便攜式手外骨骼康復(fù)裝置結(jié)構(gòu)研究

（東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110819）

便攜式手外骨骼康復(fù)裝置結(jié)構(gòu)研究

肖鍇，周一方，張璞，雒佳，楊建宇

（東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110819）

本文針對(duì)當(dāng)下手外骨骼康復(fù)裝置的研究現(xiàn)狀及其裝置體積重量過大、靈活性差、康復(fù)性差、實(shí)用性差、應(yīng)用價(jià)值小等缺點(diǎn)，提出了一種全新設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的手部外骨骼康復(fù)裝置的食指部分的結(jié)構(gòu)。先對(duì)手部外骨骼的研究背景、研究意義展開討論，接著介紹此版手部外骨骼的機(jī)械結(jié)構(gòu)，最后簡(jiǎn)要的介紹外骨骼的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。

中風(fēng)患者；手部外骨骼；康復(fù)裝置

我國(guó)腦中風(fēng)患者約有3/4的病人在不同程度上失去了勞動(dòng)和生活自理能力。現(xiàn)今的康復(fù)辦法為由康復(fù)醫(yī)師對(duì)患者實(shí)施康復(fù)療法，造成了康復(fù)成本昂貴，人力資源短缺等問題。所以開發(fā)一款手部外骨骼來協(xié)助患者的康復(fù)變得越來越重要。康復(fù)性手部外骨骼的出現(xiàn)將會(huì)為廣大的中風(fēng)患者提供巨大的幫助。

手部外骨骼的研究始于20世紀(jì)90年代，現(xiàn)已有多種手部外骨骼結(jié)構(gòu)方案。Andreas Wege和他的同事開發(fā)了一款連桿機(jī)構(gòu)的手部外骨骼，但是這種結(jié)構(gòu)仍存在體積過大，運(yùn)動(dòng)笨拙精度不高等缺點(diǎn)。Xun Luo及他的同事開發(fā)了一套用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)來幫助康復(fù)的手部外骨骼，但其控制精度值得進(jìn)一步論證且結(jié)構(gòu)欠缺實(shí)用性。Satoshi Ito及他的同事開發(fā)了一款固定式手部外骨骼，雖然機(jī)械性能可靠，但是其便攜性及實(shí)用性仍有差距。Vishalini Bundhoo及他的同事開發(fā)了一款以記憶彈簧為驅(qū)動(dòng)器的線驅(qū)外骨骼，雖然大大減少了結(jié)構(gòu)的尺寸，但是裝置的輸出功率及精度卻仍有待提升。

本文針對(duì)上述問題提出了一種以電機(jī)齒輪驅(qū)動(dòng)為主體配合優(yōu)化的耦合方案為結(jié)構(gòu)的新型手部外骨骼。本文先介紹了此種外骨骼的結(jié)構(gòu)組成及結(jié)構(gòu)原理。然后又對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析并討論了仿真分析的結(jié)論及實(shí)用性。下面具體的討論這種新型的手部外骨骼康復(fù)裝置的方案。

1 結(jié)構(gòu)原理（圖1）

本文設(shè)計(jì)的手部外骨骼裝置的組成部分為食指第一指節(jié)，食指第二指節(jié)，食指第三指節(jié)，手背上固定的導(dǎo)軌及導(dǎo)軌上支撐的第三指節(jié)驅(qū)動(dòng)滑塊，分別固定在第三指節(jié)電機(jī)固定槽里的二級(jí)電機(jī)與固定在第三指節(jié)驅(qū)動(dòng)滑塊里的一級(jí)電機(jī)，主從耦合帶輪之間的鋼絲及松緊帶。食指第三指節(jié)由電機(jī)固定槽，一級(jí)耦合驅(qū)動(dòng)輪組成。食指第一指節(jié)上包含次級(jí)耦合驅(qū)動(dòng)輪，食指第二指節(jié)上包含第二指節(jié)驅(qū)動(dòng)齒輪。

第三指節(jié)的一級(jí)耦合驅(qū)動(dòng)輪與第二指節(jié)之間由鉚釘連接形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，第二指節(jié)驅(qū)動(dòng)齒輪與第三指節(jié)之間由鉚釘連接形成轉(zhuǎn)動(dòng)副；第一指節(jié)上的次級(jí)耦合驅(qū)動(dòng)輪與第二指節(jié)指節(jié)鉚釘連接形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，第一指節(jié)連接孔與第二指節(jié)連接孔由鉚釘連接形成轉(zhuǎn)動(dòng)副；第三指節(jié)與推桿之間形成鉚釘連接轉(zhuǎn)動(dòng)副，推桿與第三指節(jié)驅(qū)動(dòng)滑塊之間形成鉚釘連接轉(zhuǎn)動(dòng)副，滑塊與導(dǎo)軌之間形成滑動(dòng)副，導(dǎo)軌通過固定裝置固定在手背上。

圖1 結(jié)構(gòu)原理圖

固定在第三指節(jié)驅(qū)動(dòng)滑塊電機(jī)固定槽里的電機(jī)通過控制系統(tǒng)控制通電轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)輸出軸上的圓柱形齒輪與齒條嚙合并傳遞動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)整個(gè)滑塊前后運(yùn)動(dòng)。滑塊的前后運(yùn)動(dòng)推動(dòng)或拉動(dòng)推桿的運(yùn)動(dòng)，推桿拉動(dòng)或者推動(dòng)食指第三指節(jié)。第三指節(jié)上的松緊帶致力于使手指第三指節(jié)與外骨骼第三指節(jié)之間的縫隙變化不超過允許值，否則會(huì)影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)效果。

