SMA絲驅(qū)動的手指康復機器人設計及實驗研究

2劉 凱趙東標

(1.南京航空航天大學 機電學院，南京 210016; 2.東北林業(yè)大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

0 引言

正常人手指的運動是由中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制多條肌肉從而實現(xiàn)不同的手指功能運動[1]。目前隨著人們生活節(jié)奏的加快以及不規(guī)律，上肢神經(jīng)卡壓、腦卒中等疾病不斷出現(xiàn)，造成了患者多種神經(jīng)功能的損傷，使患者失去了對手指運動的控制，影響了患者的工作能力和生活品質(zhì)。國內(nèi)外專家提出可以通過高強度、重復性的手部運動訓練刺激大腦皮質(zhì)層來幫助患者逐漸恢復手指運動功能[2-3]。因此將機器人技術(shù)與康復理論相結(jié)合，研制穩(wěn)定可靠地手指康復機器人來輔助手部關(guān)節(jié)及手指屈曲伸展運動的康復訓練，加快人手運動康復速度，在康復醫(yī)學領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

近年來，手指康復機器人的設計主要采用外骨骼結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動方式主要有繩索驅(qū)動[4-8]、氣動驅(qū)動[9-12]、形狀記憶合金絲驅(qū)動[13-14]等。2013-2017年韓國首爾大學機器人實驗室[15-16]研制出了由筋線驅(qū)動的可穿戴手套Exo-Glove Poly，采用聚合物和纖維織物制作而成，筋線分布模擬手指肌腱。Exo-Glove Poly內(nèi)置控制器，可以接受使用者腦部發(fā)出的電信號，然后通過馬達驅(qū)動柔性手套。食指和中指掌側(cè)僅采用一根筋線驅(qū)動，可以實現(xiàn)兩指的協(xié)同運動。經(jīng)試驗，該機器人結(jié)構(gòu)簡單輕便，易于穿戴，可抓握10 N的物體并且適應多種不規(guī)則形狀的物體。2015-2016年[11-12]，新加坡國立大學研制出氣動柔性執(zhí)行器驅(qū)動的手指康復機器人。該機器人采用氣動纖維增強軟體執(zhí)行器，以硅橡膠為制作材料，通過處理采集執(zhí)行器內(nèi)部壓力和彎曲角度等信號，控制腔內(nèi)壓力大小，從而改變執(zhí)行器彎曲角度。在增壓過程中，執(zhí)行器可以產(chǎn)生足夠的力來輔助患者在不同人物中完成手指閉合和抓取運動。控制部分采用表面肌電信號(EMG)和射頻識別技術(shù)(RFID)來獲取使用者的運動意圖，從而控制手指康復機器人完成相應運動。2013-2016年[17]，瑞士蘇黎世理工學院采用三層滑動彈簧片的結(jié)構(gòu)來傳遞直線電機提供的驅(qū)動力，從而帶動手指實現(xiàn)運動。直線電機直接驅(qū)動位于中間層的主動滑動彈簧片產(chǎn)生位移，導致三層彈簧片之間產(chǎn)生相互作用力，使得彈簧片彎曲。經(jīng)驗證，該機器人可以舉起1 L的礦泉水。

目前手指康復機器人的研究已經(jīng)逐漸脫離剛性的外骨骼結(jié)構(gòu)，采用貼合手指的無關(guān)節(jié)柔性設計，具有高效、高柔性、便攜性高等優(yōu)點，已成為國內(nèi)外研究熱點。本文在手指生物結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，提出了一種SMA絲驅(qū)動的柔性手指康復機器人結(jié)構(gòu)，建立了康復機器人的運動學和力學模型。試驗研究了手指康復機器人的運動性能和抓握性能。

1 SMA驅(qū)動康復機器人結(jié)構(gòu)設計

手指康復機器人的結(jié)構(gòu)設計是建立在人手生物結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，同時需要考慮人體工程學和臨床康復的需求。合理的結(jié)構(gòu)才能更好地輔助人手進行連續(xù)的訓練活動，最大程度地實現(xiàn)康復功能[18]。

1.1 手指生物仿生基礎(chǔ)

手指的運動依賴于其內(nèi)部肌肉、韌帶、滑車等結(jié)構(gòu)之間復雜的協(xié)同和拮抗作用。除拇指外的四指均具有四個自由度，遠端指間關(guān)節(jié)(DIP)和近端指間關(guān)節(jié)(PIP)為單自由度的鉸鏈連接，可實現(xiàn)手指在矢狀面內(nèi)的屈曲伸展運動；掌骨關(guān)節(jié)(MCP)為兩個軸線垂直相交的轉(zhuǎn)動自由度的鞍型連接，不僅可實現(xiàn)矢狀面內(nèi)的屈曲伸展，還可以實現(xiàn)冠狀面內(nèi)的外展內(nèi)收運動。拇指主要有掌指關(guān)節(jié)(MCP)和指間關(guān)節(jié)(IP)。

