基于柔性驅動的手指康復裝置

田云龍 張 蓓

（武漢軟件工程職業學院，湖北 武漢 420305）

0 引言

我國每年有大約150萬的新發腦卒中患者，其中約70%的患者遺留有諸如手指抓握障礙等功能障礙，這些功能障礙需要通過物理治療加藥物治療的方式才能達到較好的效果[1]。因此國內外的多所高校及科技公司都在致力于手指康復裝置的研究和開發，手指康復裝置的驅動方式包括驅動、連桿鉸鏈、液壓、鋼絲牽引等方式，其中韓國MAREF公司設計的手部康復訓練裝置RELIVER RL-10、華中科技大學設計的手指康復裝置采用的是氣動方式，氣動方式的特點是控制精度高、但是需要額外的附件提供氣源，設備較大。日本學者Ueki研發、Worsnopp等美國學者、哈爾濱工業大學等采用四連桿鉸鏈的結構進行手指驅動，整體結構較為復雜[2]，廈門大學、燕山大學等國內大學采用鋼絲驅動方式開發了多款繩索手指驅動康復機器人[3]。

雖然國內外學者對手部的康復裝置進行了廣泛研究，但是目前的手部康復機器人仍然存在便攜性低、價格昂貴、結構復雜等問題，大大限制了康復設備的推廣與應用。基于此，該文提出了一種柔性驅動的質量輕、好穿戴、便攜、操作簡便的手部康復設備設計方案。

1 柔性驅動設計

1.1 動力源設計

基于氣動或者液壓驅動的手指康復裝置需要增加氣泵或液壓泵等額為附件，導致此類設備不能便攜使用，設備也相對昂貴，普通家庭也不具備購買力，相比于氣動和液壓等驅動方式，采用鋼絲柔索[4-5]等軟性介質進行驅動不需要額外的附件，可實現便攜式、輕量化，裝置整體結構更簡潔，該文中采用柔性鋼絲作為動力傳遞的介質，為了實現輕量化的目的，采用單電機驅動手指進行抓握運動，減少了電機數量，減輕重量，使用方式上采用可穿戴的設計，滿足患者居家使用的需求，使用過程中不受使用場景的限制。根據人體手的結構，以右手為例，舵機的放置位置有3個：1）手背，動力要由手背傳遞到手指部分，經過的路程遠，轉過的角度較大，所以不合適布置舵機。2）手腕右側。3）手腕左側，（2）和（3）2個位置符合人體手部的曲線，經過的路程較短，并且不需要轉較大的角度，與位置（3）相比，位置（2）在使用過程中與物體接觸較多，因此布置舵機的話容易造成磕碰等，所以綜合考慮選用位置（3）作為舵機放置的位置。

1.2 手指彎曲部分設計

設計中，手指部分根據人體解剖的生理結構[6]，采用仿生人體的設計，根據人體關節的結構進行手指彎曲部分的設計，結構圖如圖1所示，在抓握過程中，兩副連桿繞鉸鏈進行彎曲運動，從而實現了關節彎曲，兩副連桿的彎曲，帶動手指在0°~90°進行旋轉，完成手指的彎曲抓握。

圖1 仿生手指結構及結構原理圖

根據手指關節的特點，人體手指的抓握過程為一端自由的雙連桿結構，關節部位為鉸鏈連接，在抓握過程中，兩副連桿繞鉸鏈進行彎曲運動，從而實現了關節彎曲，手指進行抓握。在設計中手指連桿的自由度計算如下。

式中：n指關節活動構件數，PL為低副約束數，Ph為高副約束數。

根據手指結構得n=3，PL=0，Ph=3，所以可得手指結構的自由度F=6，說明每個指節均可在2個自由度運動，在此基礎上，在設計中限定由鋼絲繩提供自由度限定條件，各個指節可以模擬人體的抓握動作，圍繞鉸鏈進行旋轉運動，完成模擬抓握。

在設計過程中將指套做成中空，手指與掌部連接位置采用可拆卸的鉸鏈設計。中空的設計滿足用戶穿戴時手指穿入的需要，減輕了產品的質量，手指部分及其裝置其他主體結構均制造采用FDM打印技術，所以可根據康復患者的手指長短和粗細進行個性化定制。

1.3 柔性動力傳遞設計

人體5根手指要做出復雜的動作，需要對每根手指進行單獨的動力驅動和控制，但是對腦卒中患者而言，手指康復的運動過程主要是借助設備進行抓握和舒展的重復鍛煉，所以手指康復的動作較為簡單，不需要復雜的抓握動作，手指康復鍛煉過程中，5根手指的抓握和舒展可以認為是動作同步的運動過程，因此可以采用1個動力源進行驅動，該裝置采用1個舵機作為動力源驅動5根手指，在滿足鍛煉動作的同時減少了動力源，減輕了裝置的重量。動力傳遞上利用一個線輥進行傳遞和動力分配，線輥上纏繞0.5mm鋼絲繩作為動力傳遞的介質如圖2，在分隔式線輥上將每根手指的驅動位置進行區分，每個分區驅動一根手指，在分區中從拇指到小指各有對應的位置，分區之間相互不干涉，并且因為是用一根線輥驅動，所以五根手指的運動趨勢是相同的，克服了手指運動不同步而造成運動不協調抓握不平穩的問題。

