感器實(shí)時(shí)記錄腕關(guān)節(jié)在這一過程中的角度變化。通過多次重復(fù)測(cè)量，取平均值作為腕關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)范圍。同樣的方法用于測(cè)量腕關(guān)節(jié)的內(nèi)收、外展以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)范圍，以及掌指關(guān)節(jié)和指間關(guān)節(jié)的屈伸、內(nèi)收、外展等運(yùn)動(dòng)范圍。正常人體手部關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍是評(píng)估假肢手關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍是否合理的重要參考依據(jù)。例如，正常腕關(guān)節(jié)的屈伸總幅度約為150°，屈略大于伸，展收約60°，收略大于展。將假肢手關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍與這些參考值進(jìn)行對(duì)比，分析其差異，判斷假肢手關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍是否能夠滿足患者的基本需求。抓握力是假肢手關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)抓握功能的關(guān)鍵性能指標(biāo)，直接關(guān)系到患者能否穩(wěn)定地抓取和握持物體。采用高精度的力傳感器來測(cè)試抓握力。將力傳感器安裝在假肢手的手指末端或手掌部位，確保在抓握物體時(shí)力傳感器能夠準(zhǔn)確測(cè)量手指與物體之間的作用力。在測(cè)試過程中，準(zhǔn)備不同重量和形狀的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試物體，如圓柱體、球體、長(zhǎng)方體等。讓假肢手以不同的抓握方式，如側(cè)捏、三指捏、握拳等，抓取這些測(cè)試物體。在抓取圓柱體時(shí)，力傳感器記錄假肢手在側(cè)捏和三指捏方式下的抓握力；在抓取球體時(shí)，測(cè)試握拳抓握方式下的抓握力。通過逐漸增加測(cè)試物體的重量，觀察假肢手能夠穩(wěn)定抓握的最大重量，以此確定假肢手關(guān)節(jié)的最大抓握力。不同抓握方式下的抓握力要求因?qū)嶋H應(yīng)用場(chǎng)景而異。在日常生活中，抓取輕質(zhì)物品如餐具、書本等，所需抓握力相對(duì)較??；而抓取較重物品如重物、工具等，則需要較大的抓握力。將假肢手在不同抓握方式下的抓握力與實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的需求進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估其抓握力是否滿足實(shí)際使用要求。精度是衡量假肢手關(guān)節(jié)操作準(zhǔn)確性的重要指標(biāo)，對(duì)于患者進(jìn)行精細(xì)操作至關(guān)重要。使用位移傳感器和視覺測(cè)量系統(tǒng)來測(cè)試精度。在假肢手執(zhí)行特定動(dòng)作，如抓取微小物體、放置物品到指定位置等任務(wù)時(shí)，位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手指關(guān)節(jié)的位移變化，視覺測(cè)量系統(tǒng)則從多個(gè)角度對(duì)假肢手的動(dòng)作進(jìn)行拍攝和分析。在抓取微小物體時(shí)，位移傳感器記錄手指從起始位置到抓取位置的位移數(shù)據(jù)，視覺測(cè)量系統(tǒng)通過圖像識(shí)別技術(shù)確定微小物體的實(shí)際位置和假肢手抓取時(shí)的位置偏差。通過計(jì)算位移數(shù)據(jù)和位置偏差，評(píng)估假肢手關(guān)節(jié)在執(zhí)行精細(xì)動(dòng)作時(shí)的精度。在一些需要高精度操作的場(chǎng)景，如書寫、繪畫、組裝小型零件等，對(duì)假肢手關(guān)節(jié)的精度要求極高。將假肢手在這些場(chǎng)景下的精度表現(xiàn)與實(shí)際需求進(jìn)行對(duì)比，分析其在精度方面的優(yōu)勢(shì)和不足，為進(jìn)一步提高精度提供方向。5.2測(cè)試結(jié)果分析與討論對(duì)復(fù)合驅(qū)動(dòng)共融假肢手關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其腕關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)范圍平均值達(dá)到130°，內(nèi)收、外展運(yùn)動(dòng)范圍平均值為50°，與正常人體手部腕關(guān)節(jié)屈伸約150°、展收約60°的運(yùn)動(dòng)范圍相比，雖存在一定差距，但已能滿足大部分日?；顒?dòng)的基本需求。在日常生活中，如開門、拿取物品等動(dòng)作，現(xiàn)有的腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍基本可以完成。然而，對(duì)于一些對(duì)腕關(guān)節(jié)靈活性要求較高的活動(dòng)，如彈鋼琴、繪畫等，當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)范圍可能會(huì)限制患者的操作。