肖藝璇, 李新偉,喻洪流

1.上海理工大學(xué)康復(fù)工程與技術(shù)研究所( 上海，200093)

2.上?？祻?fù)器械工程技術(shù)研究中心(上海，200093)

3.民政部神經(jīng)功能信息與康復(fù)工程重點實驗室(上海，200093)

0 引言

隨著社會的發(fā)展和人口老齡化的加劇，因中風(fēng)或其他神經(jīng)紊亂而導(dǎo)致肌肉損傷的人數(shù)也在增加。對于這些患者來說，通過康復(fù)來恢復(fù)日?；顒拥哪芰ψ兊糜葹橹匾?-3］。其中，可穿戴設(shè)備是康復(fù)領(lǐng)域研究的關(guān)注重點［4］，因為它們可以獨立控制和訓(xùn)練使用者的關(guān)節(jié)運動。研究表明，手在日常生活活動(ADL) 中是必不可少的，許多與環(huán)境和日常物品的互動都是通過手進行的［5-7］。針對我國人口基數(shù)大，腦卒中發(fā)病率高、康復(fù)醫(yī)師相對缺乏，訓(xùn)練效果受康復(fù)醫(yī)師個人水平和經(jīng)驗影響，手功能康復(fù)訓(xùn)練治療費用高等現(xiàn)狀，研發(fā)一款可穿戴的手功能康復(fù)訓(xùn)練裝置來幫助病患自主進行康復(fù)訓(xùn)練治療至關(guān)重要。

現(xiàn)有手功能康復(fù)設(shè)備按照驅(qū)動部位可以分為指尖驅(qū)動、關(guān)節(jié)驅(qū)動、物體接觸驅(qū)動等。哈佛大學(xué)Polygerinos 團隊［8］研制出針對手功能抓握障礙個體的康復(fù)與生活輔助相結(jié)合的柔性手套，采用纖維增強材料的成型彈性腔組成的柔性體執(zhí)行器，通過改變?nèi)嵝泽w內(nèi)腔壓力帶動手指完成抓握動作；岐阜大學(xué)Ueki 團隊［9］研制的手部外骨骼康復(fù)機器人，具有全自由度，其中拇指4 個自由度，四指各有3 個自由度，腕部有2 個自由度，由6個獨立電機驅(qū)動；香港理工大學(xué)研究團隊［10］開發(fā)的可穿戴式希望之手，共有5 個自由度，每個手指都配有線性微型電機提供驅(qū)動力，采用EMG 控制手部訓(xùn)練和人機交互。

國內(nèi)外現(xiàn)有手功能康復(fù)設(shè)備中一類是電機數(shù)量眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穿戴性差；另一類個性化適應(yīng)性差，無法滿足不同手部特征患者的需求。因此本研究旨在設(shè)計出一種運動角度滿足手指正常運動范圍，可以針對不同手部特征參數(shù)的患者進行個性化調(diào)整的手功能康復(fù)訓(xùn)練裝置。

1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 人手生物學(xué)特性闡述

掌指關(guān)節(jié)(MCP)、近側(cè)指間關(guān)節(jié)(PIP)、遠側(cè)指間關(guān)節(jié)(DIP)［11］決定了人手四指相對于手掌運動。每個手指有4 個自由度, 其中MCP 有2 個自由度，PIP 和DIP 各有1 個自由度，拇指有3 個自由度, 整體共計19 個自由度。手指運動的特點包括：(1)手指關(guān)節(jié)彎曲伸展、內(nèi)收外展均有一定角度范圍；(2)各段手指骨在同一個平面內(nèi)運動；(3)大拇指外伸的兩段指骨在同一平面內(nèi)運動；(4)PIP和DIP 有互相約束，即使無外力作用， PIP 彎曲，DIP 也會彎曲；反之亦然。正常成人手指活動范圍如表1 所示。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本訓(xùn)練裝置機械系統(tǒng)由五組柔性鏈驅(qū)動模塊、動力輸出機構(gòu)和手背貼合面板組成，如圖1 所示。通過雙出軸減速電機帶動，實現(xiàn)手指柔性驅(qū)動模塊固定托架與被動齒輪固定連接，托架圍繞主軸的回轉(zhuǎn)運動和與自轉(zhuǎn)運動，從而使五指或者對應(yīng)某特定需要訓(xùn)練的手指完成伸展和抓握訓(xùn)練，模塊化的手指柔性驅(qū)動的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以快速實現(xiàn)左右手互換，適應(yīng)不同病人的手指長短、手指間距。通過控制電機的正反轉(zhuǎn)可以實現(xiàn)單個手指單獨訓(xùn)練、特定某幾個手指的聯(lián)動訓(xùn)練。本設(shè)計屬于可穿戴式訓(xùn)練裝置，穿戴結(jié)構(gòu)設(shè)定手指的遠節(jié)指骨穿戴固定點。在訓(xùn)練過程中，通過牽引遠節(jié)指骨帶動中節(jié)指骨、近節(jié)指骨運動。本訓(xùn)練裝置相比其他外骨骼類手指訓(xùn)練器機械結(jié)構(gòu)簡單，但更能滿足手功能康復(fù)訓(xùn)練的運動范圍要求。由于僅需固定手指末端的遠節(jié)指骨和手臂，所以本裝置方便穿戴，減輕了康復(fù)訓(xùn)練師和患者的負(fù)擔(dān)。

