外骨骼康復(fù)機械手的機構(gòu)設(shè)計與仿真

方思中 袁銳波

摘要：腦卒中會引起的人的肢體運動功能喪失，手功能發(fā)生障礙便是其中一種。本文設(shè)計了一種輔助患者進行彎曲伸展運動的多自由度外骨骼康復(fù)機械手系統(tǒng)，通過一定的重復(fù)性訓(xùn)練治療，降低患者因無法經(jīng)常活動手部造成大腦相關(guān)運動神經(jīng)功能衰弱和手部相關(guān)肌肉的萎縮的可能性，進而恢復(fù)手指的運動功能。

Abstract： Stroke can cause loss of limb movement function， and dysfunction of hand function is one of them. This 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 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；康復(fù)機械手

Key words： cerebral apoplexy；hemiplegia；exoskeleton；rehabilitation robot hand

中圖分類號：TP241 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）25-0160-03

0 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動功能喪失及其并發(fā)癥的發(fā)病率有逐年上升的趨勢[1]，而手部運動功能發(fā)生障礙便是其中一種。當(dāng)患者喪失手部運動能力時，自理能力會受到嚴(yán)重影響。手功能運動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，因此及時有效的康復(fù)治療便顯得尤為重要[2，3]。本文在國內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計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)使外骨骼運動，從而對患者進行康復(fù)訓(xùn)練。

1 手指康復(fù)外骨骼設(shè)計

1.1 設(shè)計總要求

外骨骼是直接佩戴在患者手部的，因此在設(shè)計時必須考慮結(jié)構(gòu)的安全性。其次，康復(fù)機械手作為幫助患者進行手部恢復(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)機械手面對的是偏癱患者，由于其病癥特點，該群體的感知能力較差，故設(shè)備在工作中，患者的舒適性是設(shè)計手功能康復(fù)機器人系統(tǒng)時需要著重考慮的問題。在康復(fù)訓(xùn)練過程中，由于病患手部較為虛弱，需要對患者手部進行支持，且手部盡量不要承受力，因此在設(shè)計機構(gòu)時應(yīng)將執(zhí)行機構(gòu)與驅(qū)動機構(gòu)分開。

1.2 外骨骼執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計

基于對人手理論基礎(chǔ)相關(guān)方面的了解和模塊化設(shè)計思想，本文研制了一種新型的康復(fù)機械手的外骨骼機構(gòu)，該機構(gòu)將執(zhí)行部分和驅(qū)動部分分開，通過帶輪將驅(qū)動力傳遞至指關(guān)節(jié)外骨骼上，從而帶動患者手指運動，本文以食指和環(huán)指為例，其外骨骼的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

因為食指和環(huán)指的外骨骼結(jié)構(gòu)總體設(shè)計除了手指指節(jié)所對應(yīng)的外骨骼長度不同之外，其他包括設(shè)計原理、運動原理、各構(gòu)件式樣等均相同，故本文以食指為例詳細介紹設(shè)計的手指外骨骼結(jié)構(gòu)。

從食指的外骨骼示意圖可以看出其運動原理和運動的機構(gòu)形態(tài)，該機構(gòu)設(shè)計簡單清晰，相比較國內(nèi)外學(xué)者對康復(fù)機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜性，具有一定優(yōu)勢。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，這是因為每個患者手指的各個關(guān)節(jié)的尺寸都有一定差異，設(shè)計外骨骼機構(gòu)尺寸參數(shù)可調(diào)，以適應(yīng)不同患者并對其進行康復(fù)訓(xùn)練，這樣也更滿足人手指的正常情況。從圖中看到該食指外骨骼的機構(gòu)也比較緊湊，各指關(guān)節(jié)外骨骼和手指一樣，為了方便后期對手指外骨骼進行仿真分析和計算，將采用單自由度串聯(lián)的方法。最后也是最為重要的一點設(shè)計，該康復(fù)外骨骼每個關(guān)節(jié)都可以進行拆卸和組裝，且每個關(guān)節(jié)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，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，從而避免了針對不同患者只能配用特定的外骨骼康復(fù)機械手的情況，節(jié)約了成本，提高了效率。

