黃鵬程 楊慶華 鮑官軍 林 雪 張立彬

1.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，金華，321000

2.浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州，310014

3.浙江省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，金華，321000

0 引言

人手是人類(lèi)日常生活中使用頻率最高的肢體部位，因意外導(dǎo)致的或其他疾病引發(fā)的手部運(yùn)動(dòng)功能缺失及其并發(fā)癥的發(fā)病率一直居高不下。人手功能缺失后需要借助器械進(jìn)行被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，以達(dá)到最佳的康復(fù)效果。

目前國(guó)內(nèi)外已有多種手部康復(fù)器出現(xiàn)，如：Sasaki等［1］利用類(lèi)似于McKibben型氣動(dòng)人工肌肉（PMA）的氣體柔性驅(qū)動(dòng)器研制了一種用于手腕運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)的裝置ASSIST；張立勛等［2］公開(kāi)了一種采用機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的手指運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的裝置；Fu等［3－4］采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)和連桿機(jī)構(gòu)研制了一種連續(xù)被動(dòng)活動(dòng)（CPM）手指康復(fù)器。

就手部康復(fù)器的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，還存在以下問(wèn)題：①現(xiàn)有的康復(fù)器沒(méi)有將人腦意識(shí)、人類(lèi)手指的自然運(yùn)動(dòng)規(guī)律融合進(jìn)康復(fù)器的運(yùn)動(dòng)控制中，對(duì)患者的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練效果不佳；②不能針對(duì)患者的單個(gè)手指或指關(guān)節(jié)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，適用性差；③采用剛性機(jī)械結(jié)構(gòu)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，而剛性機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了康復(fù)器的整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易拆裝，考慮到安全性等問(wèn)題，電機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)伺服電機(jī)和控制器的要求較高，因此，成本也相對(duì)較高。

因此，本文提出將氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器（flexible pneumatic acutuator，F(xiàn)PA）［5－6］引 入 到康 復(fù) 器 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的連桿式機(jī)械結(jié)構(gòu)。同時(shí)，將 表 面 肌 電 信 號(hào) （surface eletroMyo singal，sEMG）引入到控制系統(tǒng)中，并結(jié)合控制主體的運(yùn)動(dòng)意圖與實(shí)時(shí)反饋的位置信號(hào)，使手指康復(fù)器的康復(fù)訓(xùn)練接近正常手指運(yùn)動(dòng)形式，提高康復(fù)效率。同時(shí)，進(jìn)行初步的康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證提出的手指康復(fù)器在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。

1 基于FPA的手指康復(fù)器結(jié)構(gòu)

1.1 氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器

FPA是本課題組提出的一種新型氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器。FPA的主要部分是彈性橡膠管，橡膠管壁內(nèi)嵌入螺旋彈簧，橡膠管兩端與端蓋密封連接，其中一端的端蓋上安裝管接頭，壓縮氣體可以從這個(gè)管接頭進(jìn)入FPA內(nèi)腔。當(dāng)壓縮氣體從管接頭充入FPA內(nèi)部時(shí)，在氣體壓力和螺旋彈簧的作用下，圓柱形橡膠管拉伸變長(zhǎng)，整個(gè)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為軸向伸長(zhǎng)；當(dāng)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部氣體壓力減小時(shí)，在橡膠管及螺旋彈簧的彈性作用下，整個(gè)結(jié)構(gòu)收縮變短，直至恢復(fù)原狀。FPA結(jié)構(gòu)尺寸比典型的McKibben型PMA［7－10］結(jié)構(gòu)尺寸要小得多，在本項(xiàng)目研究中，根據(jù)人類(lèi)手指尺寸，可以設(shè)置直徑為8～20mm。

