柴靜 楊柳 王媚雪

摘要：為了解決手部功能康復(fù)機器人不能針對不同人群進行手指結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)節(jié)的實際問題，滿足患者在使用過程中的差異化。以現(xiàn)有的機械傳動結(jié)構(gòu)及康復(fù)理論為基礎(chǔ)，通過對現(xiàn)有的手部功能康復(fù)機器人進行分類研究、分析現(xiàn)有的動力傳動機構(gòu)及對手部功能康復(fù)機器人的設(shè)計原則進行提煉分析，總結(jié)現(xiàn)有手部功能康復(fù)機器人的缺點。運用人機工程學(xué)、相關(guān)設(shè)計原則以及持續(xù)性被動運動理論對其進行優(yōu)化，設(shè)計一款可以調(diào)節(jié)指節(jié)機構(gòu)尺寸并符合患者佩戴舒適性的手部功能康復(fù)機器人。該手部康復(fù)機器人可以幫助腦卒中手部康復(fù)患者以及手部受外傷的患者進行有效的康復(fù)治療。

關(guān)鍵詞：手部康復(fù)機器人創(chuàng)新設(shè)計人機工程學(xué)傳動機構(gòu)尺寸調(diào)節(jié)

中圈分類號：TB472 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2019）09-0136-03

引言

手是人類身體的重要組成部分，如果沒有了手或手部功能損壞，人類的很多行為都不能很好實現(xiàn)，甚至對當(dāng)事人的心理造成不良影響，嚴(yán)重影響著人們的工作和生活。但是由于意外與突發(fā)事件的發(fā)生，受傷是避免不了的，因此許多專家和學(xué)者針對手部康復(fù)進行研究，美國應(yīng)用生物力學(xué)和康復(fù)研究中心的schabowsky等采用模塊化設(shè)計理念，利用四連桿機構(gòu)原理設(shè)計出手指模塊。美敦力公司的手部功能康復(fù)機器人HANDEXOS將單指的驅(qū)動機構(gòu)分為五個獨立模塊，每個模塊利用曲柄滑塊和鋼纜線傳動。慕尼黑理工大學(xué)Andreas Wege等人設(shè)計了由博登線驅(qū)動的裝置，每個手指附件通過杠桿原理實現(xiàn)運動。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究人員張勤超等利用齒輪和齒條的嚙合實現(xiàn)空間連桿機構(gòu)的雙自由度。對現(xiàn)有的產(chǎn)品進行分析可以發(fā)現(xiàn)其都不具有指關(guān)節(jié)尺寸調(diào)節(jié)功能的缺點。由于現(xiàn)實生活中每個人的手部尺寸都不相同，但是現(xiàn)有康復(fù)機器人無法實現(xiàn)與患者的手形良好匹配。針對這一點，本文將錐齒輪嚙合傳動特性與空間連桿機構(gòu)特點相結(jié)合，設(shè)計出—種能夠調(diào)節(jié)康復(fù)機器人每個指關(guān)節(jié)尺寸的裝置。

一、手部生理和康復(fù)理論

（一）手部生理構(gòu)造

手部骨骼由27塊骨組成，手基底部并列兩排的8塊小骨叫作腕骨，腕骨前面是5塊掌骨，掌骨前面是14塊指骨，其中拇指2塊，其他4指各3塊，如圖1所示。

人的手指是人體運動關(guān)節(jié)中最為精巧，最為復(fù)雜的運動器官之一。人手一共有21的自由度（degrees of freedom;DOF），有4個自由度在前端四指上，其中掌指關(guān)節(jié)（MCP）具有2個軸線垂直相交的轉(zhuǎn)動自由度，近端指關(guān)節(jié)（PlP）和遠端指關(guān)節(jié)（DIP）各有1個自由度。大拇指一共有5個自由度，分別分布于指間關(guān)節(jié)（1P）1個，掌指關(guān)節(jié)1個，腕掌關(guān)節(jié)（cM）3個。雖然人們手部大體形態(tài)差不多，但是人手關(guān)節(jié)的運動范圍因人而異，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，人手關(guān)節(jié)的運動范圍具有一個大致的通用范圍，具體詳細參數(shù)如表1。

