方思中 袁銳波

摘要：腦卒中會引起的人的肢體運動功能喪失，手功能發(fā)生障礙便是其中一種。本文設計了一種輔助患者進行彎曲伸展運動的多自由度外骨骼康復機械手系統(tǒng)，通過一定的重復性訓練治療，降低患者因無法經?；顒邮植吭斐纱竽X相關運動神經功能衰弱和手部相關肌肉的萎縮的可能性，進而恢復手指的運動功能。

Abstract： Stroke can cause loss of limb movement function， and dysfunction of hand function is one of them. This paper designed a multi-degree-of-freedom exoskeleton manipulator system that assists patients in flexion and extension exercises. Through certain repetitive training treatments， the patient's hand-related inability to exercise the brain caused a decline in brain-related motor nerve function and hand-related muscle atrophy， and then restore the motion function of the fingers.

關鍵詞：腦卒中；外骨骼；結構設計；康復機械手

Key words： cerebral apoplexy；hemiplegia；exoskeleton；rehabilitation robot hand

中圖分類號：TP241 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）25-0160-03

0 引言

現(xiàn)如今，因腦卒中以及神經系統(tǒng)功能障礙等引起的肢體運動功能喪失及其并發(fā)癥的發(fā)病率有逐年上升的趨勢[1]，而手部運動功能發(fā)生障礙便是其中一種。當患者喪失手部運動能力時，自理能力會受到嚴重影響。手功能運動障礙的患者通常表現(xiàn)為手指僵硬，手指間各關節(jié)不能正常自主的彎曲、內收和外展，喪失持握能力，因此及時有效的康復治療便顯得尤為重要[2，3]。本文在國內外學者研究的基礎上，設計一種全新的手指康復外骨骼結構，并結合一定的控制系統(tǒng)使外骨骼運動，從而對患者進行康復訓練。

1 手指康復外骨骼設計

1.1 設計總要求

外骨骼是直接佩戴在患者手部的，因此在設計時必須考慮結構的安全性。其次，康復機械手作為幫助患者進行手部恢復的高精度醫(yī)療設備，因此應充分考慮機構的可靠性，外骨骼材料硬度是否高高，控制系統(tǒng)是否可靠等[4-6]。本康復機械手面對的是偏癱患者，由于其病癥特點，該群體的感知能力較差，故設備在工作中，患者的舒適性是設計手功能康復機器人系統(tǒng)時需要著重考慮的問題。在康復訓練過程中，由于病患手部較為虛弱，需要對患者手部進行支持，且手部盡量不要承受力，因此在設計機構時應將執(zhí)行機構與驅動機構分開。

1.2 外骨骼執(zhí)行機構設計

基于對人手理論基礎相關方面的了解和模塊化設計思想，本文研制了一種新型的康復機械手的外骨骼機構，該機構將執(zhí)行部分和驅動部分分開，通過帶輪將驅動力傳遞至指關節(jié)外骨骼上，從而帶動患者手指運動，本文以食指和環(huán)指為例，其外骨骼的總體設計結構如圖1所示。

因為食指和環(huán)指的外骨骼結構總體設計除了手指指節(jié)所對應的外骨骼長度不同之外，其他包括設計原理、運動原理、各構件式樣等均相同，故本文以食指為例詳細介紹設計的手指外骨骼結構。

從食指的外骨骼示意圖可以看出其運動原理和運動的機構形態(tài)，該機構設計簡單清晰，相比較國內外學者對康復機械手結構設計的復雜性，具有一定優(yōu)勢。此外，圖中顯示出食指各關節(jié)外骨骼尺寸是不同的，且尺寸參數(shù)是可調的，這是因為每個患者手指的各個關節(jié)的尺寸都有一定差異，設計外骨骼機構尺寸參數(shù)可調，以適應不同患者并對其進行康復訓練，這樣也更滿足人手指的正常情況。從圖中看到該食指外骨骼的機構也比較緊湊，各指關節(jié)外骨骼和手指一樣，為了方便后期對手指外骨骼進行仿真分析和計算，將采用單自由度串聯(lián)的方法。最后也是最為重要的一點設計，該康復外骨骼每個關節(jié)都可以進行拆卸和組裝，且每個關節(jié)的零部件也可根據(jù)不同患者的手指的尺寸參數(shù)靈活替換或是移動，這樣大大提高了手指康復外骨骼的靈活性、適用性和可替換性，從而避免了針對不同患者只能配用特定的外骨骼康復機械手的情況，節(jié)約了成本，提高了效率。

下面將詳細介紹外骨骼主要執(zhí)行部分的結構件。

圖3為MCP關節(jié)的裝配體和結構件展示圖，其中圖（b）、（c）、（d）分別叫做觸指、滑塊和調指。觸指的曲面設計可以更好地與手指上部輪廓接觸，使患者手指受力均勻，佩戴舒適。滑塊兩側邊均開有矩形槽，以便在槽兩側各加一銷釘，起到固定觸指的作用。滑塊底部開有矩形槽口，與觸指構成移動副，且該槽口與觸指是間隙配合，方便觸指在其槽口內移動。另外，之所以將滑塊和觸指之間構成移動副，主要是障礙患者手指具有柔軟性且粗細不一，若設計的觸指和手指固定后不能使該指關節(jié)與其他指關節(jié)在同一水平線上，在康復過程中也會產生影響?；瑝K頂部裝有兩條滑軌，和調指形成間隙配合，并對調指起到一定的限位作用，防止運動過程中調指滑落。最后一個特點為調指結構件的創(chuàng)意設計，中間是一個類似矩形塊，前后兩端均有突出部分。矩形塊底部有一帶缺口的類T型通槽，該通槽與前面的滑塊頂部之間構成移動副。對于前端的兩個伸出塊（稱為帶輪固定塊），如圖，兩帶輪固定塊上均開有圓形通孔和圓形矩形通孔，其目的是用來安裝配有帶輪的圓柱的，根據(jù)患者指關節(jié)的長度調整圓柱在通孔處的位置和調指在滑軌處的相對位置，從而大大提高了外骨骼的適用性。因PIP和MCP外骨骼機構一樣，這里將不再闡述PIP外骨骼機構設計。

