劉建坤 劉明亮 梁勇楠 李攀

摘 要：本文針對手部康復訓練需求，設計了一種基于牽引療法的手部多關節(jié)便攜式康復機器人，繪制了康復機器人的三維模型，并運用 Rhinoceros5.0 對機構進一步優(yōu)化建模。經過仿真分析驗證所設計的模型具有機構簡單、穿戴方便、輕量便攜等特點，能較好地實現(xiàn)了手指0 ～ 90°彎曲運動，滿足關節(jié)運動及韌帶拉伸的康復訓練需求。

關鍵詞：柔索牽引；手部康復；便攜式設計；醫(yī)療器械

1 引言

由中風等疾病引起的患者手部運動障礙，除了前期手術和藥物治療以外，術后科學的康復訓練對患者的恢復起至關重要的幫助。研究表面大腦皮層運動控制區(qū)域損壞后，在經過訓練后可以由其它區(qū)域代替。因此只要做相應的康復訓練，偏癱患者便能夠恢復部分或者全部運動功能。

傳統(tǒng)的手部康復訓練都是在醫(yī)師指導下，借助一些簡單工具進行康復訓練，這種訓練不但效率低，而且對醫(yī)師的要求也比較高，且每個醫(yī)師一次只能針對一名患者進行康復訓練的指導。醫(yī)師的數(shù)量與質量嚴重不足，導致大量患者延誤了最佳治療時間。因此，手部康復機器人成為研究熱點。

2 整體系統(tǒng)設計

2.1 設計思路分析

本方案設計了一種基于牽引療法的手部康復機器人，包括電機、五個指關節(jié)組、齒輪組、滑輪組、柔索牽引裝置、腕關節(jié)轉動裝置、手部固定部分及連接部分。手部康復機器人為仿人形狀，指關節(jié)部分設置五組多關節(jié)手指將機器人本體與人手緊密連接在一起，固定后可以通過各個關節(jié)的扭簧及指關節(jié)背部的柔索牽引實現(xiàn)指關節(jié)的屈伸，通過機器人不斷帶動人手指進行彎曲/伸展運動可以實現(xiàn)手部康復訓練，同時在腕關節(jié)位置放置兩組二級減速齒輪組，可以實現(xiàn)腕關節(jié)的轉動訓練，進而保障訓練效果。

2.2 整體機構設計

通過設置末端牽引機構搭配扭簧蓄力，可以帶動人手指及腕關節(jié)進行康復訓練，牽引力控制更加柔順。通過設置兩組二級減速齒輪可以實現(xiàn)康復訓練過程中腕關節(jié)的轉動，加入腕關節(jié)自由度可以大幅度提升康復治療效果，其三維模型如圖2-1所示。該手部康復機器人結構簡單，成本低廉，適用于手部殘疾患者，康復效果良好且容易實現(xiàn)批量生產。

3 指關節(jié)驅動設計

本方案設計的指關節(jié)驅動模型如圖3-1所示，包括五個指關節(jié)組，每個指關節(jié)組由4個指關節(jié)構成，每個指關節(jié)都根據(jù)人體生理學尺寸進行設計，并可以與人體手指緊密貼合。每兩個指關節(jié)之間通過指關節(jié)軸進行連接，每個關節(jié)外側都有孔，柔索可以穿過孔并牽引各個關節(jié)進行運動，每兩個關節(jié)內側有扭簧提供預緊力。同時各個指關節(jié)在根關節(jié)處通過鎖緊螺釘與鎖緊螺母固定在固定架上。

4 腕關節(jié)設計

本方案在機器人腕關節(jié)位置設置了齒輪組。其內置滑輪組及齒輪軸，齒輪軸上開有鍵槽，通過鍵與五個滑輪組連接。滑輪上繞有柔索并與指關節(jié)的柔索連接。齒輪軸兩側的兩個齒輪分別與一個齒輪相嚙合。當齒輪軸轉動時一方面可以驅動滑輪牽引柔索拉動指關節(jié)進行屈伸，一方面可以通過齒輪驅動腕關節(jié)連接架進行轉動。

同時在機器人腕關節(jié)位置固定有腕關節(jié)固定卡扣，可以方便地將人手腕與機器人固定到一起，同時還可以調節(jié)固定的松緊程度以滿足不同體型用戶的需求。齒輪組內側固定有腕關節(jié)套筒，腕關節(jié)套筒由柔性材料構成，一方面可以進一步緊密固定人手與康復器械，另一方面可以避免機器對人體造成傷害。

5 安全性考量

康復機器人的設計應避免對患者造成二次傷害，所以本方案不僅在關鍵位置采用柔性材料，而且在驅動上加入了三重保護機制。康復機器人正常運行時由軟件分析數(shù)據(jù)并進行控制，軟件會控制康復機器人只在固定位移范圍內運動。當軟件控制異常導致康復機器人運動超出安全范圍時，滑輪組會觸碰限位開關給電機緊急斷電，當限位開關異常導致電機未斷電時，滑輪組會觸碰機器人的機械限位阻止其繼續(xù)轉動，從而在最大限度上保障患者安全。

6機構優(yōu)化

將本方案設計的三維模型根據(jù)1：1比例繪制完成后，進行運動學仿真分析。仿真驗證表明，機構設計基本滿足五指康復訓練需求，但仍存在手指前端易脫落，末端牽引機構無法大角度轉動等問題，故需進一步優(yōu)化機構設計。

運用 Rhinoceros5.0 對機構進一步優(yōu)化建模。為使驅動機構運行更加順暢，在齒輪組中增加兩個電源散熱環(huán)。同時，將電源系統(tǒng)集中在中心手背區(qū)域。每個指關節(jié)設計為獨立的U型外殼結構，且有獨立的環(huán)形內網(wǎng)支撐，可以在理論上解決上述問題。

7總結

本文設計了一種基于牽引療法的手部康復機器人結構，繪制了康復機器人的三維模型并以食指關節(jié)為代表進行指關節(jié)訓練的仿真驗證，運用Rhinoceros5.0軟件進行模型優(yōu)化。通過仿真分析，為制作手部康復機器人實物模型奠定了基礎。該機構設計與控制方法基本滿足中風患者手部康復需求，具有機構簡單、穿戴方便、輕量便攜等特點，但其醫(yī)療作用仍需進一步驗證。

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