（二）手部康復(fù)理論

目前關(guān)于中樞神經(jīng)損傷后功能恢復(fù)的理論主要是大腦的可塑性理論和功能重組理論。相關(guān)的原理為健康的人的皮質(zhì)代表區(qū)會發(fā)生修飾由于訓(xùn)練和運動技巧的獲得，類似的神經(jīng)修飾同樣也可由神經(jīng)系統(tǒng)的損傷所引發(fā)。在這個過程中，神經(jīng)系統(tǒng)具有可塑陛，所謂的可塑性就是神經(jīng)系統(tǒng)可隨環(huán)境改變而發(fā)生適應(yīng)性變化的特性。從1930年Bach提出腦的可塑性理論至今，相關(guān)的腦可塑性理論大量提出，其中包括替代論、遠隔功能抑制論、神經(jīng)發(fā)芽論、突觸功能調(diào)整論、神經(jīng)再生微環(huán)境變化論，這些理論各有側(cè)重地闡述了大腦損傷后功能恢復(fù)可能的機制，為腦卒中后的治療和康復(fù)奠定了理論基礎(chǔ)。

對于由腦卒中和腦外傷而導(dǎo)致肢體運動障礙的病人，目前臨床上采用重復(fù)行的運動對患者進行康復(fù)治療，以康復(fù)醫(yī)療學(xué)中對患肢的持續(xù)性被動運動（簡稱cPM;Continuous Passive Motion）理論為依托，在恰當(dāng)?shù)臅r間，運用有效的方式對患者進行CPM康復(fù)治療訓(xùn)l練可以極大地將其患者后期致殘率。這種康復(fù)治療的方式也更加有效阻止關(guān)節(jié)僵直，關(guān)節(jié)在手術(shù)或者受傷之后如果不及時進行干預(yù)治療，患肢通常會發(fā)生僵直，其發(fā)展過程會經(jīng)歷4個階段：出血、浮腫、生成肉芽組織及纖維化。在出血和浮腫兩個階段運用持續(xù)性被動活動可以對關(guān)節(jié)和周圍組織起到活血化淤的功效，這就要求我們保證周圍組織依從性的正常的能力。受到外傷或者手術(shù)的患者在康復(fù)治療中，在最佳時間采取持續(xù)被動活動治療的措施，手指各個關(guān)節(jié)在其能運動的最大范圍進行活動，可以使關(guān)節(jié)軟化，這樣關(guān)節(jié)僵直的趨勢不會再發(fā)展下去，有效降低了患者的致殘率，由此可見，持續(xù)性被動運動康復(fù)治療的方式對與阻止關(guān)節(jié)僵直是十分有效的。

二、手部功能康復(fù)機器人分析

（一）手部康復(fù)機器人分類

從動力來源來分類，目前常見的手部功能康復(fù)機器人主要分為電機驅(qū)動、氣體驅(qū)動和液壓驅(qū)動。不同類別的動力源的手部功能康復(fù)機器人運動的原理如下：

1.電機驅(qū)動的手部功能康復(fù)機器人運動原理：利用電機產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，經(jīng)過減速器獲得工作轉(zhuǎn)速。電機驅(qū)動的優(yōu)點有驅(qū)動效率高，運動精度高，容易控制，電源使用方便，響應(yīng)快速，工作噪音較小等。

2氣體驅(qū)動的手部功能康復(fù)機器人運動原理：一般氣壓在0.4-0 6Mpa，氣壓驅(qū)動具有緩沖作用，能有效起到一定的安全保護作用，要求機器人的結(jié)構(gòu)簡單，能源成本較低。但是氣動驅(qū)動功率較小，體積大，定位時的精度不高，工作時噪音大等缺點。

3.液壓驅(qū)動的手部功能康復(fù)機器人運動原理：液壓一般用2-15MPa，液壓驅(qū)動可實現(xiàn)無極調(diào)速，總體體積較氣壓驅(qū)動機器人小，功率質(zhì)量比較大，驅(qū)動平穩(wěn)，位姿精度高，運行起來無噪音等優(yōu)點。但液壓驅(qū)動輸出范圍較大，通常用于運動低速的場所，液壓油容易外漏，工作環(huán)境惡劣等缺點，并不適合要求環(huán)保清潔的康復(fù)機器人系統(tǒng)。

4其他類型的手部功能康復(fù)機器人運動原理：新材料驅(qū)動運動原理，如記憶合金等新材料。利用某些合金加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時又能恢復(fù)低溫相形狀的特性，實現(xiàn)對手部關(guān)節(jié)的彎曲和伸展。