1.2 手指康復(fù)器的工作原理

手指康復(fù)器的單指結(jié)構(gòu)如圖1所示。將手指康復(fù)器戴在患者的待康復(fù)手指上，并通過(guò)粘扣和手掌固定結(jié)構(gòu)把康復(fù)器固定在患者的手背上方，使康復(fù)器的兩個(gè)FPA分別處于手指的近掌指節(jié)和中指節(jié)的相應(yīng)位置，通過(guò)通氣管分別向兩個(gè)FPA內(nèi)腔充入壓縮氣體，驅(qū)動(dòng)彎曲關(guān)節(jié)作彎曲運(yùn)動(dòng)，如圖2所示，從而迫使手指也發(fā)生相應(yīng)的彎曲運(yùn)動(dòng)。通過(guò)控制通氣管內(nèi)壓縮氣體的壓力，可以得到不同角度、不同關(guān)節(jié)組合的運(yùn)動(dòng)形式，對(duì)不同情況的手指進(jìn)行被動(dòng)式康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。由于手指康復(fù)器的內(nèi)腔緊貼手指表面，同時(shí)可利用粘扣扣緊，使手指康復(fù)器和患者手指成為一體，即保證了患者手指與康復(fù)器之間彎曲動(dòng)作的一致性，又確保了康復(fù)器尺寸的可調(diào)節(jié)性。

圖1 手指康復(fù)器單指結(jié)構(gòu)

圖2 單指彎曲

2 手指康復(fù)器控制系統(tǒng)

手指康復(fù)器的控制系統(tǒng)主要包括模式識(shí)別模塊、主控制模塊以及角度反饋模塊3個(gè)模塊，如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)框架圖

模式識(shí)別模塊的作用是構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別器，將采集到的表面肌電信號(hào)進(jìn)行識(shí)別分類(lèi)，輸出結(jié)果，并在交互界面顯示。主控制模塊的主要功能是控制數(shù)據(jù)采集卡采集上一模塊的識(shí)別結(jié)果，并控制電氣比例閥輸出不同的氣壓值，從而控制手指康復(fù)器。角度反饋模塊則負(fù)責(zé)將手指康復(fù)器的穩(wěn)定彎曲角度反饋至主控制器，同時(shí)顯示在交互界面上。

2.1 模式識(shí)別模塊

幾十年來(lái)，模式識(shí)別技術(shù)研究取得了大量的成果，尤其是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別的出現(xiàn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別方法的一個(gè)重要特點(diǎn)就是它能夠有效地解決很多非線性問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)論是應(yīng)用的深度，還是廣度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)模式識(shí)別［11］。BP算法是一種常用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，其學(xué)習(xí)目的是利用網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際輸出與期望輸出之間的誤差來(lái)修改其權(quán)值，使實(shí)際輸出與期望輸出盡可能地接近，即使輸出層的誤差平方和達(dá)到最小。通過(guò)連續(xù)不斷地在相對(duì)于誤差函數(shù)斜率下降的方向上計(jì)算網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和偏差的變化而逐漸逼近目標(biāo)，每一次權(quán)值和偏差的變化都與網(wǎng)絡(luò)誤差的影響成正比，并以反向傳播的方式傳遞到每一層［12］。

根據(jù)單指運(yùn)動(dòng)康復(fù)器的具體需求，在MATLAB編譯環(huán)境下設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別模塊，并開(kāi)發(fā)Delphi程序完成對(duì)MATLAB程序的調(diào)用，其主要參數(shù)設(shè)置如下：

2.2 主控制模塊

主控制模塊是以研華PCL－812PG數(shù)據(jù)采集卡為核心，同時(shí)利用Delphi7開(kāi)發(fā)可視化人機(jī)交互界面，其原理如下：高速數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)兩路D/A輸出控制電－氣壓力比例閥的電壓信號(hào)，從而改變康復(fù)手指兩個(gè)FPA的內(nèi)腔氣壓，實(shí)現(xiàn)其彎曲運(yùn)動(dòng)；同時(shí)數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)兩路A/D轉(zhuǎn)換通道對(duì)電－氣壓力比例閥壓力反饋信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)；彎曲角度通過(guò)角度反饋模塊進(jìn)行檢測(cè)反饋，角度值通過(guò)DSP單片機(jī)控制卡以CAN總線方式傳輸給工控機(jī)。