第三指節(jié)電機(jī)固定槽里的電機(jī)通過控制電路控制通電轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出軸上的圓柱齒輪與第二指節(jié)驅(qū)動(dòng)齒輪相嚙合，通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。由于驅(qū)動(dòng)齒輪與第二指節(jié)是固定的，所以驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)第二指節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)。第二指節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過耦合裝置將動(dòng)力傳遞到第一指節(jié)，導(dǎo)致第一指節(jié)隨動(dòng)，完成了對(duì)第一指節(jié)的驅(qū)動(dòng)。

整個(gè)手部外骨骼裝置在控制電路的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，完成近似正常手部運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)于佩戴此手部外骨骼的患手進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，完成康復(fù)動(dòng)作。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

圖2 人手生理結(jié)構(gòu)圖

人手生理結(jié)構(gòu)圖見圖2。

根據(jù)Janyu Yang及其同事的工作，我們擁有了手指動(dòng)作的函數(shù)。如式（1）與（2）所示。

其中在公式（1）中x代表MCP轉(zhuǎn)動(dòng)角度，y代表PIP轉(zhuǎn)動(dòng)角度。在公式（2）中u代表PIP轉(zhuǎn)動(dòng)角度，v代表DIP轉(zhuǎn)動(dòng)角度。上述公式是由上述團(tuán)隊(duì)把角度傳感器裝置佩戴到正常人的手上后進(jìn)行了11次抓握并進(jìn)行相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算后得出的優(yōu)化解。

表1中列出了所涉及的符號(hào)及其相關(guān)含義以及對(duì)應(yīng)的數(shù)值，以下內(nèi)容均以表1為基礎(chǔ)展開。

如圖3所示，考慮了零件形狀，滑塊推進(jìn)時(shí)對(duì)指套產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)力矩等因素后，該裝置的預(yù)想效果是電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊從C運(yùn)動(dòng)至E，使手指從水平位置移動(dòng)到數(shù)值位置，即運(yùn)動(dòng)了90°。

圖3 第三指節(jié)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

表1 相關(guān)符號(hào)及其物理意義及數(shù)值

根據(jù)機(jī)構(gòu)的幾何形狀及其幾何關(guān)系可以推導(dǎo)出第三指節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程如（3）所示。

由于第一指節(jié)與第二指節(jié)之間存在耦合驅(qū)動(dòng)關(guān)系，且DIP第一指節(jié)關(guān)節(jié)與PIP第二指節(jié)關(guān)節(jié)之間的耦合驅(qū)動(dòng)輪半徑之比為1:1.4。由此可知第一指節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與第二指節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間成線性關(guān)系。如圖4所示，即為耦合裝置的實(shí)物圖。耦合裝置由兩個(gè)成一定比例的驅(qū)動(dòng)線輪及鋼絲組成。鋼絲纏繞在驅(qū)動(dòng)線輪上并保持一定的預(yù)緊力，以此達(dá)到耦合驅(qū)動(dòng)的目的。

圖4 第一指節(jié)與第二指節(jié)間耦合驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 PIP與DIP間的仿真曲線

真實(shí)的手部的運(yùn)動(dòng)經(jīng)過安裝角度傳感器后進(jìn)行抓握伸展等動(dòng)作后，得出手指各個(gè)關(guān)節(jié)之間的角度關(guān)系，這個(gè)關(guān)系可以用一個(gè)函數(shù)進(jìn)行表示。圖5中的紅色曲線代表真實(shí)手指的PIP關(guān)節(jié)與DIP關(guān)節(jié)之間的角度關(guān)系。為使裝置實(shí)現(xiàn)手指的伸展與彎曲，手掌的抓握等功能，且賦予研究更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)性，使用了MATLAB進(jìn)行裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。第三指節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與滑塊的運(yùn)動(dòng)距離間的仿真關(guān)系如圖6，第一指節(jié)與第二指節(jié)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間的仿真關(guān)系如圖6。通過提取仿真曲線上的數(shù)據(jù)可獲得完成一次手指彎曲時(shí)的各個(gè)關(guān)節(jié)及滑塊的運(yùn)動(dòng)角度及運(yùn)動(dòng)距離數(shù)據(jù)。據(jù)圖可以看出，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)曲線趨近于真實(shí)手指的運(yùn)動(dòng)曲線，曲線間的誤差處于可信區(qū)間之內(nèi)。所以可以判定，本文討論的手部外骨骼裝置可以完成康復(fù)手部運(yùn)動(dòng)的功能。

圖6 MCP第三指節(jié)與滑塊間的仿真曲線

3 結(jié)語

本文為了達(dá)到幫助中風(fēng)患者治療手部殘疾的目的，研究開發(fā)了一款手部外骨骼裝置，該裝置可以通過松緊帶等部件固定于手部佩戴以實(shí)現(xiàn)幫助患手實(shí)現(xiàn)反復(fù)抓握的動(dòng)作。本文對(duì)該裝置進(jìn)行了機(jī)構(gòu)分析，運(yùn)動(dòng)仿真等研究工作。分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置能有效實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

[1]甘增康.手部功能康復(fù)機(jī)器人電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011, 6.

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[5]Vishalini Bundhoo, Edmund Haslam, Benjamin Birch and Edward J. Park ：A shape memory alloy-based tendon-driven actuation system for biomimetic artifcial fngers, part I: design and evaluation ，Robotica (2009) volume 27, pp. 131–146.

[6]Vishalini Bundhoo, Edmund Haslam, Benjamin Birch, Edward J. Park, A shape memory alloy-based tendon-driven actuation system for biomimetic artifcialfngers,partI:designandevaluation,R obotica27(01)(2009)131–146.

[7]JianyuYang,HualongXie,JiashunShi ：A novel motion-coupling design for a jointless tendon-driven finger exoskeleton for rehabilitation .

R469

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本文研究工作得到自然基金（N51505072）的資助。