（二）動力的傳遞機構(gòu)分析

目前手部康復(fù)機器人動力的傳遞有連桿機構(gòu)傳導(dǎo)、繩傳動、曲柄連桿機構(gòu)傳動、齒輪機構(gòu)傳動、齒輪齒條傳動等方式：

1.連桿機構(gòu)：連桿機構(gòu)又稱低副機構(gòu)，是機械的組成部分中的一類，連桿機構(gòu)指由若干（兩個以上）有確定相對運動的構(gòu)件用低副（轉(zhuǎn)動副或移動副）聯(lián)接組成的機構(gòu)。

2.繩傳動機構(gòu)：繩傳動機構(gòu)是靠緊繞在槽輪上的繩索與槽輪間的摩擦力來傳遞動力和運動的機械傳動。它主要優(yōu)點是能傳遞濕距離的平行軸或任意位置軸之間的旋轉(zhuǎn)運動和直線運動，傳動零件結(jié)構(gòu)簡單、加工方便，傳動平穩(wěn)，無噪音、無振動和沖擊。其缺點是傳動精度低，只適用于傳遞較小的力和力矩。

3.曲柄連桿機構(gòu)：曲柄連桿機構(gòu)是指用曲柄和滑塊來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動和移動相互轉(zhuǎn)換的平面連桿機構(gòu)。曲柄滑塊機構(gòu)中與機架構(gòu)成移動副的構(gòu)件為滑塊，通過轉(zhuǎn)動副聯(lián)接曲柄和滑塊的構(gòu)件為連桿。

4.齒輪機構(gòu)：齒輪機構(gòu)是一種高副機構(gòu)，在各種機械設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。齒輪傳動屬于嚙合傳動，它的主要優(yōu)點是瞬時傳動比恒定，適用的圓周速度和功率范圍大（速度可達300m/s，功率可從1w-100000kW），傳動效率高（可達0.99），工作可靠，壽命長（可達10-20年），結(jié)構(gòu)緊湊。但是齒輪制造比較復(fù)雜，需專用設(shè)備制造。

5齒輪齒條傳動機構(gòu)：齒輪齒條傳動機構(gòu)可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動與直線往復(fù)運動之間的轉(zhuǎn)化，瞬間傳動比準(zhǔn)確，傳動效率高，壽命長。缺點是制造精度較高，維修和維護成本較高等。

三、手部康復(fù)機器人的設(shè)計原則

（一）安全性原則

手指是上肢中最為脆弱的部位，手指和指關(guān)節(jié)很容易受到傷害，如果機構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計的不合理會導(dǎo)致嚴(yán)重的醫(yī)學(xué)事故，手部康復(fù)機器人的使用會對手部造成二次傷害，所以手部功能康復(fù)機器人的設(shè)計應(yīng)該將安全因素作為重要的設(shè)計要素之一。在進行手部康復(fù)機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)該在機構(gòu)中設(shè)置安全保護裝置或結(jié)構(gòu)，以保證機構(gòu)在工作狀態(tài)中沒有其他運動干涉，手指與機構(gòu)之間的固定裝置應(yīng)該具有調(diào)節(jié)功能，以滿足不同尺寸號型的手指佩戴?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計首先要保證機構(gòu)安全穩(wěn)定的工作，其次需要有不同的康復(fù)訓(xùn)l練模式，然后提高實效性，及時對康復(fù)訓(xùn)練結(jié)果進行反饋。

（二）舒適性原則

手部康復(fù)機器人的設(shè)計應(yīng)該充分考慮手部的生理結(jié)構(gòu)，保證手指在機構(gòu)的牽引下運動平滑柔順，能夠讓使用者享受康復(fù)訓(xùn)練過程，調(diào)動使用者的積極性，提高康復(fù)訓(xùn)練效果。

四、手部功能康復(fù)機器人的創(chuàng)新設(shè)計

通過對國內(nèi)外現(xiàn)有手部康復(fù)機器人的分析與研究，結(jié)合上述內(nèi)容發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有的手部康復(fù)機器人驅(qū)動裝置數(shù)量過多、運行機構(gòu)龐大復(fù)雜導(dǎo)致手部康復(fù)機器人的重量較重體積較大，而且不具有尺寸調(diào)節(jié)功能，難以滿足不同尺寸的手指。下文將闡述一種能夠調(diào)節(jié)尺寸，單指只需一個驅(qū)動電機的手部康復(fù)機器人。