2.3 角度反饋模塊

角度反饋模塊主要包括主控板卡、FPC數(shù)據(jù)線以及載有AS5045芯片的PCB電路板，其中主控板塊與工控機(jī)之間采用CAN總線通信方式。AS5045芯片可以用于精確測(cè)量360°范圍內(nèi)的角度，是一個(gè)完整的片上系統(tǒng)，單個(gè)封裝集成了霍爾元件，模擬前端以及數(shù)據(jù)信號(hào)處理功能。測(cè)量角度時(shí)，只需簡(jiǎn)單地在芯片中心的上方或下方放置1個(gè)旋轉(zhuǎn)雙極磁鐵即可，如圖4所示，絕對(duì)的角度測(cè)量方式可即時(shí)指示磁鐵角度位置。

圖4 AS5045芯片和磁鐵的典型布置方式

根據(jù)測(cè)量原理檢測(cè)康復(fù)手指每個(gè)關(guān)節(jié)的位置信息時(shí)，只需在關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸上放置一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁鐵，且該旋轉(zhuǎn)磁鐵需平行置于AS5045芯片的上方。以彎曲關(guān)節(jié)為例，安裝示意圖見(jiàn)圖5。由于AS5045芯片是直接數(shù)字信號(hào)輸出，可以與單片機(jī)系統(tǒng)直接相連，不需要模擬放大等復(fù)雜電路，故關(guān)節(jié)位置檢測(cè)電路較為簡(jiǎn)單［13］。

圖5 關(guān)節(jié)角度測(cè)量示意圖

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 理論基礎(chǔ)

本文建立了彎曲關(guān)節(jié)的靜態(tài)模型，并對(duì)彎曲關(guān)節(jié)的一端端蓋進(jìn)行力矩分析，得出當(dāng)外力矩M＝0時(shí)，彎曲角度與關(guān)節(jié)內(nèi)腔氣體壓力之間的關(guān)系式［14］：

式中，Lb為彎曲關(guān)節(jié)橡膠管初始長(zhǎng)度；rb為彎曲關(guān)節(jié)橡膠管平均半徑；tb為彎曲關(guān)節(jié)橡膠管初始壁厚；Eb為彎曲關(guān)節(jié)橡膠管彈性模量；Δp為彎曲關(guān)節(jié)橡膠管內(nèi)腔壓力變化值，Δp＝p－patm；p為氣泵輸出氣壓；patm為大氣壓力。

由彎曲關(guān)節(jié)的彎曲機(jī)理可知，彎曲關(guān)節(jié)的內(nèi)腔氣壓p是關(guān)節(jié)彎曲角度θ產(chǎn)生的動(dòng)因，根據(jù)兩者的數(shù)學(xué)關(guān)系式，繪制p－θ關(guān)系曲線圖，見(jiàn)圖6，彎曲關(guān)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表1，表中彎曲關(guān)節(jié)的彈性模量Eb取值為理想情況下的橡膠管彈性模量。

圖6 p－θ關(guān)系曲線圖

表1 彎曲關(guān)節(jié)參數(shù)

如圖6所示，F(xiàn)PA的p－θ關(guān)系曲線平滑，彎曲過(guò)程穩(wěn)定，因而，基于FPA設(shè)計(jì)的手指康復(fù)器的彎曲過(guò)程也相對(duì)穩(wěn)定。所以在驗(yàn)證系統(tǒng)的控制精度時(shí)，只需對(duì)手指康復(fù)器的靜態(tài)誤差進(jìn)行分析研究，其動(dòng)態(tài)誤差由FPA的特性決定。

3.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本實(shí)驗(yàn)分為三部分：第一部分是表面肌電信號(hào)的識(shí)別率實(shí)驗(yàn)，這對(duì)于手指康復(fù)器整體控制有著決定性作用；第二部分是隨機(jī)角度彎曲實(shí)驗(yàn)，目的是解決角度分配問(wèn)題；第三部分是控制系統(tǒng)整體彎曲精度實(shí)驗(yàn)，這直接關(guān)系到手指康復(fù)器控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。

