外骨骼康復(fù)機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

1、    外骨骼康復(fù)機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真    方思中 袁銳波摘要：腦卒中會(huì)引起的人的肢體運(yùn)動(dòng)功能喪失，手功能發(fā)生障礙便是其中一種。本文設(shè)計(jì)了一種輔助患者進(jìn)行彎曲伸展運(yùn)動(dòng)的多自由度外骨骼康復(fù)機(jī)械手系統(tǒng)，通過(guò)一定的重復(fù)性訓(xùn)練治療，降低患者因無(wú)法經(jīng)?；顒?dòng)手部造成大腦相關(guān)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)功能衰弱和手部相關(guān)肌肉的萎縮的可能性，進(jìn)而恢復(fù)手指的運(yùn)動(dòng)功能。abstract： stroke can cause loss of limb movement function， and dysfunction of hand function is one of them. this

2、 paper designed a multi-degree-of-freedom exoskeleton manipulator system that assists patients in flexion and extension exercises. through certain repetitive training treatments， the patient's hand-related inability to exercise the brain caused a decline in brain-related motor nerve function and

3、 hand-related muscle atrophy， and then restore the motion function of the fingers.關(guān)鍵詞：腦卒中；外骨骼；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；康復(fù)機(jī)械手key words： cerebral apoplexy；hemiplegia；exoskeleton；rehabilitation robot hand：tp241 ：a ：1006-4311（2018）25-0160-030 引言現(xiàn)如今，因腦卒中以及神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙等引起的肢體運(yùn)動(dòng)功能喪失及其并發(fā)癥的發(fā)病率有逐年上升的趨勢(shì)1，而手部運(yùn)動(dòng)功能發(fā)生障礙便是其中一種。當(dāng)患者喪失手部運(yùn)動(dòng)能力時(shí)

4、，自理能力會(huì)受到嚴(yán)重影響。手功能運(yùn)動(dòng)障礙的患者通常表現(xiàn)為手指僵硬，手指間各關(guān)節(jié)不能正常自主的彎曲、內(nèi)收和外展，喪失持握能力，因此及時(shí)有效的康復(fù)治療便顯得尤為重要2，3。本文在國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種全新的手指康復(fù)外骨骼結(jié)構(gòu)，并結(jié)合一定的控制系統(tǒng)使外骨骼運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。1 手指康復(fù)外骨骼設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)總要求外骨骼是直接佩戴在患者手部的，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮結(jié)構(gòu)的安全性。其次，康復(fù)機(jī)械手作為幫助患者進(jìn)行手部恢復(fù)的高精度醫(yī)療設(shè)備，因此應(yīng)充分考慮機(jī)構(gòu)的可靠性，外骨骼材料硬度是否高高，控制系統(tǒng)是否可靠等4-6。本康復(fù)機(jī)械手面對(duì)的是偏癱患者，由于其病癥特點(diǎn)，該群體的感知能力較差，故

5、設(shè)備在工作中，患者的舒適性是設(shè)計(jì)手功能康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)需要著重考慮的問(wèn)題。在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中，由于病患手部較為虛弱，需要對(duì)患者手部進(jìn)行支持，且手部盡量不要承受力，因此在設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)時(shí)應(yīng)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分開(kāi)。1.2 外骨骼執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)基于對(duì)人手理論基礎(chǔ)相關(guān)方面的了解和模塊化設(shè)計(jì)思想，本文研制了一種新型的康復(fù)機(jī)械手的外骨骼機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)將執(zhí)行部分和驅(qū)動(dòng)部分分開(kāi)，通過(guò)帶輪將驅(qū)動(dòng)力傳遞至指關(guān)節(jié)外骨骼上，從而帶動(dòng)患者手指運(yùn)動(dòng)，本文以食指和環(huán)指為例，其外骨骼的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。因?yàn)槭持负铜h(huán)指的外骨骼結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)除了手指指節(jié)所對(duì)應(yīng)的外骨骼長(zhǎng)度不同之外，其他包括設(shè)計(jì)原理、運(yùn)動(dòng)原理、各構(gòu)件式樣等均相同，故本文

