“重度失能”老人和事故灾害造成的残疾患者在日益增多,这对护理和康复工作提出了更高的要求。护理人员需要经常对这些长期卧床的患者进行翻身、移乘和按摩等护理以防压疮等疾病的产生,并且需要帮助患者按期进行康复训练。因此,研究一种模仿人手抓取人肢体并进行操控的机械手,对减轻护理人员的工作负担,以及设计具有通用性和结构紧凑的仿人机器人具有重要意义。与其他机械手不同,人肢体被抓取时的安全性和舒适性是仿人护理机械手的设计和控制中需要首先考虑的问题。影响抓取人肢体的安全性和舒适性的主要参数是抓取力在人肢体内部产生的极值应力、应变和平均应力、应变等。本文采用生物力学方法,分析机械手不同的抓取力对人肢体的生物力学影响,为机械手爪的结构设计和关节控制提供了理论指导。本文通过CT扫描图像利用MIMICS重建人体小腿三维几何模型并利用Geomagic Studio光滑地处理该模型,再利用HyperMesh、ABAQUS等软件建立小腿有限元模型。小腿有限元模型的皮肤组织和骨骼组织采用线弹性材料模型,肌肉组织采用Odgen超弹性材料模型。在ABAQUS中,采用tie约束将皮肤组织与肌肉组织、肌肉组织与骨骼组织连接起来,机械手与皮肤之间的接触算法采用面对面、罚刚度接触约束算法。利用升降台、压力计、单关节平移机械手对志愿者小腿施加压力,记录机械手压力-位移数据,并将其与用小腿有限元模型进行仿真得到的数据对比,以验证小腿有限元模型的有效性和可用性。并通过生物有限元方法,分析单关节平移机械手采用不同抓取角度、不同抓取力和不同摩擦系数抓取对小腿软组织产生的应力、应变等的影响。通过仿真实验分析,发现采用50-60°左右的抓取角度较为合适。与单关节平移机械手相比,二关节机械手具有更将灵活的操作性,其与小腿的相互作用能产生较好的包络线。本文研究采用二指二关节机械手抓取小腿的生物力学特性,分别研究了机械手的抓取关节角度、小腿的抓取位置、垫片材料、机械手手指的尺寸等对抓取产生的应力应变的影响。研究结果表明:抓取的关节角度第一关节角度和第二关节角度分别为0°和50°较为合适;垫片材料越柔软,抓取小腿产时生的应力应变等就越小;增加第二指节的长度对减小应力应变等的作用比较明显,而增加第一指节长度对应力和应变等的影响较小。本文采用基于血氧指标和主观舒适性评价的实验方法,对机械手抓取小腿的仿真分析结果进行验证。基于血氧指标的实验是采用近红外组织血氧监测仪对小腿在机械手抓取前后的血氧饱和度变化进行监测,并将其结果与仿真结果进行对比分析,验证仿真分析结果的正确性。主观舒适性评价是志愿者在机械手抓取小腿时对舒适性的评价,将其结果与仿真结果对比分析,验证仿真结果的正确性,证明了该研究方法的正确性。本文的研究结果可为护理用机械手的结构设计和控制优化提供指导,也可为其他人机交互过程中生物力学分析的相关研究提供有用借鉴。