柔性鏈驅動的手功能康復訓練系統(tǒng)研究

肖藝璇, 李新偉,喻洪流

1.上海理工大學康復工程與技術研究所( 上海，200093)

2.上海康復器械工程技術研究中心(上海，200093)

3.民政部神經(jīng)功能信息與康復工程重點實驗室(上海，200093)

0 引言

隨著社會的發(fā)展和人口老齡化的加劇，因中風或其他神經(jīng)紊亂而導致肌肉損傷的人數(shù)也在增加。對于這些患者來說，通過康復來恢復日常活動的能力變得尤為重要［1-3］。其中，可穿戴設備是康復領域研究的關注重點［4］，因為它們可以獨立控制和訓練使用者的關節(jié)運動。研究表明，手在日常生活活動(ADL) 中是必不可少的，許多與環(huán)境和日常物品的互動都是通過手進行的［5-7］。針對我國人口基數(shù)大，腦卒中發(fā)病率高、康復醫(yī)師相對缺乏，訓練效果受康復醫(yī)師個人水平和經(jīng)驗影響，手功能康復訓練治療費用高等現(xiàn)狀，研發(fā)一款可穿戴的手功能康復訓練裝置來幫助病患自主進行康復訓練治療至關重要。

現(xiàn)有手功能康復設備按照驅動部位可以分為指尖驅動、關節(jié)驅動、物體接觸驅動等。哈佛大學Polygerinos 團隊［8］研制出針對手功能抓握障礙個體的康復與生活輔助相結合的柔性手套，采用纖維增強材料的成型彈性腔組成的柔性體執(zhí)行器，通過改變?nèi)嵝泽w內(nèi)腔壓力帶動手指完成抓握動作；岐阜大學Ueki 團隊［9］研制的手部外骨骼康復機器人，具有全自由度，其中拇指4 個自由度，四指各有3 個自由度，腕部有2 個自由度，由6個獨立電機驅動；香港理工大學研究團隊［10］開發(fā)的可穿戴式希望之手，共有5 個自由度，每個手指都配有線性微型電機提供驅動力，采用EMG 控制手部訓練和人機交互。

國內(nèi)外現(xiàn)有手功能康復設備中一類是電機數(shù)量眾多，結構復雜，穿戴性差；另一類個性化適應性差，無法滿足不同手部特征患者的需求。因此本研究旨在設計出一種運動角度滿足手指正常運動范圍，可以針對不同手部特征參數(shù)的患者進行個性化調(diào)整的手功能康復訓練裝置。

1 機械結構設計

1.1 人手生物學特性闡述

掌指關節(jié)(MCP)、近側指間關節(jié)(PIP)、遠側指間關節(jié)(DIP)［11］決定了人手四指相對于手掌運動。每個手指有4 個自由度, 其中MCP 有2 個自由度，PIP 和DIP 各有1 個自由度，拇指有3 個自由度, 整體共計19 個自由度。手指運動的特點包括：(1)手指關節(jié)彎曲伸展、內(nèi)收外展均有一定角度范圍；(2)各段手指骨在同一個平面內(nèi)運動；(3)大拇指外伸的兩段指骨在同一平面內(nèi)運動；(4)PIP和DIP 有互相約束，即使無外力作用， PIP 彎曲，DIP 也會彎曲；反之亦然。正常成人手指活動范圍如表1 所示。

1.2 結構設計

本訓練裝置機械系統(tǒng)由五組柔性鏈驅動模塊、動力輸出機構和手背貼合面板組成，如圖1 所示。通過雙出軸減速電機帶動，實現(xiàn)手指柔性驅動模塊固定托架與被動齒輪固定連接，托架圍繞主軸的回轉運動和與自轉運動，從而使五指或者對應某特定需要訓練的手指完成伸展和抓握訓練，模塊化的手指柔性驅動的結構設計可以快速實現(xiàn)左右手互換，適應不同病人的手指長短、手指間距。通過控制電機的正反轉可以實現(xiàn)單個手指單獨訓練、特定某幾個手指的聯(lián)動訓練。本設計屬于可穿戴式訓練裝置，穿戴結構設定手指的遠節(jié)指骨穿戴固定點。在訓練過程中，通過牽引遠節(jié)指骨帶動中節(jié)指骨、近節(jié)指骨運動。本訓練裝置相比其他外骨骼類手指訓練器機械結構簡單，但更能滿足手功能康復訓練的運動范圍要求。由于僅需固定手指末端的遠節(jié)指骨和手臂，所以本裝置方便穿戴，減輕了康復訓練師和患者的負擔。

表1 正常成年人除拇指外其余四指活動范圍Tab.1 Range of motion of the other four fingers in normal adults except the thumb

圖1 手功能康復訓練裝置三維模型Fig.1 Three-dimensional model of hand functional rehabilitation training device