6、以食指為例詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)的手指外骨骼結(jié)構(gòu)。從食指的外骨骼示意圖可以看出其運(yùn)動(dòng)原理和運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形態(tài)，該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單清晰，相比較國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)康復(fù)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，具有一定優(yōu)勢(shì)。此外，圖中顯示出食指各關(guān)節(jié)外骨骼尺寸是不同的，且尺寸參數(shù)是可調(diào)的，這是因?yàn)槊總€(gè)患者手指的各個(gè)關(guān)節(jié)的尺寸都有一定差異，設(shè)計(jì)外骨骼機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)可調(diào)，以適應(yīng)不同患者并對(duì)其進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，這樣也更滿(mǎn)足人手指的正常情況。從圖中看到該食指外骨骼的機(jī)構(gòu)也比較緊湊，各指關(guān)節(jié)外骨骼和手指一樣，為了方便后期對(duì)手指外骨骼進(jìn)行仿真分析和計(jì)算，將采用單自由度串聯(lián)的方法。最后也是最為重要的一點(diǎn)設(shè)計(jì)，該康復(fù)外骨骼每個(gè)關(guān)節(jié)都可以進(jìn)行拆卸和組裝，且每個(gè)關(guān)節(jié)

7、的零部件也可根據(jù)不同患者的手指的尺寸參數(shù)靈活替換或是移動(dòng)，這樣大大提高了手指康復(fù)外骨骼的靈活性、適用性和可替換性，從而避免了針對(duì)不同患者只能配用特定的外骨骼康復(fù)機(jī)械手的情況，節(jié)約了成本，提高了效率。下面將詳細(xì)介紹外骨骼主要執(zhí)行部分的結(jié)構(gòu)件。圖3為mcp關(guān)節(jié)的裝配體和結(jié)構(gòu)件展示圖，其中圖（b）、（c）、（d）分別叫做觸指、滑塊和調(diào)指。觸指的曲面設(shè)計(jì)可以更好地與手指上部輪廓接觸，使患者手指受力均勻，佩戴舒適?；瑝K兩側(cè)邊均開(kāi)有矩形槽，以便在槽兩側(cè)各加一銷(xiāo)釘，起到固定觸指的作用?；瑝K底部開(kāi)有矩形槽口，與觸指構(gòu)成移動(dòng)副，且該槽口與觸指是間隙配合，方便觸指在其槽口內(nèi)移動(dòng)。另外，之所以將滑塊和觸指之間構(gòu)成移

8、動(dòng)副，主要是障礙患者手指具有柔軟性且粗細(xì)不一，若設(shè)計(jì)的觸指和手指固定后不能使該指關(guān)節(jié)與其他指關(guān)節(jié)在同一水平線(xiàn)上，在康復(fù)過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生影響?；瑝K頂部裝有兩條滑軌，和調(diào)指形成間隙配合，并對(duì)調(diào)指起到一定的限位作用，防止運(yùn)動(dòng)過(guò)程中調(diào)指滑落。最后一個(gè)特點(diǎn)為調(diào)指結(jié)構(gòu)件的創(chuàng)意設(shè)計(jì)，中間是一個(gè)類(lèi)似矩形塊，前后兩端均有突出部分。矩形塊底部有一帶缺口的類(lèi)t型通槽，該通槽與前面的滑塊頂部之間構(gòu)成移動(dòng)副。對(duì)于前端的兩個(gè)伸出塊（稱(chēng)為帶輪固定塊），如圖，兩帶輪固定塊上均開(kāi)有圓形通孔和圓形矩形通孔，其目的是用來(lái)安裝配有帶輪的圓柱的，根據(jù)患者指關(guān)節(jié)的長(zhǎng)度調(diào)整圓柱在通孔處的位置和調(diào)指在滑軌處的相對(duì)位置，從而大大提高了外骨骼的適

9、用性。因pip和mcp外骨骼機(jī)構(gòu)一樣，這里將不再闡述pip外骨骼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文主要對(duì)mcp和pip關(guān)節(jié)進(jìn)行外骨骼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，dip關(guān)節(jié)是通過(guò)連桿與pip關(guān)節(jié)的外骨骼連接起來(lái)。假設(shè)患者出現(xiàn)偏癱癥狀時(shí)其dip關(guān)節(jié)與pip關(guān)節(jié)之間的耦合作用依然存在，也就是說(shuō)當(dāng)外骨骼輔助dip關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，pip關(guān)節(jié)也會(huì)隨之運(yùn)動(dòng)，而之所以設(shè)計(jì)dip關(guān)節(jié)是供后來(lái)學(xué)者繼續(xù)研究時(shí)，方便裝置相關(guān)傳感器來(lái)及時(shí)獲取手指在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的信息。到此，外骨骼執(zhí)行部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)便已完成，接下來(lái)需要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。1.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)本文驅(qū)動(dòng)器選用的是迷你氣缸，故需設(shè)計(jì)一個(gè)裝置既可以固定氣缸，同時(shí)還能驅(qū)動(dòng)外骨骼運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由4個(gè)尾座支架、

