2劉 凱趙東標(biāo)
(1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,南京 210016; 2.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,哈爾濱 150040)
正常人手指的運(yùn)動是由中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制多條肌肉從而實(shí)現(xiàn)不同的手指功能運(yùn)動[1]。目前隨著人們生活節(jié)奏的加快以及不規(guī)律,上肢神經(jīng)卡壓、腦卒中等疾病不斷出現(xiàn),造成了患者多種神經(jīng)功能的損傷,使患者失去了對手指運(yùn)動的控制,影響了患者的工作能力和生活品質(zhì)。國內(nèi)外專家提出可以通過高強(qiáng)度、重復(fù)性的手部運(yùn)動訓(xùn)練刺激大腦皮質(zhì)層來幫助患者逐漸恢復(fù)手指運(yùn)動功能[2-3]。因此將機(jī)器人技術(shù)與康復(fù)理論相結(jié)合,研制穩(wěn)定可靠地手指康復(fù)機(jī)器人來輔助手部關(guān)節(jié)及手指屈曲伸展運(yùn)動的康復(fù)訓(xùn)練,加快人手運(yùn)動康復(fù)速度,在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
近年來,手指康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計主要采用外骨骼結(jié)構(gòu),其驅(qū)動方式主要有繩索驅(qū)動[4-8]、氣動驅(qū)動[9-12]、形狀記憶合金絲驅(qū)動[13-14]等。2013-2017年韓國首爾大學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室[15-16]研制出了由筋線驅(qū)動的可穿戴手套Exo-Glove Poly,采用聚合物和纖維織物制作而成,筋線分布模擬手指肌腱。Exo-Glove Poly內(nèi)置控制器,可以接受使用者腦部發(fā)出的電信號,然后通過馬達(dá)驅(qū)動柔性手套。食指和中指掌側(cè)僅采用一根筋線驅(qū)動,可以實(shí)現(xiàn)兩指的協(xié)同運(yùn)動。經(jīng)試驗(yàn),該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單輕便,易于穿戴,可抓握10 N的物體并且適應(yīng)多種不規(guī)則形狀的物體。2015-2016年[11-12],新加坡國立大學(xué)研制出氣動柔性執(zhí)行器驅(qū)動的手指康復(fù)機(jī)器人。該機(jī)器人采用氣動纖維增強(qiáng)軟體執(zhí)行器,以硅橡膠為制作材料,通過處理采集執(zhí)行器內(nèi)部壓力和彎曲角度等信號,控制腔內(nèi)壓力大小,從而改變執(zhí)行器彎曲角度。在增壓過程中,執(zhí)行器可以產(chǎn)生足夠的力來輔助患者在不同人物中完成手指閉合和抓取運(yùn)動。控制部分采用表面肌電信號(EMG)和射頻識別技術(shù)(RFID)來獲取使用者的運(yùn)動意圖,從而控制手指康復(fù)機(jī)器人完成相應(yīng)運(yùn)動。2013-2016年[17],瑞士蘇黎世理工學(xué)院采用三層滑動彈簧片的結(jié)構(gòu)來傳遞直線電機(jī)提供的驅(qū)動力,從而帶動手指實(shí)現(xiàn)運(yùn)動。直線電機(jī)直接驅(qū)動位于中間層的主動滑動彈簧片產(chǎn)生位移,導(dǎo)致三層彈簧片之間產(chǎn)生相互作用力,使得彈簧片彎曲。經(jīng)驗(yàn)證,該機(jī)器人可以舉起1 L的礦泉水。