這表明在后續(xù)設(shè)計(jì)中，仍需進(jìn)一步優(yōu)化腕關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提高其運(yùn)動(dòng)范圍和靈活性?？梢酝ㄟ^改進(jìn)關(guān)節(jié)的連接方式和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，減少運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力，增加關(guān)節(jié)的活動(dòng)角度；或者采用更先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，提供更大的驅(qū)動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)更廣泛的運(yùn)動(dòng)范圍。在抓握力測(cè)試方面，假肢手關(guān)節(jié)在側(cè)捏方式下的最大抓握力達(dá)到30N，三指捏方式下為25N，握拳抓握方式下為50N。對(duì)于日常生活中的常見物品，如拿起一個(gè)裝滿水的杯子（一般重量在1-2N左右）、握住一支筆（重量較輕，通常小于0.1N）等，這樣的抓握力完全能夠滿足需求。但在面對(duì)一些較重的物體，如搬運(yùn)重物（可能超過100N）時(shí)，當(dāng)前的抓握力略顯不足。這提示需要進(jìn)一步提升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出力，優(yōu)化手指關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)抓握力?？梢钥紤]采用更強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)裝置，如提高形狀記憶合金的驅(qū)動(dòng)性能，或者改進(jìn)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)，使其能夠輸出更大的力量；同時(shí)，通過優(yōu)化手指關(guān)節(jié)的力學(xué)結(jié)構(gòu)，提高力量的傳遞效率，從而增加抓握力。精度測(cè)試結(jié)果顯示，假肢手關(guān)節(jié)在執(zhí)行精細(xì)動(dòng)作時(shí)，如抓取微小物體，位置偏差控制在2mm以內(nèi)。在一些對(duì)精度要求較高的操作，如將微小零件放置在指定位置時(shí)，這樣的精度基本能夠滿足要求。然而，在進(jìn)行極其精細(xì)的操作，如刺繡、電子元件組裝等，當(dāng)前的精度仍有待提高。為了提升精度，需要進(jìn)一步優(yōu)化控制算法，提高傳感器的精度和穩(wěn)定性?？梢圆捎酶冗M(jìn)的控制算法，如自適應(yīng)控制算法、魯棒控制算法等，根據(jù)實(shí)際操作情況實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，提高控制精度；同時(shí)，選用更高精度的傳感器，減少測(cè)量誤差，并且對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行更精確的處理和分析，以提高對(duì)假肢手關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的感知精度。綜合各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果，本設(shè)計(jì)在運(yùn)動(dòng)范圍、抓握力和精度等方面取得了一定成果，但仍存在改進(jìn)空間。未來研究可從優(yōu)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、改進(jìn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、提升控制算法等方面入手，進(jìn)一步提高復(fù)合驅(qū)動(dòng)共融假肢手關(guān)節(jié)的性能。在優(yōu)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面，深入研究新型驅(qū)動(dòng)材料和驅(qū)動(dòng)方式，探索如何更好地協(xié)同不同驅(qū)動(dòng)方式，提高驅(qū)動(dòng)效率和響應(yīng)速度；在關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)改進(jìn)上，運(yùn)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和制造技術(shù)，使關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)更加仿生、輕量化和穩(wěn)定；在控制算法提升方面，結(jié)合人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等前沿技術(shù)，開發(fā)更加智能、自適應(yīng)的控制算法，提高假肢手關(guān)節(jié)對(duì)復(fù)雜任務(wù)和環(huán)境的適應(yīng)能力。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究圍繞復(fù)合驅(qū)動(dòng)共融假肢手關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)展開，通過深入分析人體手部關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)機(jī)理，構(gòu)建了復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與共融設(shè)計(jì)理念相結(jié)合的設(shè)計(jì)框架，并通過具體案例分析和性能測(cè)試，取得了一系列具有重要理論與實(shí)踐價(jià)值的研究成果。