10、4個(gè)前座支架、2個(gè)氣缸支架、2個(gè)不規(guī)則連桿和2個(gè)氣缸配件，其中尾座支架和氣缸支架是用來(lái)固定微型氣缸元件的，使得驅(qū)動(dòng)器在單片機(jī)控制下能夠更穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)外骨骼的執(zhí)行部分，而兩個(gè)前座支架是固定轉(zhuǎn)柱和配有帶輪的圓柱銷(xiāo)的。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，前座支架和尾座支架之間有一定的距離，即使氣缸全部伸出，也觸碰不到轉(zhuǎn)柱，因此，本文在氣缸和轉(zhuǎn)柱間設(shè)有一不規(guī)則連桿和以氣缸配件來(lái)連接這兩部分。在連桿中部有一螺栓，螺栓是從連桿底部由下而上旋入的，且位置可調(diào)，當(dāng)氣缸活塞伸出其上的配件就會(huì)在連桿凹槽中移動(dòng)，直到銷(xiāo)釘與螺栓接觸，此時(shí)若活塞繼續(xù)伸出，則會(huì)推動(dòng)轉(zhuǎn)柱轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)帶輪驅(qū)動(dòng)外骨骼運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而對(duì)手指障礙患者的進(jìn)行康復(fù)治療。2 外骨

11、骼康復(fù)機(jī)械手的仿真分析當(dāng)氣缸運(yùn)動(dòng)到設(shè)計(jì)位置時(shí)，迷你氣缸活塞頭部就會(huì)碰到固定在連桿上的螺栓，從而推動(dòng)轉(zhuǎn)柱轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而帶動(dòng)帶輪，最后指關(guān)節(jié)外骨骼在帶輪的驅(qū)動(dòng)下使手指運(yùn)動(dòng)。具體仿真界面、三個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度、三個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)以及指尖運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5。在mcp+pip+dip三關(guān)節(jié)聯(lián)合運(yùn)動(dòng)模式下，手指的三個(gè)關(guān)節(jié)的位置姿態(tài)以及指尖運(yùn)動(dòng)軌跡符合實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，三個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的最大角度分別為：23.5624°（mcp）、35.3436°（pip）、24°（dip），基本滿(mǎn)足三個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角之比為2：3：2的實(shí)際情況。因?yàn)樵诜抡嬗?jì)算前，一方面由于機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)柱在初始位（轉(zhuǎn)柱剛好與手臂緊固架垂直）時(shí)，

12、連桿剛好垂直于轉(zhuǎn)柱，其連桿端部圓心孔距離轉(zhuǎn)柱的轉(zhuǎn)心的距離為一小數(shù)，另一方面由于連桿底部的圓心孔的位置已確定，使得氣缸實(shí)際的有效驅(qū)動(dòng)距離與理論計(jì)算值存在偏差，另外，從位移（d）和速度（e）曲線(xiàn)圖中可以看出pip關(guān)節(jié)彎曲的角度要大于dip關(guān)節(jié)，符合我們正常人手指做抓握運(yùn)動(dòng)時(shí)彎曲角度規(guī)律，而且隨著時(shí)間增長(zhǎng)，pip和dip兩個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)基本一致。3 結(jié)語(yǔ)在國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上對(duì)手指康復(fù)外骨骼進(jìn)行新的設(shè)計(jì)，并基于機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件adams對(duì)外骨骼康復(fù)機(jī)械手進(jìn)行仿真分析，各指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)的角度范圍基本符合預(yù)先提出的總體設(shè)計(jì)要求，且運(yùn)動(dòng)可靠，證明外骨骼康復(fù)機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。參考

13、文獻(xiàn)：1李海麗.手功能康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究d.上海交通大學(xué)碩士論文，2014，2.2gowland c， recovery of motor function following stroke： profile and predictors， physiotherapy canada， 1982， 34（2）：77-84.3kwakkel g， kollen bj， and wagenaar rc， therapy impact on functional recovery in stroke rehabilitation： a critical review of the literature， ph