目前手指康復(fù)機(jī)器人的研究已經(jīng)逐漸脫離剛性的外骨骼結(jié)構(gòu),采用貼合手指的無關(guān)節(jié)柔性設(shè)計,具有高效、高柔性、便攜性高等優(yōu)點(diǎn),已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。本文在手指生物結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上,提出了一種SMA絲驅(qū)動的柔性手指康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu),建立了康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和力學(xué)模型。試驗(yàn)研究了手指康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動性能和抓握性能。
手指康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計是建立在人手生物結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,同時需要考慮人體工程學(xué)和臨床康復(fù)的需求。合理的結(jié)構(gòu)才能更好地輔助人手進(jìn)行連續(xù)的訓(xùn)練活動,最大程度地實(shí)現(xiàn)康復(fù)功能[18]。
手指的運(yùn)動依賴于其內(nèi)部肌肉、韌帶、滑車等結(jié)構(gòu)之間復(fù)雜的協(xié)同和拮抗作用。除拇指外的四指均具有四個自由度,遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié)(DIP)和近端指間關(guān)節(jié)(PIP)為單自由度的鉸鏈連接,可實(shí)現(xiàn)手指在矢狀面內(nèi)的屈曲伸展運(yùn)動;掌骨關(guān)節(jié)(MCP)為兩個軸線垂直相交的轉(zhuǎn)動自由度的鞍型連接,不僅可實(shí)現(xiàn)矢狀面內(nèi)的屈曲伸展,還可以實(shí)現(xiàn)冠狀面內(nèi)的外展內(nèi)收運(yùn)動。拇指主要有掌指關(guān)節(jié)(MCP)和指間關(guān)節(jié)(IP)。
手指肌肉由肌腱和肌腹組成。肌腱用于連接肌腹和骨骼,使肌肉附著并固定在骨骼上,但是肌腱本身不具備收縮能力,只是將肌腹收縮產(chǎn)生的力傳導(dǎo)至骨骼,類似于繩索傳動的方式。
根據(jù)肌肉起點(diǎn)的不同,可以將手指肌肉分為外在肌和內(nèi)在肌。手指生物結(jié)構(gòu)如圖1所示。外在肌(指深屈肌FDP、指淺屈肌FDS、指伸肌EDC)的起點(diǎn)在前臂,通過較長的肌腱與手指骨骼相連,是手指關(guān)節(jié)屈曲伸展的主要動力來源。內(nèi)在肌(蚓狀肌LU、尺側(cè)肌UI、橈側(cè)肌RI)的起點(diǎn)在手指內(nèi)部并直接與骨骼相連,主要負(fù)責(zé)關(guān)節(jié)處的約束平衡和微調(diào),控制手指完成精細(xì)操作[19]以及實(shí)現(xiàn)手指的外展內(nèi)收運(yùn)動等。表1總結(jié)了四指內(nèi)部主要肌肉的功能。
圖1 手指生物結(jié)構(gòu)圖
表1 四指主要肌肉功能
人手的運(yùn)動自由度較多,手指運(yùn)動功能的康復(fù)需要康復(fù)機(jī)器人順應(yīng)手指自身屈曲伸展運(yùn)動。因此,對手指生物結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動規(guī)律的研究,是手指康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ),也是康復(fù)策略和評價機(jī)制構(gòu)建的前提。
1.2.1 布絲方式
根據(jù)1.1節(jié)的手指生物仿生基礎(chǔ)并進(jìn)行一定的簡化來設(shè)計康復(fù)機(jī)器人內(nèi)部的布絲方式。手指的屈曲運(yùn)動主要由掌側(cè)起源于DIP關(guān)節(jié)處的指深屈肌FDP提供驅(qū)動力,而其伸展運(yùn)動則由背側(cè)的指伸肌EDC提供,如圖2(a)所示。因此,在手指掌側(cè)屈肌腱和背側(cè)伸肌腱對應(yīng)的位置上各排布一組牽引線,將其一端與機(jī)器人上指尖固定套相連,另一端與SMA絲致動器相連,通過SMA絲的交替加熱收縮來模擬屈伸肌腱,從而驅(qū)動三個關(guān)節(jié),如圖2(b)所示。