3.3 模式識(shí)別模塊識(shí)別率實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)以手指康復(fù)器控制系統(tǒng)中模式識(shí)別模塊為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)主要步驟如下：將已知的表面肌電信號(hào)輸入模式識(shí)別模塊的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)器中，通過(guò)實(shí)際輸出量與預(yù)期輸出量的偏差值來(lái)確定模式識(shí)別模塊的識(shí)別率。將相對(duì)偏差在1%之內(nèi)，即實(shí)際輸出量與期望輸出量的偏差值在［0，0.01］之內(nèi)的輸出結(jié)果定義為識(shí)別成功。

本部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)條件在文獻(xiàn)［15］中有詳細(xì)介紹，本文只給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果：12組實(shí)驗(yàn)信號(hào)的24個(gè)輸出量中，有18個(gè)輸出量偏差為0，6個(gè)存在一定的偏差，其中一個(gè)偏差較大為0.03，其余均在［0.0002，0.0013］之內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，手指康復(fù)器控制系統(tǒng)的模式識(shí)別模塊識(shí)別成功率達(dá)到95%，能夠很好地完成對(duì)不同手指動(dòng)作表面肌電信號(hào)的識(shí)別任務(wù)［15］。

3.4 隨機(jī)角度彎曲實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)的目的是得出手指康復(fù)器彎曲時(shí)，兩個(gè)柔性彎曲關(guān)節(jié)彎曲角度之間的比例關(guān)系，解決兩個(gè)彎曲關(guān)節(jié)彎曲角度分配的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)方案如下：在0～0.4MPa的氣壓范圍內(nèi)，通過(guò)控制界面向數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送控制命令，分別輸出4次不同電壓，控制電氣比例閥輸出0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa 4種氣壓各10組，同時(shí)通過(guò)AS5045位置傳感器反饋控制器，將角度顯示在控制界面上。通過(guò)這個(gè)方式進(jìn)行角度測(cè)試，圖7是測(cè)試得出的10組彎曲數(shù)據(jù)的平均值對(duì)比曲線。

圖7 彎曲角度對(duì)比曲線

如圖7所示，當(dāng)手指康復(fù)器的兩個(gè)柔性彎曲關(guān)節(jié)同時(shí)作彎曲動(dòng)作時(shí)，掌指彎曲關(guān)節(jié)和指間彎曲關(guān)節(jié)的彎曲角度比約為1∶2。考慮整數(shù)比更利于角度的分配，將掌指彎曲關(guān)節(jié)和指間彎曲關(guān)節(jié)的彎曲角度比定為1∶2。

3.5 控制系統(tǒng)精度實(shí)驗(yàn)

控制系統(tǒng)精度實(shí)驗(yàn)以手指康復(fù)器上兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)柔性彎曲關(guān)節(jié)為對(duì)象，采用上位機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡控制輸出氣壓，使彎曲關(guān)節(jié)彎曲不同角度，再根據(jù)位置數(shù)據(jù)返回實(shí)際彎曲角度值。實(shí)驗(yàn)的目的是測(cè)試手指康復(fù)器控制系統(tǒng)控制精度。

實(shí)驗(yàn)方案如下：將100組手指彎曲45°的表面肌電信號(hào)導(dǎo)入手指康復(fù)器控制系統(tǒng)，在模式識(shí)別模塊成功識(shí)別信號(hào)后，通過(guò)D/A輸出調(diào)整電氣比例閥的電壓信號(hào)，控制近指和遠(yuǎn)指柔性彎曲關(guān)節(jié)分別彎曲15°和30°，從而實(shí)現(xiàn)康復(fù)器的45°彎曲，同時(shí)通過(guò)角度反饋模塊將彎曲關(guān)節(jié)的實(shí)際彎曲角度反饋至上位機(jī)，顯示在監(jiān)控界面上。圖8、圖9是成功識(shí)別手指彎曲信號(hào)后，掌指彎曲關(guān)節(jié)和指間彎曲關(guān)節(jié)的實(shí)際彎曲角度曲線圖。