手指肌肉由肌腱和肌腹組成。肌腱用于連接肌腹和骨骼，使肌肉附著并固定在骨骼上，但是肌腱本身不具備收縮能力，只是將肌腹收縮產(chǎn)生的力傳導至骨骼，類似于繩索傳動的方式。

根據(jù)肌肉起點的不同，可以將手指肌肉分為外在肌和內(nèi)在肌。手指生物結(jié)構(gòu)如圖1所示。外在肌(指深屈肌FDP、指淺屈肌FDS、指伸肌EDC)的起點在前臂，通過較長的肌腱與手指骨骼相連，是手指關(guān)節(jié)屈曲伸展的主要動力來源。內(nèi)在肌(蚓狀肌LU、尺側(cè)肌UI、橈側(cè)肌RI)的起點在手指內(nèi)部并直接與骨骼相連，主要負責關(guān)節(jié)處的約束平衡和微調(diào)，控制手指完成精細操作[19]以及實現(xiàn)手指的外展內(nèi)收運動等。表1總結(jié)了四指內(nèi)部主要肌肉的功能。

圖1 手指生物結(jié)構(gòu)圖

表1 四指主要肌肉功能

人手的運動自由度較多，手指運動功能的康復需要康復機器人順應手指自身屈曲伸展運動。因此，對手指生物結(jié)構(gòu)及其運動規(guī)律的研究，是手指康復機器人結(jié)構(gòu)設計的基礎(chǔ)，也是康復策略和評價機制構(gòu)建的前提。

1.2 手指康復機器人結(jié)構(gòu)設計

1.2.1 布絲方式

根據(jù)1.1節(jié)的手指生物仿生基礎(chǔ)并進行一定的簡化來設計康復機器人內(nèi)部的布絲方式。手指的屈曲運動主要由掌側(cè)起源于DIP關(guān)節(jié)處的指深屈肌FDP提供驅(qū)動力，而其伸展運動則由背側(cè)的指伸肌EDC提供，如圖2(a)所示。因此，在手指掌側(cè)屈肌腱和背側(cè)伸肌腱對應的位置上各排布一組牽引線，將其一端與機器人上指尖固定套相連，另一端與SMA絲致動器相連，通過SMA絲的交替加熱收縮來模擬屈伸肌腱，從而驅(qū)動三個關(guān)節(jié)，如圖2(b)所示。

圖2 手指康復機器人布絲仿生原理及示意圖

圖2(b)中黑色區(qū)域是模擬手指內(nèi)部用于固定肌腱的滑車，用于固定絲線，防止絲線在驅(qū)動過程中偏移或滑落手指并確定其運動路徑。本文絲線選用線號為3.0的魚線，可最大承受50 N的拉力。

1.2.2 手指康復機器人基體設計

由于在手指屈曲伸展過程中，人手指關(guān)節(jié)軸線和旋轉(zhuǎn)中心是在不斷變化的，因此剛性結(jié)構(gòu)的康復機器人無法完全貼合手指運動，甚至可能會對手指造成二次傷害。理想的手指康復機器人結(jié)構(gòu)應該能適應不同患者的手指外形差異，同時具有柔軟、輕便等優(yōu)點。因此，綜合考慮穿戴方式和舒適性，本文采用柔性材料TPU作為康復機器人的基體，以手套為原型設計其無關(guān)節(jié)軟體的結(jié)構(gòu)，不僅可以較好地貼合手指運動，還保證了耐磨性，如圖3所示。

圖3 手指康復機器人基體設計

由于在日常生活中，食指、中指和大拇指提供了主要的運動和抓握力的來源，因此本文的基體設計僅考慮三指。基體前側(cè)用圓環(huán)結(jié)構(gòu)，起到固定手指和絲線的作用，并給手指屈曲留有一定的空間。基體背側(cè)采用菱形結(jié)構(gòu)，可以被拉伸從而適配不同人手指的長度。手掌位置處設有絲線路徑規(guī)劃的導程，避免絲線相互纏繞。除此之外，在虎口和手腕相應位置處，均設計有搭扣的表帶結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)實際手長手寬尺寸進行調(diào)節(jié)，從而固定手指與基體的連接。

1.2.3 驅(qū)動機構(gòu)

由于SMA絲應變較低(最大應變僅為5%)，因此為了提供足夠的收縮量，每根SMA絲所需的長度遠大于前臂長度。針對該問題，設計了往復折返布絲式增程機構(gòu)，放置在驅(qū)動盒內(nèi)，來確保滿足手指屈伸變形的行程要求，如圖4所示。