動力輸出機構中，由減速箱輸出動力到第一級同步帶輪；第二級同步帶輪傳動中，將主動輪與第一級同步帶輪傳動的外殼固定，被動輪的轉軸在旋轉外殼的帶動下以中心距為半徑圍繞主動輪旋轉。如圖2 所示，第二級行星同步帶傳動機構，在旋轉內(nèi)殼上開有旋轉限位槽，主動帶輪通過限位槽用與第一級同步帶傳動機構的外殼形成固定連接，而不做旋轉運動；旋轉外殼和第一級同步帶傳動機構的被動輪主軸形成固定連接，在主動軸的帶動下做旋轉運動；根據(jù)相對運動關系，第二級從動帶輪以該級同步帶傳動中心距為半徑繞其主動帶輪轉動，并產(chǎn)生自轉角速度，動力傳遞給一組齒輪來獲得所需運動方向、速度和驅動力，放大手指柔性驅動模塊固定托架的運動范圍。

圖2 動力輸出結構Fig.2 Power output structure

手指柔性驅動模塊為本訓練裝置的執(zhí)行機構包括快速定位、方向微調(diào)、長度調(diào)節(jié)角度限位及遠節(jié)指骨固定4 個機構，并由含有陣列式定位半球槽的柔性驅動模塊固定托架將五個手指柔性驅動模塊串聯(lián)起來，使手指柔性驅動模塊帶動遠節(jié)指骨運動，實現(xiàn)手指的伸展和抓握運動的康復訓練。根據(jù)不同病人的手部情況可以快速實現(xiàn)左、右手互換，調(diào)整手指柔性驅動模塊的長短和模塊之間的距離。

如圖3 所示，彈簧球頭柱塞嵌入快速定位中，配合含有陣列式定位半球槽的自適應調(diào)節(jié)托架，可以實現(xiàn)模塊的快速推拉和定位，擰開一端的螺母后，可以更換、調(diào)整手指柔性驅動模塊的排列順序和間隔距離。實際設計過程中，手指柔性驅動模塊為了滿足五指的不同情況，針對拇指和其他四指分別設計不同的快速定位，其中拇指的快速定位根據(jù)人的拇指運動方向做出具有仿形結構的空間角度調(diào)整；方向微調(diào)可以使柔性驅動模塊自適應每個手指橫向角度狀態(tài)，提高舒適性；長度調(diào)節(jié)角度限位器可以調(diào)整每個手指柔性驅動模塊的長度，又通過旋轉限位來控制柔性鏈的彎曲極限，從而使手指柔性驅動模塊在極限位置成為剛性鏈，使固定在遠節(jié)指骨固定套的遠節(jié)指骨獲得足夠推力和拉力。

圖3 手指柔性驅動模塊結構Fig.3 Structure of finger flexible drive module

1.3 動力學分析

本設計提出的手指驅動柔性鏈為若干帶旋轉限位的模塊串聯(lián)而成，如果多模塊柔性鏈被帶入動力學仿真，系統(tǒng)的無效自由度增多，冗余結構引起較多的無效數(shù)據(jù)計算，無法得到準確的分析結果；在動力學仿真過程中，本設計將模型簡化，原手指柔性驅動鏈可以簡化為軸向剛度大于手指剛度，且徑向彎曲形變小于手指彎曲變形的柔性桿。由于機械臂桿長度較長且截面積相對較小，運動過程中產(chǎn)生的軸向變形和剪切變形相對于撓曲變形而言非常小，因而在動力學建模過程中可以忽略，將柔性桿簡化為Euler-Bernoulli 連桿處理。本設計研究的柔性平面連桿，只考慮桿臂柔性，鉸鏈處作為剛性材料處理，整體可以看作剛柔耦合動力學仿真模型。

本動力學分析以食指及其對應的柔性驅動鏈為代表，遠端指間關節(jié)均可以由近節(jié)指骨帶動做少量的被動訓練，因而在模型設計過程中把遠節(jié)指骨和中節(jié)指骨合并成一個連桿。而連桿由三個直桿，執(zhí)行結構模型為：L1=60 mm，一個組合連桿（兩端距離L2=150 mm），手指模型：L3=30 mm，L4=54 mm。如圖4 所示為簡化結構建模效果圖。

圖4 簡化結構建模效果圖Fig.4 Simplified structure modeling renderings

對柔性桿進行有限元分析，定義材料屬性，柔性機械臂的材料為碳纖維，密度=1.8×103kg/m3，彈性模量E=250 GPa，泊松比=0.3 劃分離散網(wǎng)格，通過SOL 103 Flexible Body 結算方案進行模態(tài)計算，可以得到柔性桿形變狀態(tài)和對應狀態(tài)時間點的MCP、PIP 角度，柔性驅動模塊固定托架動力學參數(shù)。解算后求得結果如圖5 所示。