圖2 手指康復(fù)機(jī)器人布絲仿生原理及示意圖
圖2(b)中黑色區(qū)域是模擬手指內(nèi)部用于固定肌腱的滑車,用于固定絲線,防止絲線在驅(qū)動過程中偏移或滑落手指并確定其運(yùn)動路徑。本文絲線選用線號為3.0的魚線,可最大承受50 N的拉力。
1.2.2 手指康復(fù)機(jī)器人基體設(shè)計
由于在手指屈曲伸展過程中,人手指關(guān)節(jié)軸線和旋轉(zhuǎn)中心是在不斷變化的,因此剛性結(jié)構(gòu)的康復(fù)機(jī)器人無法完全貼合手指運(yùn)動,甚至可能會對手指造成二次傷害。理想的手指康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)應(yīng)該能適應(yīng)不同患者的手指外形差異,同時具有柔軟、輕便等優(yōu)點(diǎn)。因此,綜合考慮穿戴方式和舒適性,本文采用柔性材料TPU作為康復(fù)機(jī)器人的基體,以手套為原型設(shè)計其無關(guān)節(jié)軟體的結(jié)構(gòu),不僅可以較好地貼合手指運(yùn)動,還保證了耐磨性,如圖3所示。
圖3 手指康復(fù)機(jī)器人基體設(shè)計
由于在日常生活中,食指、中指和大拇指提供了主要的運(yùn)動和抓握力的來源,因此本文的基體設(shè)計僅考慮三指?;w前側(cè)用圓環(huán)結(jié)構(gòu),起到固定手指和絲線的作用,并給手指屈曲留有一定的空間。基體背側(cè)采用菱形結(jié)構(gòu),可以被拉伸從而適配不同人手指的長度。手掌位置處設(shè)有絲線路徑規(guī)劃的導(dǎo)程,避免絲線相互纏繞。除此之外,在虎口和手腕相應(yīng)位置處,均設(shè)計有搭扣的表帶結(jié)構(gòu),可以根據(jù)實(shí)際手長手寬尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié),從而固定手指與基體的連接。
1.2.3 驅(qū)動機(jī)構(gòu)
由于SMA絲應(yīng)變較低(最大應(yīng)變僅為5%),因此為了提供足夠的收縮量,每根SMA絲所需的長度遠(yuǎn)大于前臂長度。針對該問題,設(shè)計了往復(fù)折返布絲式增程機(jī)構(gòu),放置在驅(qū)動盒內(nèi),來確保滿足手指屈伸變形的行程要求,如圖4所示。
圖4 增程機(jī)構(gòu)
增程機(jī)構(gòu)主要采用滑輪裝置,SMA絲纏繞在滑輪組上,盡量保證繃直,減少SMA絲收縮行程的浪費(fèi)。一旦SMA絲受熱收縮,就會帶動與手指直接貼合的牽引線移動,實(shí)現(xiàn)對手指關(guān)節(jié)的驅(qū)動。增程機(jī)構(gòu)的大小為8*25 cm2,滑輪外徑為12 mm。在驅(qū)動盒內(nèi)還裝有風(fēng)扇,保障在SMA絲處于過熱狀態(tài)時能夠及時散熱。
SMA絲加熱收縮后的應(yīng)力和應(yīng)變直接驅(qū)動手指三關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)抓握等運(yùn)動。仿生康復(fù)手套的運(yùn)動學(xué)模型是研究了SMA絲應(yīng)變和關(guān)節(jié)角度之間的關(guān)系。力學(xué)模型則是研究了SMA絲應(yīng)力和抓握時指尖力的大小,目的是獲取所能抓握物體的最大力。
為了便于分析,將手指生理結(jié)構(gòu)簡化為開鏈的多剛體系統(tǒng)。手指指骨(遠(yuǎn)端指骨,中節(jié)指骨,近端指骨和掌骨)為四段相連的剛體,各節(jié)段用矩形表示,如圖5所示。
圖5 手指康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型
坐標(biāo)建立在手指掌骨第一個圓環(huán)固定處,y軸為掌骨中軸線方向。圖中Li、di和ui(i=0,1,2,3)分別表示掌骨、近端指骨、中節(jié)指骨和遠(yuǎn)端指骨的長度、厚度的一半以及中軸線方向。
ui=Ri-1·ui-1