圖8 掌指彎曲關(guān)節(jié)彎曲數(shù)據(jù)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析對(duì)比可以得出如下結(jié)論：

圖9 指間彎曲關(guān)節(jié)彎曲數(shù)據(jù)

（1）在100次的彎曲實(shí)驗(yàn)中，掌指彎曲關(guān)節(jié)實(shí)際彎曲角度與理論值的最大絕對(duì)誤差為0.6°，最大相對(duì)誤差為4%，出現(xiàn)次數(shù)為1次，而絕對(duì)誤差為0.5°（相對(duì)誤差為3.33%）的出現(xiàn)次數(shù)為15次，其余84次彎曲的絕對(duì)誤差都在0.4°（相對(duì)誤差為2.67%）之內(nèi)。

（2）在同樣的100次彎曲實(shí)驗(yàn)中，指間彎曲關(guān)節(jié)實(shí)際彎曲角度與理論值的最大絕對(duì)誤差為1.0°，最大相對(duì)誤差為3.33%，出現(xiàn)次數(shù)為2次，而絕對(duì)誤差在0.6°（相對(duì)誤差為2%）之內(nèi)的次數(shù)僅為81次，其余17次的絕對(duì)誤差均在0.7°（相對(duì)誤差為2.33%）至0.9°（相對(duì)誤差為3%）之間。

（3）從彎曲關(guān)節(jié)的穩(wěn)定誤差來(lái)看，掌指彎曲關(guān)節(jié)出現(xiàn)誤差為0.4°之內(nèi)的次數(shù)為84次，而指間彎曲關(guān)節(jié)出現(xiàn)誤差在0.6°之內(nèi)的次數(shù)是81次，出現(xiàn)概率均在80%以上；因此，可以認(rèn)為掌指彎曲關(guān)節(jié)和指間彎曲關(guān)節(jié)的穩(wěn)定誤差分別為0.4°和0.6°，基本滿足實(shí)際應(yīng)用的精度要求。

分析柔性彎曲關(guān)節(jié)在彎曲時(shí)產(chǎn)生偏差的原因，主要有以下幾點(diǎn)：①手指康復(fù)器運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)之間摩擦等因素產(chǎn)生的偏差；②兩個(gè)彎曲關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)時(shí)，由于互相干擾產(chǎn)生的偏差；③角度反饋模塊測(cè)量角度并反饋過(guò)程中產(chǎn)生的偏差；④電氣比例閥在向彎曲關(guān)節(jié)輸出氣壓時(shí)，產(chǎn)生關(guān)節(jié)抖動(dòng)引起的偏差。

3.6 局限性

相比傳統(tǒng)的剛性機(jī)械結(jié)構(gòu)手指康復(fù)器，由于引入了表面肌電信號(hào)和氣動(dòng)柔性彎曲關(guān)節(jié)，使氣動(dòng)柔性手指運(yùn)動(dòng)康復(fù)器在彎曲過(guò)程的柔性和控制策略的仿生性等方面有了很大地提升；但同時(shí)，也不可避免地受到了柔性關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大角度的彎曲。如何在保留柔性關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，解決手指康復(fù)器的大角度彎曲問(wèn)題，是今后研究的主要方向之一。

4 結(jié)論

（1）將氣動(dòng)柔性彎曲關(guān)節(jié)和表面肌電信號(hào)分別引入手指康復(fù)器的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了以FPA為基礎(chǔ)的單指運(yùn)動(dòng)康復(fù)器；同時(shí)根據(jù)手指康復(fù)器的具體需求，設(shè)計(jì)了由模式識(shí)別、位置反饋和主控制3個(gè)模塊組成的康復(fù)器控制系統(tǒng)。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：掌指彎曲關(guān)節(jié)與指間彎曲關(guān)節(jié)的穩(wěn)定誤差均在0.6°之內(nèi)；整體控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，在彎曲控制精度方面，完全滿足康復(fù)器實(shí)際應(yīng)用的需求。

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