多自由度可穿戴上肢助力康復訓練肌肉服

李遠利　方藝芬　曾惠瑩　許建華

摘 要：隨著機器人技術的發(fā)展以及氣動技術本身的優(yōu)點，氣動器械手已經廣泛應用于生產自動化的各個行業(yè)。氣動肌肉作為一種新型的氣動執(zhí)行元件，具有結構簡單、功率、柔性好等特點。本論文在分析人體上肢運動機理的基礎上，提出適合穿戴的關于多自由度可穿戴的上肢助力康復訓練肌肉服。這種“肌肉服”適用于非健康的人，例如殘疾患者、老年人、缺乏力度等群體，此套裝是氣動肌肉裝置，按照合理的布局緊貼身體且佩戴在精確的位置。

關鍵詞：氣動肌肉；康復訓練；肌肉服

1課題研究背景及意義

本文研究的肌肉服目的旨在設計一種重量輕，柔軟靈活，易穿戴的全能型“肌肉服”，以使用于支持力缺乏的人。如體力勞動者、老年人和腦損傷患者，減輕體力勞動者的肌肉負擔。仿人類上肢運動肌肉組織方式，使氣動肌肉在人體關節(jié)部位精確位置的布局，分析各關鍵參數(shù)對外骨骼結構與人體協(xié)調動作的影響規(guī)律，實現(xiàn)肌肉服機械結構和關節(jié)運動相結合的優(yōu)化設計。

2國內外現(xiàn)狀及其分析

人機交互技術：

通過計算機輸入、輸出和其他輔助智能設備，實現(xiàn)人與計算機對話和互動的技術，幫助患者對運動再學習的技能進行深度感知和記憶，激發(fā)患者主動參與訓練的興趣并通過計算機下達指令，來解放治療師，節(jié)省了人力物力并可以實時、動態(tài)地記錄患者的運動數(shù)據(jù)，為準確分析和評定康復效果提供實證并作為醫(yī)學的依據(jù)。

與國外相比，我國在上肢智能助力研究上雖然起步比較晚，但發(fā)展勢頭迅速，并研制出各種類型高技術智能助力原理樣機。如哈爾濱工程大學的研究成果有仰臥式下肢康復機器人、多功能助行機器人；浙江大學流體與傳動控制國家重點實驗室設計了一種新型可穿戴下肢步行外骨骼機構；東南大學精儀系將力反饋遙操作機器人技術應用于康復醫(yī)療，設計了基于互聯(lián)網的、一對多的力覺輔助遠程康復醫(yī)療機器人系統(tǒng)。但是這些外骨骼機器人往往功能單一，結構笨重，靈活性不強，舒適性不夠好，且助力效果十分有限。

與這些外骨骼機器人相比較，此研究考慮了穿戴者在柔韌性、舒適性、適用性、方便性等方面的多項人體工學指標，設計出了一款引導人體動作，強化人體機能，改善人體在多種運動時的全能型的可穿戴式肌肉服。

3氣動肌肉研究

氣動肌肉是一種類似于生物仿生肌肉的氣動執(zhí)行元件，氣動肌肉是由內部的橡膠管以及外部的編織網構成，充氣后可實現(xiàn)徑向的膨脹和軸向的收縮。這開創(chuàng)了氣動肌肉應用的先河。其結構如圖1所示。

人體上肢運動分析

由于人體上肢運動非常復雜，自由度較多，為了肌肉服對人體運動不產生太大的干涉，多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服要求結構簡單、安全便捷。因此在本章題中研究上肢的各種基本運動。

動作形式是由上肢各環(huán)節(jié)共同參與完成的，上肢包括肩關節(jié)、上臂、肘關節(jié)、前臂、腕關節(jié)、手部。手部與前臂通過腕關節(jié)相連，前臂與上臂通過肘關節(jié)相連，上臂與軀干通過肩關節(jié)相連。人體手臂共有多個自由度。人上肢日常運動涉及的多個自由度，分別是：肩關節(jié)的屈/伸、外展/內斂和外旋/內旋，肘關節(jié)的屈/伸、腕關節(jié)的屈伸和外展/內斂，前臂的旋內/旋外。如圖2所示。

4結構設計

本多自由度可穿戴上肢助力康復訓練肌肉服研究是根據(jù)人體肌肉的走向，如圖3。以人機工程學、線牽引助力穿戴式裝備設計、材料學、人體運動、生物仿真、上肢壓力分布等為基礎，以及從主觀舒適度和客觀舒適度出發(fā)，全面系統(tǒng)地衡量了影響助力穿戴機械裝備舒適度的因素，最終確立了肌肉服助力裝備舒適度評價指標。繼而基于此標準對相關因素進行設計指導，包括結構、尺寸、關節(jié)自由度、重量重心、材料、連接裝置等。

5創(chuàng)新點

整個裝置可穿戴在使用者身上，其中手臂可以實現(xiàn)肩部外展/內收，肘關節(jié)的屈/伸，肩部伸展和肘部的屈伸是通過氣動肌肉收縮完成，而其相反運動通過手臂自身的重力來實現(xiàn)。該肌肉服總共安裝4根氣動肌肉，每根肌肉后端連接氣泵，前端則直接與衣服連接。設計的多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服質量輕、穿戴方便、安全性能高、柔順性好、成本低，患肢在進行主動運動時不會有明顯的束縛感，可實現(xiàn)對患者上肢的運動功能康復訓練，此外，肌肉服的制造仿生人體肌肉，然后布局合理的佩戴在精確的位置。這些特點使“肌肉服”對穿著者沒有精確的規(guī)定即尺寸可靈活調整。易于穿戴且易于收納這種設計結構也增大了康復系統(tǒng)的適用范圍。多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服技術成熟和功能擴展后可應用到醫(yī)療、健身或特戰(zhàn)裝備、軍用運輸?shù)阮I域，具有良好的市場應用前景和重大的技術推廣價值。

整個肌肉服控制系統(tǒng)框圖如圖5所示通過簡單開關控制氣壓的大小，達到上肢運動的效果。實際測量上肢康復機器人的基本運動范圍如下：肩部外展/內收為0°～90°；肘部屈/伸為0°～90°。

6多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服的實驗研究

實驗裝置包括前面所介紹的肌肉服其結構部分實物如圖下仿人肩關節(jié)所示。我們采用開關按鈕觸發(fā)，只需要手掌一握觸到手心的開關即可啟動。與電機驅動不同，此研究采用氣動肌肉驅動，只需啟動靜音空氣壓縮機，調整氣閥控制裝置即可達成氣動肌肉收縮來達到康復助力效果。如圖7所示。

參考文獻：

[1]李會軍，宋愛國.上肢康復訓練機器人的研究進展及前景[J].機器人技術與應用，2006（04）：32-36.