本文主要對MCP和PIP關節(jié)進行外骨骼機構設計，DIP關節(jié)是通過連桿與PIP關節(jié)的外骨骼連接起來。假設患者出現(xiàn)偏癱癥狀時其DIP關節(jié)與PIP關節(jié)之間的耦合作用依然存在，也就是說當外骨骼輔助DIP關節(jié)運動時，PIP關節(jié)也會隨之運動，而之所以設計DIP關節(jié)是供后來學者繼續(xù)研究時，方便裝置相關傳感器來及時獲取手指在運動過程中的信息。到此，外骨骼執(zhí)行部分的結構設計便已完成，接下來需要進行驅動機構的設計。

1.3 驅動機構設計

本文驅動器選用的是迷你氣缸，故需設計一個裝置既可以固定氣缸，同時還能驅動外骨骼運動。

驅動機構由4個尾座支架、4個前座支架、2個氣缸支架、2個不規(guī)則連桿和2個氣缸配件，其中尾座支架和氣缸支架是用來固定微型氣缸元件的，使得驅動器在單片機控制下能夠更穩(wěn)定驅動外骨骼的執(zhí)行部分，而兩個前座支架是固定轉柱和配有帶輪的圓柱銷的。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，前座支架和尾座支架之間有一定的距離，即使氣缸全部伸出，也觸碰不到轉柱，因此，本文在氣缸和轉柱間設有一不規(guī)則連桿和以氣缸配件來連接這兩部分。在連桿中部有一螺栓，螺栓是從連桿底部由下而上旋入的，且位置可調，當氣缸活塞伸出其上的配件就會在連桿凹槽中移動，直到銷釘與螺栓接觸，此時若活塞繼續(xù)伸出，則會推動轉柱轉動，從而帶動帶輪驅動外骨骼運動，進而對手指障礙患者的進行康復治療。

2 外骨骼康復機械手的仿真分析

當氣缸運動到設計位置時，迷你氣缸活塞頭部就會碰到固定在連桿上的螺栓，從而推動轉柱轉動，繼而帶動帶輪，最后指關節(jié)外骨骼在帶輪的驅動下使手指運動。具體仿真界面、三個關節(jié)運動速度、三個關節(jié)運動姿態(tài)以及指尖運動軌跡如圖5。

在MCP+PIP+DIP三關節(jié)聯(lián)合運動模式下，手指的三個關節(jié)的位置姿態(tài)以及指尖運動軌跡符合實際運動狀態(tài)，三個關節(jié)轉動的最大角度分別為：23.5624°（MCP）、35.3436°（PIP）、24°（DIP），基本滿足三個關節(jié)轉角之比為2：3：2的實際情況。因為在仿真計算前，一方面由于機構的轉柱在初始位（轉柱剛好與手臂緊固架垂直）時，連桿剛好垂直于轉柱，其連桿端部圓心孔距離轉柱的轉心的距離為一小數(shù)，另一方面由于連桿底部的圓心孔的位置已確定，使得氣缸實際的有效驅動距離與理論計算值存在偏差，另外，從位移（d）和速度（e）曲線圖中可以看出PIP關節(jié)彎曲的角度要大于DIP關節(jié)，符合我們正常人手指做抓握運動時彎曲角度規(guī)律，而且隨著時間增長，PIP和DIP兩個關節(jié)的運動趨勢基本一致。

3 結語

在國內外學者研究的基礎上對手指康復外骨骼進行新的設計，并基于機械系統(tǒng)動力學自動分析軟件ADAMS對外骨骼康復機械手進行仿真分析，各指關節(jié)運動軌跡和運動的角度范圍基本符合預先提出的總體設計要求，且運動可靠，證明外骨骼康復機械手的機構設計是合理的。

參考文獻：

[1]李海麗.手功能康復機器人的設計與研究[D].上海交通大學碩士論文，2014，2.

[2]Gowland C， Recovery of motor function following stroke： Profile and predictors， Physiotherapy Canada， 1982， 34（2）：77-84.

[3]Kwakkel G， Kollen BJ， and Wagenaar RC， Therapy impact on functional recovery in stroke rehabilitation： A critical review of the literature， Physiotherapy， 2005， 85（7）： 377-391.

[4]邵衛(wèi).機器人輔助上肢康復的虛擬現(xiàn)實訓練系統(tǒng)的研究[D].上海交通大學，2012.

[5]王理研，官奕，宋愛國.基于Internet的遠程控制康復訓練機械臂[J].測控技術，2007，26（6）：53-56.

[6]孫厚義，馮勛剛，馬巧玲，張鴻.運動意念對急性腦卒中患者偏癱康復的作用[J].中風與神經疾病雜志，2001，18（5）：305.