（一）機構(gòu)原理

機構(gòu)利用錐齒輪的相互嚙合傳動來實現(xiàn)動力的逐級轉(zhuǎn)遞，輪1由電機間接驅(qū)動，電機經(jīng)過減速裝置得到適合的轉(zhuǎn)速，進而驅(qū)動輪1朝箭頭所示方向轉(zhuǎn)動，輪1分別與輪2和輪4嚙合，其中輪2（通過軸A）與框架2為剛性約束，實現(xiàn)框架2繞軸A中心轉(zhuǎn)動。輪4與軸A為軸承約束，輪4與輪3嚙合，實現(xiàn)將動力由輪1傳遞到輪3，輪3再通過鍵與輪5的槽配合，實現(xiàn)將動力傳遞到下一關(guān)節(jié)。下一關(guān)節(jié)的原理與上述原理相同，只是在錐齒輪的參數(shù)方面有區(qū)別，如圖2。當(dāng)動力傳遞到遠端指關(guān)節(jié)時，需要將用來傳遞動力的錐齒輪和與其嚙合的下一級錐齒輪去掉，此處無需再將動力傳遞下去。

關(guān)于尺寸調(diào)節(jié)：圖2中，輪3的大端面一側(cè)設(shè)置有與其剛性連接的中心空軸，空軸上設(shè)置有凹槽，類似的，在輪5的大端面一側(cè)也設(shè)置有與其剛性連接的實心軸，軸上設(shè)置有突出的鍵，此鍵與輪5的空軸是剛性連接。鍵槽配合安裝，即可在不影響正常工作的情況下，實現(xiàn)機構(gòu)長短尺寸的調(diào)節(jié)。

直齒圓錐齒輪在嚙合傳動時，滿足公式（1），將正常人手部關(guān)節(jié)活動度范圍提供的角度值代入公式（1），設(shè)計分度圓直徑最小的兩個可以嚙合的圓錐齒輪，以實現(xiàn)傳遞機構(gòu)的小型化。

（二）人機尺寸

手部基本尺寸的均值及標(biāo)準(zhǔn)差：根據(jù)我國1986年一1987年進行的全國成年人人體尺寸調(diào)查，樣本容量為男女各—萬一干一百余人，樣本按分層整群隨機抽樣方法確定，分布于全國16個省市119個企事業(yè)單位，具有代表性。測量項目包括ISO/DIS 7250人體測量項目中關(guān)于手部尺寸的項目：手長、手寬、食指長等主要參數(shù)如表2、3所示。

本次設(shè)計依據(jù)表中我國現(xiàn)行成年人手部數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進行結(jié)構(gòu)和外觀設(shè)計。

（三）外觀設(shè)計

外觀設(shè)計如圖3、4所示。

結(jié)論

本論文首次將錐齒輪和空間連桿機構(gòu)相結(jié)合運用于手部功能康復(fù)中，設(shè)計出一種能夠調(diào)節(jié)康復(fù)機器人每個指關(guān)節(jié)機構(gòu)尺寸的新型機構(gòu)原理。通過對現(xiàn)有的手部功能康復(fù)機器人進行分類研究、分析現(xiàn)有的動力傳動機構(gòu)及對手部功能康復(fù)機器人的設(shè)計原則進行提煉分析，設(shè)計出一款可以調(diào)節(jié)指節(jié)機構(gòu)尺寸，并符合患者佩戴舒適性的手部功能康復(fù)機器人。解決了手部康復(fù)機器人手指結(jié)構(gòu)尺寸不能調(diào)節(jié)的問題，使患者在使用產(chǎn)品的時候更加方便，更加高效，更加舒適，以達到更好的康復(fù)效果，同時為手部康復(fù)設(shè)備領(lǐng)域提供了一種技術(shù)方案。

與此同時，論文仍然具有一些局限性，比如無法得出精細的數(shù)據(jù)參數(shù)等，還需進一步深入研究圓錐齒輪的選材和齒輪尺寸參數(shù)的關(guān)系，進而得出質(zhì)量較輕、尺寸較小和強度較好的圓錐齒輪機構(gòu)，進一步完善優(yōu)化本設(shè)計。