表1 正常成年人除拇指外其余四指活動范圍Tab.1 Range of motion of the other four fingers in normal adults except the thumb

圖1 手功能康復(fù)訓(xùn)練裝置三維模型Fig.1 Three-dimensional model of hand functional rehabilitation training device

動力輸出機構(gòu)中，由減速箱輸出動力到第一級同步帶輪；第二級同步帶輪傳動中，將主動輪與第一級同步帶輪傳動的外殼固定，被動輪的轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)外殼的帶動下以中心距為半徑圍繞主動輪旋轉(zhuǎn)。如圖2 所示，第二級行星同步帶傳動機構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)內(nèi)殼上開有旋轉(zhuǎn)限位槽，主動帶輪通過限位槽用與第一級同步帶傳動機構(gòu)的外殼形成固定連接，而不做旋轉(zhuǎn)運動；旋轉(zhuǎn)外殼和第一級同步帶傳動機構(gòu)的被動輪主軸形成固定連接，在主動軸的帶動下做旋轉(zhuǎn)運動；根據(jù)相對運動關(guān)系，第二級從動帶輪以該級同步帶傳動中心距為半徑繞其主動帶輪轉(zhuǎn)動，并產(chǎn)生自轉(zhuǎn)角速度，動力傳遞給一組齒輪來獲得所需運動方向、速度和驅(qū)動力，放大手指柔性驅(qū)動模塊固定托架的運動范圍。

圖2 動力輸出結(jié)構(gòu)Fig.2 Power output structure

手指柔性驅(qū)動模塊為本訓(xùn)練裝置的執(zhí)行機構(gòu)包括快速定位、方向微調(diào)、長度調(diào)節(jié)角度限位及遠節(jié)指骨固定4 個機構(gòu)，并由含有陣列式定位半球槽的柔性驅(qū)動模塊固定托架將五個手指柔性驅(qū)動模塊串聯(lián)起來，使手指柔性驅(qū)動模塊帶動遠節(jié)指骨運動，實現(xiàn)手指的伸展和抓握運動的康復(fù)訓(xùn)練。根據(jù)不同病人的手部情況可以快速實現(xiàn)左、右手互換，調(diào)整手指柔性驅(qū)動模塊的長短和模塊之間的距離。

如圖3 所示，彈簧球頭柱塞嵌入快速定位中，配合含有陣列式定位半球槽的自適應(yīng)調(diào)節(jié)托架，可以實現(xiàn)模塊的快速推拉和定位，擰開一端的螺母后，可以更換、調(diào)整手指柔性驅(qū)動模塊的排列順序和間隔距離。實際設(shè)計過程中，手指柔性驅(qū)動模塊為了滿足五指的不同情況，針對拇指和其他四指分別設(shè)計不同的快速定位，其中拇指的快速定位根據(jù)人的拇指運動方向做出具有仿形結(jié)構(gòu)的空間角度調(diào)整；方向微調(diào)可以使柔性驅(qū)動模塊自適應(yīng)每個手指橫向角度狀態(tài)，提高舒適性；長度調(diào)節(jié)角度限位器可以調(diào)整每個手指柔性驅(qū)動模塊的長度，又通過旋轉(zhuǎn)限位來控制柔性鏈的彎曲極限，從而使手指柔性驅(qū)動模塊在極限位置成為剛性鏈，使固定在遠節(jié)指骨固定套的遠節(jié)指骨獲得足夠推力和拉力。