圖4 增程機構(gòu)

增程機構(gòu)主要采用滑輪裝置，SMA絲纏繞在滑輪組上，盡量保證繃直，減少SMA絲收縮行程的浪費。一旦SMA絲受熱收縮，就會帶動與手指直接貼合的牽引線移動，實現(xiàn)對手指關(guān)節(jié)的驅(qū)動。增程機構(gòu)的大小為8*25 cm2，滑輪外徑為12 mm。在驅(qū)動盒內(nèi)還裝有風扇，保障在SMA絲處于過熱狀態(tài)時能夠及時散熱。

2 SMA驅(qū)動康復機器人模型

SMA絲加熱收縮后的應力和應變直接驅(qū)動手指三關(guān)節(jié)實現(xiàn)抓握等運動。仿生康復手套的運動學模型是研究了SMA絲應變和關(guān)節(jié)角度之間的關(guān)系。力學模型則是研究了SMA絲應力和抓握時指尖力的大小，目的是獲取所能抓握物體的最大力。

2.1 手指康復機器人運動學模型

為了便于分析，將手指生理結(jié)構(gòu)簡化為開鏈的多剛體系統(tǒng)。手指指骨(遠端指骨，中節(jié)指骨，近端指骨和掌骨)為四段相連的剛體，各節(jié)段用矩形表示，如圖5所示。

圖5 手指康復機器人運動學模型

坐標建立在手指掌骨第一個圓環(huán)固定處，y軸為掌骨中軸線方向。圖中Li、di和ui(i=0,1,2,3)分別表示掌骨、近端指骨、中節(jié)指骨和遠端指骨的長度、厚度的一半以及中軸線方向。

ui=Ri-1·ui-1

(1)

式中,R為對應關(guān)節(jié)之間的旋轉(zhuǎn)變換矩陣。

vi=Li·ui

(2)

根據(jù)圖5建立運動學模型方程如下：

P1=[d1,0]T

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

根據(jù)上式，輸入相應的角度可以計算出，達到需求角度，SMA絲所需要的收縮長度，如下式：(手指運動初始狀態(tài)默認為三關(guān)節(jié)角度均為0°時):

(9)

εE=d1θ1+d2θ2+d3θ3

(10)

式中，εF和εE分別表示達到特定角度時，手指掌側(cè)和背側(cè)SMA絲需要收縮的長度。由此可以獲得達到手指屈曲最大角度時，所需要的SMA絲收縮量為45.8 mm。根據(jù)SMA絲應變低的特點并留有一定的富余，每根手指采用1 m的SMA絲進行驅(qū)動。

2.2 手指康復機器人力學模型

在抓取物體時，SMA絲收縮產(chǎn)生的拉動絲線的應力會在物體和指尖之間產(chǎn)生兩個方向相互垂直的切向力和法向力，如圖6所示。法向力可以克服指尖和物體之間的摩擦，從而實現(xiàn)對物體的抓握。基于虛功原理，利用手指與軟體康復手套之間的位移協(xié)調(diào)與力平衡機制，建立如下方程：

FSMA1·δε1+FSMA2·δε2+Fn·δx+Ft·δx=0

(11)

ε1=-εEj

(12)

ε2=-εFj

(13)

x=(L1sinθ1+L2sin(θ1+θ2)+L3sin(θ1+θ2+θ3))i+

(L1cosθ1+L2cos(θ1+θ2)+L3cos(θ1+θ2+θ3))j

(14)

圖6 手指康復機器人力學模型

由于手指內(nèi)部肌肉的協(xié)同作用，DIP和PIP的關(guān)節(jié)角度之間存在一定關(guān)系[20]，如下式：

(15)

根據(jù)上述公式(12)～(15)可以推導出SMA絲收縮產(chǎn)生的力FSMA與Fn之間的關(guān)系：

0.30FSMA≤Fn≤0.65FSMA

(16)

3 試驗

3.1 手指康復機器人樣機

本文選用TiNi基SMA絲作為手指仿生康復機器人的驅(qū)動器，直徑0.3 mm，電阻率1.11(10-6Ω·m，相變溫度為60℃。樣機分為基體部分和驅(qū)動部分，如圖7所示。基體部分總重65 g，驅(qū)動部分總重328 g。由于驅(qū)動部分直接放置在桌面上，僅基體部分穿戴在手指上，因此樣機整體輕便緊湊，不會加重手指的負擔，適合成為日常康復的工具。

圖7 手指康復機器人樣機

為了驗證本文所設計的手指仿生康復機器人樣機的性能，對其運動性能和抓握性能進行試驗。受試者在右手上穿戴樣機后，將前臂和手放置在前方的桌子上，并被要求完全放松右手。三組SMA絲驅(qū)動電壓為20 V，通過單根SMA絲的最大電流值為0.8 A。