圖2 線輥結構及線輥分區

整個裝置傳動過程中，線輥起到了至關重要的作用，其運動的平穩性和穩定性決定了產品運行的平穩性，采用Ansys Workbench對該結構進行結構靜力學分析，以模擬預測關鍵部位的受力情況和變形程度，對線輥的可靠性進行分析，不考慮實際零件的公差配合關系，因為線輥的結構整體較為簡單，網格密度適當取小，網格密度采用0.01mm規格，線輥采用FDM打印成型，材質為ABS，參數設置：1.05g/cm3~1.18g/cm3，彈性模量值為2GPa，泊松比值為0.394，采用靜態分析，不考慮時間維度變化，線輥在運行過程中認為舵機提供的扭矩與鋼絲繩的阻力產生的扭矩平衡，對線輥的圓周施加的載荷為0.86N·m，在線輥的端部施加的載荷也為0.86N·m，分析結果表明等效應力主要分布于線輥的圓周位置，最大剪切應力為2.25MPa，遠低于ABS的剪切強度19.6MPa，因此其強度足夠，最大變形量為1.2832×10-4mm，線輥的變形小，該數值在公差允許的范圍內，不會對傳動造成影響。

舵機的動力輸出采用0.5mm的鋼絲繩作為動力的柔性輸出，要將舵機的動力從手部位置最終傳遞到手指，需要經過一定的路徑才能完成，由于鋼絲屬于柔性介質，所以鋼絲的動力不需要齒輪、鉸鏈等進行動力方向的轉變，在裝置設計中采用線扣進行動力傳輸角度的變換，線扣布置于手部的外殼，與手部外殼一體通過FMD進行打印制作，考慮到鋼絲傳動的轉換角度不宜過大以免卡死現象的產生，所以線扣采用流線形的布置如圖3（a），線扣可以在0°~90°對傳遞動力的鋼絲繩進行方向的改變如圖3（b），動力從舵機位置通過多級的線扣角度轉變，輸出至指套的尖端，從而實現了舵機—線筒—線繩—指套的動力傳輸過程。

在指套的尖端均設計了指尖鋼絲的固定端如圖3（c），鋼絲繩上下分別固定，鋼絲固定后其總長即確定，對每根手指而言，當舵機驅動手指抓握時，圖 3（d）下端鋼絲繩拉緊，下端鋼絲繩總長減短，上端鋼絲繩則加長，這時指套即帶動手指繞著指套鉸鏈進行彎曲抓握，鋼絲下端拉緊時則手指彎曲，當舵機反轉時，則上端鋼絲繩拉緊總長逐漸縮短，下端鋼絲繩逐漸加長，指套則帶動手指從抓握狀態逐漸恢復至舒張狀態，通過上下端鋼絲繩的往復拉緊和放松，從而可以帶動手指進行往復的指抓握和舒展鍛煉。下端拉緊和上端拉緊通過舵機的正轉和反轉實現，通過以上的設計，手指的抓握和舒展最終通過舵機的轉動進行控制，所以通過控制舵機的轉動方向、轉動速度、停留時間等參數可以達到控制手指抓握鍛煉的目的。

1.4 電源與控制部分

該產品針對需要康復的群體，在日常生活中，這類人群也不需要取用過重過大的物品，只需要滿足手指進行抓握的輔助動力即可，在設計中，基于每根手指承受4kg重量的屈伸力，在舵機上選擇了20kg規格的舵機，采用6V充電電池用以驅動舵機，電池容量20000mAH，控制模塊采用STM32開發板進行控制，可語音進行控制，并且開發板接口豐富，可接入有心率、血壓等檢測模塊，實時監測用戶的身體參數，發生突發事件可即時報警，在第一時間對突發疾病做出反應。前端人機交互設計采用引導式的操作界面，通過患者健康指標，綜合判斷患者的康復狀態，推薦對應的康復訓練方案。此外，用戶從操作界面上還能夠讀取康復過程中的健康數據，在體征數據有異常時，系統會給出相應的提示。

2 設計實物圖

在設計中，根據產品特性，利用FDM打印技術進行第一代樣機的手指指套和手掌部分的打印，根據每個用戶的手指參數進行個性化的制作，使得設計產品更加貼合，更加實用和舒適，考慮到產品主要起到的作用是輔助抓握，能夠完成傳動即可，所以加工精度要求不高，因此FMD打印技術完全能夠滿足精度要求，在打印材質上選用ABS工程塑料，其強度在70MPa~90MPa，滿足手指拉伸過程中的受力，并且FDM技術可以打印ABS材質，所以材質上也滿足產品的需求，因此裝置整體機身及主要傳動零件均采用FDM打印技術進行制造，實現了個性化的定制穿戴，根據設計的結構進行實物加工，以上各部分進行裝配后得到基于柔性驅動的手指康復裝置如圖4所示，裝置整體機身及主要傳動零件均采用FDM打印技術進行制造，實現了個性化的定制穿戴，從穿戴效果照片可以看出，裝置整體穿戴較為舒適，能夠滿足手指康復患者對手指抓握鍛煉的需求。

圖4 實物圖及穿戴效果圖

3 結論

該文提出的基于柔性驅動的手指康復裝置，采用單舵機驅動手指進行抓握運動，減少了電機數量，機身整體采用3D打印制作，減輕重量，利用0.5mm柔性鋼絲作為動力傳遞的介質，設計了專用線輥傳輸動力，使用方式上采用可穿戴的設計，滿足患者居家使用的需求，小型充電電池供電，使用過程中不受使用場景的限制，設計采用模塊化的設計，各部分進行模塊設計后進行裝配，為腦卒中患者的手指康復過程提供一種新的康復方案。