圖5 動力學分析解算結果Fig.5 Results of dynamic analysis

以上仿真結果表明：手指被動訓練關節(jié)運動角度、速度達到康復指標；根據(jù)仿真結果可以在合理閾值范圍內(nèi)選取速度、力矩更小的電機，減小整體結構的重量和功耗。

2 控制系統(tǒng)設計

柔性鏈驅動的手功能康復訓練系統(tǒng)是康復機械結構本體和嵌入式控制系統(tǒng)的有機統(tǒng)一，整個手功能訓練裝置控制系統(tǒng)的集成如圖6 所示。本設計的控制系統(tǒng),由計算機系統(tǒng)、控制器模塊、電機驅動模塊、Leap Motion 虛擬現(xiàn)實圖像采集模塊4 個部分組成。穿戴式機械本體穿在患者的前臂部分,安裝在本體上的力矩傳感器和角度傳感器用于采集DIP的運動信息，由數(shù)據(jù)采集模塊AD7927 處理之后，通過SPI 通信發(fā)送給STM32F407 進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理、分析；上位機通過Leap Motion 虛擬現(xiàn)實圖像采集模塊提供虛擬現(xiàn)實的游戲環(huán)境,來提高患者主動參與康復訓練的積極性；電機驅動模塊采用L298穩(wěn)壓H 橋電路換向，通過處理STM32F407 分配的PWM 信號對電機的轉速、轉向進行控制。

手部康復機器人系統(tǒng)還包括計算機提供的手功能康復治療虛擬環(huán)境,通過Leap Motion 體感控制器采集偏癱患者檢測手部手勢圖像，經(jīng)圖像處理和比對既有的已經(jīng)過深度學習的手勢庫，若手勢匹配，則形成指令數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)控制虛擬環(huán)境的游戲對象，并由串口發(fā)送控制指令給STM32F407 控制本設計的手功能訓練裝置運動；若手勢無法匹配，則提示訓練網(wǎng)絡再學習，更新手指控制指令庫。利用虛擬現(xiàn)實技術將訓練狀態(tài)實時反饋給患者,虛擬場景和提示信息疊加到真實場景中的增強顯示,提供一種輕松娛樂的康復治療虛擬環(huán)境，包含視覺、聽覺和觸覺反饋。

圖6 手功能訓練裝置控制系統(tǒng)結構Fig.6 Control system structure of hand functional training device

3 實驗驗證

為了評估系統(tǒng)的性能和實現(xiàn)最終的臨床應用, 首先在上海兩所醫(yī)院康復科進行初步試用。分別選取5 名軟癱期肌張力大小不同的患者進行測試，在伸展和抓握被動訓練過程中，關節(jié)角 度 范 圍 為MCP(120°,192°)，PIP(78°,190°)，DIP(100°,195°)，重復誤差＜5%，可以完全滿足手功能障礙患者進行康復訓練的角度和施力要求，且在安全范圍內(nèi)。

產(chǎn)生重復誤差的主要原因是尼龍搭扣綁帶松緊程度較難控制，因而在往復訓練過程中手指各關節(jié)角度會產(chǎn)生一定誤差，但不影響手部康復訓練效果。如圖7 為一個訓練運動周期內(nèi)手指各關節(jié)角度變化。

對比通過擬合實際關節(jié)角度變化曲線和動力學仿真結果曲線如圖8 所示。在運動趨勢和范圍兩個方面，可以發(fā)現(xiàn)除因手指長短引起的角度范圍有±10° 浮動以外，實驗數(shù)據(jù)和仿真結果相符。經(jīng)過試用之后5 位軟癱期手功能運動障礙患者和康復醫(yī)師均表示，本設計的康復訓練系統(tǒng)可以在一定程度上替代康復醫(yī)師完成部分手部抓握、伸展運動訓練，且穿戴舒適，運行穩(wěn)定。

圖7 一個訓練運動周期內(nèi)手指各關節(jié)角度變化Fig.7 Changes in the angle of each finger joint during a training exercise period

圖8 5 位患者使用本系統(tǒng)后采集的關節(jié)角度數(shù)據(jù)與動力學仿真結果對比Fig.8 Comparison between the joint angle data and the dynamic simulation results collected from 5 patients after using the system

4 結論

研制的手部康復機器人機構能輔助病人完成手指的抓握和伸展運動功能訓練任務。這種新型穿戴式手部康復機器人與現(xiàn)有的外骨骼手部康復機器人相比，結構輕便、穿卸方便，且柔順性好、運行穩(wěn)定，非常適合在社區(qū)和家庭中使用。更重要的是其具有左右手互換、指間間距可調(diào)等個性化適應的功能，克服了目前其它技術的手功能裝置難以個性化適應的缺點。實驗結果證明，通過人機交互和控制系統(tǒng)實現(xiàn)對手指各關節(jié)角度的控制，所設計手功能康復訓練系統(tǒng)的可用性和有效性。