(1)
式中,R為對應(yīng)關(guān)節(jié)之間的旋轉(zhuǎn)變換矩陣。
vi=Li·ui
(2)
根據(jù)圖5建立運(yùn)動學(xué)模型方程如下:
P1=[d1,0]T
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
根據(jù)上式,輸入相應(yīng)的角度可以計算出,達(dá)到需求角度,SMA絲所需要的收縮長度,如下式:(手指運(yùn)動初始狀態(tài)默認(rèn)為三關(guān)節(jié)角度均為0°時):
(9)
εE=d1θ1+d2θ2+d3θ3
(10)
式中,εF和εE分別表示達(dá)到特定角度時,手指掌側(cè)和背側(cè)SMA絲需要收縮的長度。由此可以獲得達(dá)到手指屈曲最大角度時,所需要的SMA絲收縮量為45.8 mm。根據(jù)SMA絲應(yīng)變低的特點(diǎn)并留有一定的富余,每根手指采用1 m的SMA絲進(jìn)行驅(qū)動。
在抓取物體時,SMA絲收縮產(chǎn)生的拉動絲線的應(yīng)力會在物體和指尖之間產(chǎn)生兩個方向相互垂直的切向力和法向力,如圖6所示。法向力可以克服指尖和物體之間的摩擦,從而實(shí)現(xiàn)對物體的抓握。基于虛功原理,利用手指與軟體康復(fù)手套之間的位移協(xié)調(diào)與力平衡機(jī)制,建立如下方程:
FSMA1·δε1+FSMA2·δε2+Fn·δx+Ft·δx=0
(11)
ε1=-εEj
(12)
ε2=-εFj
(13)
x=(L1sinθ1+L2sin(θ1+θ2)+L3sin(θ1+θ2+θ3))i+
(L1cosθ1+L2cos(θ1+θ2)+L3cos(θ1+θ2+θ3))j
(14)
圖6 手指康復(fù)機(jī)器人力學(xué)模型
由于手指內(nèi)部肌肉的協(xié)同作用,DIP和PIP的關(guān)節(jié)角度之間存在一定關(guān)系[20],如下式:
(15)
根據(jù)上述公式(12)~(15)可以推導(dǎo)出SMA絲收縮產(chǎn)生的力FSMA與Fn之間的關(guān)系:
0.30FSMA≤Fn≤0.65FSMA
(16)
本文選用TiNi基SMA絲作為手指仿生康復(fù)機(jī)器人的驅(qū)動器,直徑0.3 mm,電阻率1.11(10-6Ω·m,相變溫度為60℃。樣機(jī)分為基體部分和驅(qū)動部分,如圖7所示?;w部分總重65 g,驅(qū)動部分總重328 g。由于驅(qū)動部分直接放置在桌面上,僅基體部分穿戴在手指上,因此樣機(jī)整體輕便緊湊,不會加重手指的負(fù)擔(dān),適合成為日??祻?fù)的工具。
圖7 手指康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)
為了驗(yàn)證本文所設(shè)計的手指仿生康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)的性能,對其運(yùn)動性能和抓握性能進(jìn)行試驗(yàn)。受試者在右手上穿戴樣機(jī)后,將前臂和手放置在前方的桌子上,并被要求完全放松右手。三組SMA絲驅(qū)動電壓為20 V,通過單根SMA絲的最大電流值為0.8 A。
受試者穿戴上手指康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)之后,在不抓握任何物體的前提下,研究樣機(jī)的自由運(yùn)動性能。由樣機(jī)帶動手指從初始狀態(tài)(三關(guān)節(jié)角度均為0°)到最大屈曲位置,使用攝像機(jī)對每次的試驗(yàn)進(jìn)行視頻錄制,每秒測量并記錄3個關(guān)節(jié)的角度值,其位置運(yùn)動序列如圖8所示。
圖8 20 V電壓下樣機(jī)屈曲過程圖像序列
三指各關(guān)節(jié)屈曲和伸展的平均最大角度見表2,并與健康人手所能達(dá)到的平均最大角度[2]進(jìn)行比較。
表2 健康人手和康復(fù)機(jī)器人所達(dá)到的平均最大角度
