基于ABAQUS的三维有限元抓握手模型的建立与研究

杨德伟，李俊源，姜献峰，饶聪超

(浙江工业大学特种装备制造和先进加工技术教育部重点实验室，浙江杭州 310014)

手握式工具是人双手能力的延伸。它极大地扩大了人的生理能力，增加了人的动作范围和力度。人们在工作、生活中使用的绝大多数手工具的外观造型还没有达到最优，若设计有缺陷的手柄被人们长期使用，会使人手部产生痛觉，甚至变形［1］。在使用手抓握工具时，手表面压力分布情况能直观地呈现出手部各个区域的受力情况，因此通过考查手部各个区域的压力分布能指导工具手柄的造型设计，目前压力分布测试方法大都是通过贴有传感器的数据手套对实物样件进行测试来实现。在工具手柄的开发设计中，采用实物样机测试，需要反复试制与试验，成本高、效率低下，开发设计周期长［2］。

随着计算机水平的不断提高和有限元理论及分析软件的发展，人们开始使用有限元方法对人体的各个部位进行分析研究［3］。将手对手柄的抓握运用有限元法进行分析，直观地反映了手掌表面所受的压力情况，使产品的评估可以在设计阶段就开始进行，手柄设计更加符合人机工程学，提高了手柄舒适性。要获取手表面的压力分布，就要完成手对手柄的抓握:(1)需建立合适的手模型。(2)需对手模型运动所需要的自由度进行约束。(3)手指关节处做适当的处理，使各节手指能发生转动。(4)建立相应的运动规划控制手的抓握运动。(5)在有限元软件中完成手对手柄的抓握。为建立精确的手抓握有限元模型，建模方法的选择和对运动仿真关键技术的研究就显得尤为重要。本文按照正常人体标准手部尺寸，基于人体手部CT数据建立合适的有限元手抓握模型，并对手指关节的转动进程控制，对有限元手模型抓握手柄模型后的手表面压力分布进行分析。

1 手部结构分析及模型的建立

1.1 手部解剖结构

手和身体其他部分一样，在最外层的是皮肤，皮肤之下有肌肉、神经、血管等软组织，肌肉之下是骨头，如图 1 所示［4］。

图1 手部解剖结构

骨头:分为指骨、掌骨、腕骨。骨头与骨头连接的部分形成了手指及手腕间的各个关节，手指转动的实质是手指关节的转动，如图2中拇指的TIJ关节有1个转动自由度，作伸屈运动，TMPJ和TMJ分别有2个垂直方向的转动自由度，作屈伸、收展运动;其他4指的运动关节DIJ和PIJ各有1个转动自由度，作屈伸运动，MPJ有2个转动自由度，作伸屈和收展运动。各指骨间连接为铰链连接［5］，以食指为例，手指转动时各关节转动参考坐标系如图2所示。

图2 食指多级坐标系

肌肉:从手掌的解剖特征来看，掌心部分的肌肉最少。指球肌，大、小鱼际肌是肌肉丰富的部位，是手部的天然减振器。因此，在设计手柄时，为减少手部受到的伤害，要使手抓握手柄时手部受力部位在肌肉丰富的区域。

皮肤:皮肤组织在身体表面，包在肌肉的外面，皮肤下面是皮下脂肪和结缔组织。皮肤弹性差不易移动:皮肤深面有许多垂直的纤维束将皮肤与浅筋膜、深筋膜、腱鞘和骨膜等深部结构相连。这种解剖构造从功能上来看，使皮肤不易移动，有利于抓、握和持物。

1.2 手部几何模型的建立

1．2．1 模型简化

(1)由于在指骨关节处采用铰链连接，手抓握时以“铰链”的转动带动手指骨的转动，从而使整个手指发生转动，以此种连接关系代替指关节的作用，因此建立模型时不再建立指关节模型。(2)手对手柄完成抓握后，要考察手表面压力分布情况，而非手内部肌肉、神经、血管等软组织的受力情况，而且在将皮肤、肌肉、神经、血管等软组织作为整体来考虑时，并不会对手表面压力分布造成影响，因此建立以皮肤、肌肉、神经、血管等软组织作为整体考虑的模型，在此称为软组织模型。(3)建立各节指骨、掌骨以及各块腕骨的手部骨骼模型。因此，建立的手模型简化为2部分:以皮肤、肌肉、神经、血管等软组织为整体的软组织模型和手部骨骼模型。

1．2．2 模型建立

几何模型有以NURBS为代表的连续型模型和三角面片形式的离散型模型。连续型几何模型在有限元分析时需对其进行网格划分，离散型几何模型可在三角片的基础上划分网格，此处建立的模型是基于CT数据建立并以STL格式保存的离散型模型。

a．模型的建立:获取手部的CT数据，利用三维重建技术建立并以STL格式保存的各节手指骨、掌骨和各块腕骨模型和手外表面模型如图3所示。

图3 手外表面模型

b．模型处理:图3(a)模型三角面片分布极为杂乱，基于此划分的有限元网格的质量很差。为获取较好的网格质量，将建立并以STL格式保存的离散型模型转化为NURBS形式的连续型模型，如图3(b)所示，然后对其进行网格划分，处理后划分的网格如图3(c)所示。

