手部關節康復訓練機器人結構設計與運動仿真

高 宏，劉相權，米 潔，劉 星

（北京信息科技大學 機電工程學院，北京 100192）

手部關節康復訓練機器人結構設計與運動仿真

高 宏，劉相權，米 潔，劉 星

（北京信息科技大學 機電工程學院，北京 100192）

0 引言

目前針對中風患者和手部手術患者的后期康復工作，基本上都是由醫生或護理人員憑借自身經驗通過手把手的方式來完成的。調研顯示，通常情況下，手部手術患者在術后1～7天之后拆除敷料，然后便開始進行必要的手部康復訓練，每天至少3次，每次重復同樣的康復動作，一般要持續到第12周；而且每位醫生都要負責很多名病人的康復工作，顯然對于醫護人員來說，這樣的工作量是非常大的；另外從康復效果出發，每次康復訓練的力量和角度等把握是很重要的。這樣的康復訓練方式，顯然存在著效率低下，力量和角度把握不夠精準等缺點。

研制相應的手部康復訓練機器人可以彌補這方面的不足，在減輕醫護人員工作量同時，可以通過傳感設備針對不同患者自動調節康復訓練時的力量和角度，同時采集患者手部運動數據，便于醫生對其恢復情況進行分析，從而制定更為適合的康復方案。隨著康復訓練機器人技術的研究和發展，這樣的產品必然會真正走入殘疾人和老年人的生活，為他們提供豐富的幫助，改善他們的生活質量。本文討論一種用于手部關節康復訓練機器人的結構及康復訓練效果的仿真驗證。

1 總體結構設計

根據人手結構，對手部的康復訓練包括手指各關節的屈伸運動、腕關節的彎曲運動以及腕關節的旋轉運動三個方面[1～3]。設計的手部關節康復訓練機器人結構上采用幾種配件靈活配置組合的方案滿足上述三方面的要求，具體如下。

1）手指各關節的屈伸運動

圖1 手指關節屈伸運動配置

如圖1所示，手指關節的屈伸運動主要通過轉軸、轉臂、指卡等部件來實現，在使用時，首先將手掌固定好，將指卡、連桿和轉臂按圖中所示連接好，通過后續編程控制，調整轉軸旋轉角度。由于手指關節之間存在一定的阻尼，當轉臂隨轉軸旋轉時，將會通過連桿和指卡帶動手指第一指節運動，實現手指的屈伸。當手指進行屈伸時，指尖與轉軸之間的距離將會發生變化，這時滑塊將會在導軌上滑動，以補償尺寸變化，變化后的距離靠預裝的彈簧彈力進行恢復。除拇指外，其余四根手指按照此方法即既可以同時屈伸鍛煉，也可以有針對性的單獨屈伸鍛煉。拇指屈伸運動的康復與其它手指類似，不同的是需要將手掌豎直固定。

圖2 腕關節彎曲運動配置

2）腕關節的彎曲運動

腕關節的彎曲運動實現與手指關節的屈伸運動相似，不同的是在使用時，首先將手掌和手臂分別固定在手掌固定架和手臂固定架上，如圖2所示，然后通過后續編程控制，調整轉軸旋轉角度，實現腕關節的彎曲訓練。當轉軸往復旋轉時，轉臂通過手掌固定架帶動手掌上下往復運動，實現手腕在垂直于手掌方向上的屈伸；豎直固定手掌，并適當調整角度，便可實現手腕在手掌平面內的屈伸。

3）腕關節的旋轉運動

腕關節的旋轉運動通過改變轉臂的形狀，并改變固定方式，使腕關節的旋轉軸與機器人的轉軸軸線處于同軸狀態即可實現。

最終完成的康復訓練機器人結構如圖3所示，其中圖3(a)是一種配置狀態，用于實現手指關節的屈伸運動，如果將上面的指卡去掉，并重新固定則可以實現腕關節的彎曲運動；圖(b)是另一種配置狀態，用以實現腕關節的旋轉運動。

圖3 康復訓練機器人結構總成

2 運動仿真分析

根據前面的設計思想，在Pro/ENGINEER軟件中建立機器人各零件的三維幾何模型，并在裝配模塊中完成整機的虛擬裝配。在裝配過程中，充分考慮運動仿真的需要，將相對不發生運動的零件約束其全部相對自由度，將發生相對轉動的零件之間定義為“銷釘”連接，如轉軸與機架之間的連接；將發生相對滑動的零件之間定義為“滑動桿”連接，如滑塊與導軌之間的連接，最終完成的運動仿真模型如圖4所示。