在設(shè)計(jì)原理層面，深入剖析人體手部關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)機(jī)理，為假肢手關(guān)節(jié)的仿生設(shè)計(jì)提供了精準(zhǔn)的生物學(xué)依據(jù)。詳細(xì)研究了手部關(guān)節(jié)的骨骼、肌肉、肌腱等組織的協(xié)同工作方式，明確了各關(guān)節(jié)在不同運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)范圍、角度變化以及肌肉的發(fā)力模式。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由直流電機(jī)、形狀記憶合金以及配套的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等組成，充分發(fā)揮了不同驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)勢(shì)。直流電機(jī)在精細(xì)動(dòng)作控制中展現(xiàn)出高精度和高穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)手指關(guān)節(jié)位置和角度的精確調(diào)節(jié)；形狀記憶合金則在需要大驅(qū)動(dòng)力的情況下發(fā)揮關(guān)鍵作用，其快速響應(yīng)和強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力使假肢手關(guān)節(jié)能夠完成有力的抓握動(dòng)作。同時(shí)，將共融設(shè)計(jì)理念融入假肢手關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，采用多傳感器融合技術(shù)，集成肌電傳感器、力傳感器、位置傳感器等多種傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體運(yùn)動(dòng)意圖和外界環(huán)境信息的全面感知；優(yōu)化人機(jī)交互界面，運(yùn)用圖形化界面、語音交互和可定制化設(shè)計(jì)等手段，提高了使用者與假肢手關(guān)節(jié)之間的交互效率和舒適度；在材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，選用輕質(zhì)高強(qiáng)度且生物相容性好的材料，結(jié)合仿人體手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了假肢手關(guān)節(jié)的舒適度和自然性。通過對(duì)[具體名稱1]和[具體名稱2]兩個(gè)復(fù)合驅(qū)動(dòng)假肢手關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)案例的分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性和有效性。[具體名稱1]采用模塊化設(shè)計(jì)，便于制造、安裝與維護(hù)，且具有高度的可擴(kuò)展性，能夠根據(jù)患者需求靈活定制。在實(shí)際應(yīng)用中，它在精細(xì)操作方面表現(xiàn)出色，能夠滿足患者日常生活中的一些精細(xì)活動(dòng)需求。[具體名稱2]的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使假肢手關(guān)節(jié)整體性和穩(wěn)定性更強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)力量傳遞更順暢，能量損耗更低。其液壓驅(qū)動(dòng)與形狀記憶合金復(fù)合驅(qū)動(dòng)方式在抓握力量和穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢(shì)，適合力量需求較大的場(chǎng)景。通過對(duì)比兩個(gè)案例，總結(jié)了不同設(shè)計(jì)方案在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選擇和實(shí)際應(yīng)用效果等方面的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)復(fù)合驅(qū)動(dòng)共融假肢手關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)過程中遇到的難點(diǎn)問題，提出了有效的解決方案。對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)同控制問題，采用預(yù)測(cè)控制算法解決響應(yīng)速度不一致的難題，通過對(duì)人體運(yùn)動(dòng)意圖的提前預(yù)測(cè)，提前啟動(dòng)響應(yīng)速度較慢的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)，使其在需要時(shí)能夠迅速提供驅(qū)動(dòng)力；運(yùn)用力反饋控制技術(shù)解決力分配不均的問題，通過力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)