從表2中可以看出康復(fù)機(jī)器人平均最大角度大概是正常人手的85%。雖然屈曲伸展幅度小于正常人手,但是已經(jīng)可以滿足日常生活中對手指運(yùn)動范圍的需求。表中手指MCP關(guān)節(jié)的角度都與實(shí)際差值最大,是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計阻擋了一部分MCP關(guān)節(jié)的行程。因此在后續(xù)的研究中,需要改進(jìn)相應(yīng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計,增加MCP關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍。經(jīng)過試驗(yàn),康復(fù)機(jī)器人從初始狀態(tài)到完全屈曲狀態(tài)平均時間8 s,從完全屈曲狀態(tài)到完全伸展?fàn)顟B(tài)時間10 s,響應(yīng)時間較快,可以滿足日常要求。
為了測試樣機(jī)的抓握性能,進(jìn)行了以下三個方面的試驗(yàn):指尖力變化試驗(yàn),抓握力試驗(yàn)以及抓握不同形狀物體試驗(yàn)。
3.3.1 指尖力試驗(yàn)
受試者放松手指,將指尖放置在壓力傳感器上,保持手指初始狀態(tài)姿勢進(jìn)行試驗(yàn),如圖9所示,分別測試手指康復(fù)機(jī)器人能提供的最大指尖力。
圖9 指尖力試驗(yàn)示意圖
壓力傳感器選用電阻式薄膜壓力傳感器FSR402,外徑18 mm,壓力感應(yīng)范圍為0.2~60 N。使用20 V電壓驅(qū)動SMA絲,記錄下拇指、食指和中指在SMA絲的驅(qū)動下各自的指尖力變化曲線,如圖10所示。
圖10 拇指、食指和中指的指尖力變化曲線
從圖中可以看出,拇指、食指和中指最大指尖力分別為11 N、18 N和21 N。2011年H.In等人[20]認(rèn)為18 N的力足以完成日常的抓握任務(wù),因此本文研制的手指仿生康復(fù)機(jī)器人滿足基本的指尖力需求。除此之外,測量了SMA絲在最大指尖力時的拉力分別為24 N、40 N和47 N,約為0.46倍的指尖力,因此滿足3.2節(jié)中所提出的力學(xué)模型。
3.3.2 抓握不同形狀物體試驗(yàn)
為了體現(xiàn)本文所研制的手指康復(fù)機(jī)器人的高適用性和高柔性,因此抓握以下不同形狀的物體,測試其抓握性能,如圖11所示。
圖11 手指康復(fù)機(jī)器人輔助抓握不同形狀物體試驗(yàn)
圖11中第一排為抓握物體的主視圖,第二排為俯視圖。所選擇物體質(zhì)量從10 g到266 g,經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證可以看出手指康復(fù)機(jī)器人能夠幫助手指較好地抓握日常用品。
本文在分析手指生物結(jié)構(gòu)和肌肉骨骼致動機(jī)理的基礎(chǔ)上,研制了一種形狀記憶合金絲驅(qū)動的柔性結(jié)構(gòu)手指康復(fù)機(jī)器人,研究其運(yùn)動學(xué)和力學(xué)模型。為滿足機(jī)器人輕便、可攜帶的特點(diǎn),在結(jié)構(gòu)上將其做成手套的形式,并使用柔性材料TPU作為手指康復(fù)機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu),形狀記憶合金絲作為驅(qū)動器,通過控制SMA絲的收縮來輔助手指實(shí)現(xiàn)屈曲伸展等運(yùn)動功能。通過對手指康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)運(yùn)動性能和抓握性能的實(shí)驗(yàn)研究,可以看出機(jī)器人不僅能夠?qū)崿F(xiàn)正常人手的功能性活動范圍,較靈活,還能夠增加人手的抓握力,從而減少手指肌肉的壓力。其屈曲伸展程度可達(dá)正常人手范圍的85%,單指最大指尖力為18 N。因此,為未來手指康復(fù)機(jī)器人的研制提供了一種可行的方案。之后會將傳感器加入機(jī)器人的控制中,基于電阻反饋來控制SMA絲的精確收縮,從而直觀地控制機(jī)器人的力和角度。除此之外,手指之間的協(xié)同運(yùn)動康復(fù)功能也會在加入未來的控制研究中。