2 手指关节转动进程控制的建立

2.1 抓握时各手指关节间关系

图4 食指各关节转动随时间变化关系

抓握过程中各节手指既在各自坐标系内独立运动又相互关联［6］。如:近节指骨转动时能带动中节指骨和远节指骨的转动。在抓握物体过程中以食指为例(食指各关节转角与时间的关系曲线如图4所示):(1)若近节指骨在t1时刻先碰到物体，则中节指骨和远节指骨会继续转动直到与物体接触;(2)若中节指骨在t2时刻先与物体接触，则近节指骨会停止转动，而远节指骨会继续转动直到与物体接触;(3)若远节指骨在t3时刻先于物体接触，则中节指骨和近节指骨会停止转动。由此建立相应握姿下各手指关节转动角度与时间的关系，再根据手指与手柄接触处力的大小，可对手抓握手柄过程中各节手指的转动进行控制。

2.2 抓握时各手指关节转动关系曲线的建立

如图5所示，实验方案中用了24个标记:4个标记和1个锁在手腕上的结构连接在一起，用来标记整个手的转动和移动，第2～5手指的指尖以及MPJ、PIJ、DIJ关节处各放置1个标记，拇指的指尖和 TMJ、TMPJ、TIJ关节处各放置 1 个标记［7］。

图5 手上标记点位置

用摄像机拍下手抓握运动过程，然后提取从零时刻到抓握结束过程中每一帧的图像。通过软件对图片进行处理得到不同时刻指关节的转角，由此绘制出各节手指转动角度随时间变化的曲线图。

3 有限元分析计算

由于手部骨骼模型和手部软组织模型结构较为复杂，很难划分出六面体网格，而采用四面体网格就可以满足本研究的要求。采用的网格单元类型为C3D4。划分好的网格模型如图6所示。

图6 划分好的手网格模型

在该研究中，考查的是抓握手柄后手表面压力分布情况，因此手部骨骼模型和软组织模型均采用均质线弹性材料，不再考虑手部软组织的粘弹特性，骨骼模型材料采用皮质骨的材料特性，软组织材料采用手部皮肤材料特性，材料参数选择见表1［8-9］。

将手部软组织模型与骨骼模型绑定在一起，指骨间关节处采用铰链类型连接关系，抓握时将手腕处固定，在指骨连接处，通过手抓握时各节手指关节转动角度曲线对手指的转动进行控制，手指骨就带动整个手指发生转动。

表1 材料参数选择

有限元分析软件的选择:ABAQUS是一款功能强大的工程模拟的有限元软件，对生物材料分析的可信度高，在生物力学研究中被广泛应用。因此，本研究采用ABAQUS作为分析软件。

4 手柄手抓握有限元分析

图7(a)为手模型和手柄模型抓握的初始姿态，将手模型手腕处和手柄固定，手表面与手柄表面采用面-面接触关系，根据前面得到的手抓握时各关节转角随时间变化曲线，并结合手指与手柄接触处力的大小对手的抓握进行控制，手模型对手柄完成抓握后的姿态如图7(b)所示。

图7 手抓握姿态

4.1 手表面压力分布情况

图8 (a)为去掉手柄后手表面的压力分布情况，应力云图在展开后的手表面显示如图8(b)所示，有限元分析计算得到的手表面与手柄接触处的应力值大小为0．07MPa与通过实验测得的真实手抓握手柄时手表面应力值大小相符，应力云图标尺如图8(c)所示。

图8 手表面应力分布

4.2 手抓握有限元结果分析

通过构建合适的有限元手抓握模型，并根据实验得到的手指各关节转动角度随时间变化的关系，对手抓握进行控制，手模型采用合适的材料参数，利用有限元分析软件ABAQUS，完成了有限元手模型对圆柱状手柄模型的抓握，得到了抓握完成后手表面的压力分布情况，并测得手表面应力值的大小与真实手抓握时应力值大小相符。

5 结束语

本文建立了包含软组织模型和手部骨骼模型2部分的手简化模型，将手部骨骼和软组织“绑定”在一起，各节手指关节间建立铰链类型的连接关系，选择合适的手部材料，在ABAQUS软件中完成了有限元手模型对手柄模型的抓握，得到了手部的压力分布情况，手表面压力分布情况直观地呈现出了手部各个区域的受力情况，通过考查手部各个区域的压力分布能指导工具手柄的造型设计，使产品的评估可以在设计阶段就进行，手柄设计更加符合人机工程学，提高手柄舒适性。

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