手部外骨骼康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)

樊琛 楊振坤 高申南

摘 要：本文針對(duì)中風(fēng)所致手部康復(fù)需求，研究了手部外骨骼康復(fù)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，制做了手部外骨骼康復(fù)機(jī)器人的模型，并運(yùn)用Rhinoceros5.0對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化建模。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的模型具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、穿戴方便、控制有效等特點(diǎn)，能較好地實(shí)現(xiàn)了食指0～90°彎曲運(yùn)動(dòng)，滿足關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)及韌帶拉伸的康復(fù)訓(xùn)練需求。

關(guān)鍵詞：手部外骨骼；康復(fù)機(jī)器人；Rhinoceros5.0

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.119

1 引言

手部健康靈活是人們生活質(zhì)量的重要保障。由于疾病或事故造成的手部功能障礙，使患者生活和工作受到極大影響，為其家庭帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練主要依靠康復(fù)醫(yī)師，耗費(fèi)大量人力物力，費(fèi)用高、效果差，使很多患者失去康復(fù)的最佳時(shí)機(jī)[1]。近年來(lái)，隨著外骨骼機(jī)器人技術(shù)與康復(fù)工程學(xué)的不斷發(fā)展，手部外骨骼康復(fù)機(jī)器人成為研究熱點(diǎn)[2]。

本文基于手部解剖學(xué)，在研究手部自由度、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、角度、速度、位置等相關(guān)內(nèi)容基礎(chǔ)上，突出研究手指為代表的四指機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作；運(yùn)用Pro e軟件進(jìn)行實(shí)體工程建模；選取合適材料及驅(qū)動(dòng)電機(jī)，制作手部外骨骼康復(fù)機(jī)器人模型，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。同時(shí)，基于工業(yè)設(shè)計(jì)和人機(jī)工學(xué)，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2 整體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路分析

根據(jù)臨床經(jīng)驗(yàn)，手部康復(fù)治療主要為韌帶拉伸和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)[3]。以食指為例，彎曲自由度為3個(gè)，通過(guò)外骨骼機(jī)器人帶動(dòng)，幫助韌帶拉伸和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)康復(fù)。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

2.2 整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)手部外骨骼康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)需求，整體機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，連接機(jī)構(gòu)，桿架機(jī)構(gòu)，手部附著機(jī)構(gòu)組成，如圖2所示。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供能源動(dòng)力，同時(shí)控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)行；連接機(jī)構(gòu)連接手掌；桿件機(jī)構(gòu)是中間過(guò)渡機(jī)構(gòu)，傳遞力的同時(shí)穩(wěn)定機(jī)構(gòu)；手指附著機(jī)構(gòu)包裹手指，保證桿架機(jī)構(gòu)和手指穩(wěn)定連接[4]。

3 行走機(jī)構(gòu)

3.1 桿架機(jī)構(gòu)

桿架機(jī)構(gòu)由傳動(dòng)桿、傳輸桿、小傳動(dòng)桿組成，如圖3（a）所示，其中傳輸桿安裝圖如圖3（b）所示。

桿架初始位置為黑線位置。傳動(dòng)桿1順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)垂直狀態(tài)，傳輸桿2向前移動(dòng)，推動(dòng)小傳動(dòng)桿3的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直至帶動(dòng)手指到達(dá)極限彎曲位置。在彎曲狀態(tài)下傳動(dòng)桿1隨著電機(jī)的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，傳輸桿2上移，小傳動(dòng)桿3后移，此時(shí)手指從彎曲狀態(tài)恢復(fù)初始狀態(tài)，如圖4所示[5]。關(guān)節(jié)連接部分采用3mm螺釘與螺母作為連接件，如圖5所示。

3.2 連接機(jī)構(gòu)

連接機(jī)構(gòu)包裹手掌，采用中空結(jié)構(gòu)，方便患者的穿戴，如圖6所示。作為輔助機(jī)構(gòu)，連接機(jī)構(gòu)把驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與桿架機(jī)構(gòu)相連，保持機(jī)構(gòu)連貫穩(wěn)定[6]。同時(shí)，與舵機(jī)相連，保證桿架機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行。

4 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

4.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇

根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，將舵機(jī)的位置放置手腕外側(cè)，選用尺寸為40×20×44mm、重量為38g舵機(jī)作為動(dòng)力源，如圖7所示。帶動(dòng)食指桿架機(jī)構(gòu)做0～90°運(yùn)動(dòng)。

4.2 控制器選擇

舵機(jī)控制器通過(guò)調(diào)節(jié)輸入舵機(jī)的控制信號(hào)調(diào)節(jié)，外部信號(hào)的寬度和舵機(jī)內(nèi)部周期20ms，寬度1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，獲得電壓差。電壓差的正負(fù)決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。選用六路電位器舵機(jī)測(cè)試儀，將PWM線號(hào)的寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以控制舵機(jī)的角度，如圖8所示。

5 模型制作與運(yùn)動(dòng)演示

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)制作模型如圖9（a）所示。

為驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的合理性，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)演示實(shí)驗(yàn)。為避免個(gè)體手型、尺寸誤差，采用假手模型進(jìn)行食指0～90°運(yùn)動(dòng)演示。分別選取原始位姿；彎曲關(guān)節(jié)掌關(guān)節(jié)40°，近端指關(guān)節(jié)35°；遠(yuǎn)端指關(guān)節(jié)5°和原始位姿向后拉伸15°，如圖9（b，c，d）所示。

6 機(jī)構(gòu)優(yōu)化

驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)表明，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)基本滿足四指康復(fù)需求，但存在手指前端易脫落，拉伸機(jī)構(gòu)無(wú)法大角度轉(zhuǎn)動(dòng)等不足，故進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)用Rhinoceros5.0建模 [7]，如圖10所示。

為使驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行順暢，增加電源散熱環(huán)。同時(shí)，將電源系統(tǒng)集中在中心手背區(qū)域，如圖11（a）所示。每個(gè)指關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)為獨(dú)立的U型外殼結(jié)構(gòu)，且有獨(dú)立的環(huán)形內(nèi)網(wǎng)支撐，如圖11（b）所示。

7 小結(jié)

本文在分析中風(fēng)患者手部康復(fù)需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)手部外骨骼康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，并制作食指為代表的手部外骨骼康復(fù)機(jī)器人模型，運(yùn)用Rhinoceros5.0進(jìn)一步優(yōu)化建模。通過(guò)設(shè)計(jì)制作機(jī)構(gòu)模型，為進(jìn)一步研究手部外骨骼康復(fù)機(jī)器人奠定基礎(chǔ)。通過(guò)模型運(yùn)動(dòng)演示，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制方法基本滿足中風(fēng)患者手部康復(fù)需求。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：陜西省教育廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：15JK2057）。

作者簡(jiǎn)介：樊?。?983-），女，山東濟(jì)南人，博士在讀，講師，研究方向：生機(jī)電融合及智能機(jī)器人技術(shù)。