3.2 運動性能試驗

受試者穿戴上手指康復機器人樣機之后，在不抓握任何物體的前提下，研究樣機的自由運動性能。由樣機帶動手指從初始狀態(tài)(三關(guān)節(jié)角度均為0°)到最大屈曲位置，使用攝像機對每次的試驗進行視頻錄制，每秒測量并記錄3個關(guān)節(jié)的角度值，其位置運動序列如圖8所示。

圖8 20 V電壓下樣機屈曲過程圖像序列

三指各關(guān)節(jié)屈曲和伸展的平均最大角度見表2，并與健康人手所能達到的平均最大角度[2]進行比較。

表2 健康人手和康復機器人所達到的平均最大角度

從表2中可以看出康復機器人平均最大角度大概是正常人手的85%。雖然屈曲伸展幅度小于正常人手，但是已經(jīng)可以滿足日常生活中對手指運動范圍的需求。表中手指MCP關(guān)節(jié)的角度都與實際差值最大，是由于結(jié)構(gòu)設計阻擋了一部分MCP關(guān)節(jié)的行程。因此在后續(xù)的研究中，需要改進相應結(jié)構(gòu)的設計，增加MCP關(guān)節(jié)運動范圍。經(jīng)過試驗，康復機器人從初始狀態(tài)到完全屈曲狀態(tài)平均時間8 s，從完全屈曲狀態(tài)到完全伸展狀態(tài)時間10 s，響應時間較快，可以滿足日常要求。

3.3 抓握性能試驗

為了測試樣機的抓握性能，進行了以下三個方面的試驗：指尖力變化試驗，抓握力試驗以及抓握不同形狀物體試驗。

3.3.1 指尖力試驗

受試者放松手指，將指尖放置在壓力傳感器上，保持手指初始狀態(tài)姿勢進行試驗，如圖9所示，分別測試手指康復機器人能提供的最大指尖力。

圖9 指尖力試驗示意圖

壓力傳感器選用電阻式薄膜壓力傳感器FSR402，外徑18 mm，壓力感應范圍為0.2～60 N。使用20 V電壓驅(qū)動SMA絲，記錄下拇指、食指和中指在SMA絲的驅(qū)動下各自的指尖力變化曲線，如圖10所示。

圖10 拇指、食指和中指的指尖力變化曲線

從圖中可以看出，拇指、食指和中指最大指尖力分別為11 N、18 N和21 N。2011年H.In等人[20]認為18 N的力足以完成日常的抓握任務，因此本文研制的手指仿生康復機器人滿足基本的指尖力需求。除此之外，測量了SMA絲在最大指尖力時的拉力分別為24 N、40 N和47 N，約為0.46倍的指尖力，因此滿足3.2節(jié)中所提出的力學模型。

3.3.2 抓握不同形狀物體試驗

為了體現(xiàn)本文所研制的手指康復機器人的高適用性和高柔性，因此抓握以下不同形狀的物體，測試其抓握性能，如圖11所示。

圖11 手指康復機器人輔助抓握不同形狀物體試驗

圖11中第一排為抓握物體的主視圖，第二排為俯視圖。所選擇物體質(zhì)量從10 g到266 g，經(jīng)試驗驗證可以看出手指康復機器人能夠幫助手指較好地抓握日常用品。

4 結(jié)束語

本文在分析手指生物結(jié)構(gòu)和肌肉骨骼致動機理的基礎(chǔ)上，研制了一種形狀記憶合金絲驅(qū)動的柔性結(jié)構(gòu)手指康復機器人，研究其運動學和力學模型。為滿足機器人輕便、可攜帶的特點，在結(jié)構(gòu)上將其做成手套的形式，并使用柔性材料TPU作為手指康復機器人的主體結(jié)構(gòu)，形狀記憶合金絲作為驅(qū)動器，通過控制SMA絲的收縮來輔助手指實現(xiàn)屈曲伸展等運動功能。通過對手指康復機器人樣機運動性能和抓握性能的實驗研究，可以看出機器人不僅能夠?qū)崿F(xiàn)正常人手的功能性活動范圍，較靈活，還能夠增加人手的抓握力，從而減少手指肌肉的壓力。其屈曲伸展程度可達正常人手范圍的85%，單指最大指尖力為18 N。因此，為未來手指康復機器人的研制提供了一種可行的方案。之后會將傳感器加入機器人的控制中，基于電阻反饋來控制SMA絲的精確收縮，從而直觀地控制機器人的力和角度。除此之外，手指之間的協(xié)同運動康復功能也會在加入未來的控制研究中。