圖4 運動仿真模型

完成虛擬裝配后，進入Pro/ENGINEER的Mechanism模塊，添加伺服電機。并進一步在Mechanism模塊中添加一個分析定義，設置仿真類型為“運動學”，經過求解后，便可以得到一組運動仿真結果[4]。

2.1 指尖運動軌跡生成

根據仿真結果，以中指為例，定義測量為中指指尖的運行軌跡，求解后可以得到中指指尖的運行軌跡如圖5所示。通過對指尖運動軌跡的觀察，可以看出，手指彎曲和伸直的過程中，指尖位置所經過的是不同的軌跡線。在手指彎曲過程中，中指劃過的軌跡是由c→a，而在手指伸直過程中，劃過的軌跡卻是由a→b→c。分析原因是由于中指各指節之間關節阻尼及復位彈簧的彈力造成的。如果定義不同大小的關節阻尼和彈簧剛度，則會獲得不同的運動軌跡。

圖5 中指指尖運動軌跡生成

實際上對于不同患者而言，其各關節的受損狀況或屈伸過程中的關節阻尼是復雜多樣的。對應于不同大小的關節阻尼定義和一定的復位彈簧剛度條件下，在獲得指尖運動軌跡的同時，復位彈簧所受到的壓力也是不同的，進一步研究可以獲得對應壓力的具體變化規律。據此在復位彈簧末端安裝壓力傳感器，通過檢測傳感器反饋的受力變化情況，便可對應于不同屈伸運動規律，從而輔助醫護人員了解患者被康復訓練手指關節的實際狀態，并做出訓練評價和指導。

2.2 指尖運動速度分析

定義測量為食指、中指、無名指、小指四個手指指尖末端一點的速度，求解后可以得到四個手指在做屈伸運動時指尖的速度曲線，如圖6所示。從圖中可以看出四條曲線的形狀基本相同，曲線總體變化較為平緩，但在兩個位置出現比較大的變化。一個位置是手指在屈伸銜接時刻，造成這一現象的原因，主要是由于關節阻尼及復位彈簧受力方向改變，引起的速度波動；另一位置是在手指伸直接近終了時刻，變化最大的一條曲線反映的是中指指尖的速度，分析原因是由于中指相對其他手指較長，在伸直過程中手指相對指卡的滑動距離較大引起的，這一方面受指卡的結構及尺寸影響較大。速度的波動和突變對康復患者而言是非常不利的，設計上應盡量避免，上述分析方法和結論對改進機器人結構有一定的指導意義。

圖6 四個手指指尖運動速度曲線

2.3 整機運動包絡

進一步研究康復訓練機器人在運動過程中的空間包絡。根據整機運動仿真結果，定義Pro/ENGINEER回放，并選擇創建運動包絡，便可以得到整機在運行過程中占用的空間大小，如圖7所示，求得的最終空間體積約為0.017立方米，長約450mm，寬約310mm，高約280mm，體積小巧，便于放置。此研究方法為獲得更簡單的機器人結構，縮小整機尺寸提供了一定的參考。

圖7 整機運動包絡

3 結論

設計的康復訓練機器人結構通過不同配件的組合配置，可以滿足對手部各關節不同形式康復訓練的需要，可以從很大程度上減輕醫護人員工作量。文章首先對三種康復運動的實施從結構配置上做了詳細說明，緊接著在Pro/ENGINEER軟件中對整機進行了三維建模和運動仿真。仿真結果對進一步完善機器人結構、研究機器人的控制方法、以及如何對康復效果進行評價給出了一定參考。

[1]甘代偉.手指康復機械手研究現狀[J].廣西輕工業,2010,2:39-40.

[2]李慶玲,孫立寧,杜志江.上肢康復機器人發展現狀的分析與研究[J]. 機械設計,2008,9:1-3.

[3]王鵬.手指創傷功能康復機械手系統研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2009.

[4]祝凌云,李斌.Pro/E運動仿真和有限元分析[M].北京:人民郵電出版社,2004.

Structural design and motion simulation of a rehabilitation training robot for hand joints

GAO Hong, LIU Xiang-quan, MI Jie, LIU Xing

根據手部康復訓練過程中手指關節的屈伸運動、腕關節的彎曲運動及旋轉運動這三方面的需求，設計了一種機器人結構，建立了整機的三維模型，進行了運動仿真分析，仿真結果對改進機器人結構有一定指導意義。

手部康復；關節屈伸；運動仿真

高宏（1980 -），男，山西繁峙人，實驗師， 博士，主要研究方向為機械設計及理論、機器人技術。

TP24

A

1009-0134(2014)05(下)-0029-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).08

2014-02-19

北京教育委員會科技計劃面上項目（KM201311230223）；北京高等學校“青年英才計劃”（YETP1495）