下面將詳細介紹外骨骼主要執(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。滑塊兩側(cè)邊均開有矩形槽，以便在槽兩側(cè)各加一銷釘，起到固定觸指的作用。滑塊底部開有矩形槽口，與觸指構(gòu)成移動副，且該槽口與觸指是間隙配合，方便觸指在其槽口內(nèi)移動。另外，之所以將滑塊和觸指之間構(gòu)成移動副，主要是障礙患者手指具有柔軟性且粗細不一，若設(shè)計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)在同一水平線上，在康復(fù)過程中也會產(chǎn)生影響。滑塊頂部裝有兩條滑軌，和調(diào)指形成間隙配合，并對調(diào)指起到一定的限位作用，防止運動過程中調(diào)指滑落。最后一個特點為調(diào)指結(jié)構(gòu)件的創(chuàng)意設(shè)計，中間是一個類似矩形塊，前后兩端均有突出部分。矩形塊底部有一帶缺口的類T型通槽，該通槽與前面的滑塊頂部之間構(gòu)成移動副。對于前端的兩個伸出塊（稱為帶輪固定塊），如圖，兩帶輪固定塊上均開有圓形通孔和圓形矩形通孔，其目的是用來安裝配有帶輪的圓柱的，根據(jù)患者指關(guān)節(jié)的長度調(diào)整圓柱在通孔處的位置和調(diào)指在滑軌處的相對位置，從而大大提高了外骨骼的適用性。因PIP和MCP外骨骼機構(gòu)一樣，這里將不再闡述PIP外骨骼機構(gòu)設(shè)計。

本文主要對MCP和PIP關(guān)節(jié)進行外骨骼機構(gòu)設(shè)計，DIP關(guān)節(jié)是通過連桿與PIP關(guān)節(jié)的外骨骼連接起來。假設(shè)患者出現(xiàn)偏癱癥狀時其DIP關(guān)節(jié)與PIP關(guān)節(jié)之間的耦合作用依然存在，也就是說當(dāng)外骨骼輔助DIP關(guān)節(jié)運動時，PIP關(guān)節(jié)也會隨之運動，而之所以設(shè)計DIP關(guān)節(jié)是供后來學(xué)者繼續(xù)研究時，方便裝置相關(guān)傳感器來及時獲取手指在運動過程中的信息。到此，外骨骼執(zhí)行部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計便已完成，接下來需要進行驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計。

1.3 驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計

本文驅(qū)動器選用的是迷你氣缸，故需設(shè)計一個裝置既可以固定氣缸，同時還能驅(qū)動外骨骼運動。

驅(qū)動機構(gòu)由4個尾座支架、4個前座支架、2個氣缸支架、2個不規(guī)則連桿和2個氣缸配件，其中尾座支架和氣缸支架是用來固定微型氣缸元件的，使得驅(qū)動器在單片機控制下能夠更穩(wěn)定驅(qū)動外骨骼的執(zhí)行部分，而兩個前座支架是固定轉(zhuǎn)柱和配有帶輪的圓柱銷的。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在連桿凹槽中移動，直到銷釘與螺栓接觸，此時若活塞繼續(xù)伸出，則會推動轉(zhuǎn)柱轉(zhuǎn)動，從而帶動帶輪驅(qū)動外骨骼運動，進而對手指障礙患者的進行康復(fù)治療。

2 外骨骼康復(fù)機械手的仿真分析

當(dāng)氣缸運動到設(shè)計位置時，迷你氣缸活塞頭部就會碰到固定在連桿上的螺栓，從而推動轉(zhuǎn)柱轉(zhuǎn)動，繼而帶動帶輪，最后指關(guān)節(jié)外骨骼在帶輪的驅(qū)動下使手指運動。具體仿真界面、三個關(guān)節(jié)運動速度、三個關(guān)節(jié)運動姿態(tài)以及指尖運動軌跡如圖5。

在MCP+PIP+DIP三關(guān)節(jié)聯(lián)合運動模式下，手指的三個關(guān)節(jié)的位置姿態(tài)以及指尖運動軌跡符合實際運動狀態(tài)，三個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的最大角度分別為：23.5624°（MCP）、35.3436°（PIP）、24°（DIP），基本滿足三個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角之比為2：3：2的實際情況。因為在仿真計算前，一方面由于機構(gòu)的轉(zhuǎn)柱在初始位（轉(zhuǎn)柱剛好與手臂緊固架垂直）時，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，使得氣缸實際的有效驅(qū)動距離與理論計算值存在偏差，另外，從位移（d）和速度（e）曲線圖中可以看出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動時彎曲角度規(guī)律，而且隨著時間增長，PIP和DIP兩個關(guān)節(jié)的運動趨勢基本一致。

3 結(jié)語

在國內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上對手指康復(fù)外骨骼進行新的設(shè)計，并基于機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件ADAMS對外骨骼康復(fù)機械手進行仿真分析，各指關(guān)節(jié)運動軌跡和運動的角度范圍基本符合預(yù)先提出的總體設(shè)計要求，且運動可靠，證明外骨骼康復(fù)機械手的機構(gòu)設(shè)計是合理的。

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