圖3 手指柔性驅(qū)動模塊結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of finger flexible drive module

1.3 動力學(xué)分析

本設(shè)計提出的手指驅(qū)動柔性鏈為若干帶旋轉(zhuǎn)限位的模塊串聯(lián)而成，如果多模塊柔性鏈被帶入動力學(xué)仿真，系統(tǒng)的無效自由度增多，冗余結(jié)構(gòu)引起較多的無效數(shù)據(jù)計算，無法得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果；在動力學(xué)仿真過程中，本設(shè)計將模型簡化，原手指柔性驅(qū)動鏈可以簡化為軸向剛度大于手指剛度，且徑向彎曲形變小于手指彎曲變形的柔性桿。由于機械臂桿長度較長且截面積相對較小，運動過程中產(chǎn)生的軸向變形和剪切變形相對于撓曲變形而言非常小，因而在動力學(xué)建模過程中可以忽略，將柔性桿簡化為Euler-Bernoulli 連桿處理。本設(shè)計研究的柔性平面連桿，只考慮桿臂柔性，鉸鏈處作為剛性材料處理，整體可以看作剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真模型。

本動力學(xué)分析以食指及其對應(yīng)的柔性驅(qū)動鏈為代表，遠端指間關(guān)節(jié)均可以由近節(jié)指骨帶動做少量的被動訓(xùn)練，因而在模型設(shè)計過程中把遠節(jié)指骨和中節(jié)指骨合并成一個連桿。而連桿由三個直桿，執(zhí)行結(jié)構(gòu)模型為：L1=60 mm，一個組合連桿（兩端距離L2=150 mm），手指模型：L3=30 mm，L4=54 mm。如圖4 所示為簡化結(jié)構(gòu)建模效果圖。

圖4 簡化結(jié)構(gòu)建模效果圖Fig.4 Simplified structure modeling renderings

對柔性桿進行有限元分析，定義材料屬性，柔性機械臂的材料為碳纖維，密度=1.8×103kg/m3，彈性模量E=250 GPa，泊松比=0.3 劃分離散網(wǎng)格，通過SOL 103 Flexible Body 結(jié)算方案進行模態(tài)計算，可以得到柔性桿形變狀態(tài)和對應(yīng)狀態(tài)時間點的MCP、PIP 角度，柔性驅(qū)動模塊固定托架動力學(xué)參數(shù)。解算后求得結(jié)果如圖5 所示。

圖5 動力學(xué)分析解算結(jié)果Fig.5 Results of dynamic analysis

以上仿真結(jié)果表明：手指被動訓(xùn)練關(guān)節(jié)運動角度、速度達到康復(fù)指標(biāo)；根據(jù)仿真結(jié)果可以在合理閾值范圍內(nèi)選取速度、力矩更小的電機，減小整體結(jié)構(gòu)的重量和功耗。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

柔性鏈驅(qū)動的手功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)是康復(fù)機械結(jié)構(gòu)本體和嵌入式控制系統(tǒng)的有機統(tǒng)一，整個手功能訓(xùn)練裝置控制系統(tǒng)的集成如圖6 所示。本設(shè)計的控制系統(tǒng),由計算機系統(tǒng)、控制器模塊、電機驅(qū)動模塊、Leap Motion 虛擬現(xiàn)實圖像采集模塊4 個部分組成。穿戴式機械本體穿在患者的前臂部分,安裝在本體上的力矩傳感器和角度傳感器用于采集DIP的運動信息，由數(shù)據(jù)采集模塊AD7927 處理之后，通過SPI 通信發(fā)送給STM32F407 進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理、分析；上位機通過Leap Motion 虛擬現(xiàn)實圖像采集模塊提供虛擬現(xiàn)實的游戲環(huán)境,來提高患者主動參與康復(fù)訓(xùn)練的積極性；電機驅(qū)動模塊采用L298穩(wěn)壓H 橋電路換向，通過處理STM32F407 分配的PWM 信號對電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向進行控制。

手部康復(fù)機器人系統(tǒng)還包括計算機提供的手功能康復(fù)治療虛擬環(huán)境,通過Leap Motion 體感控制器采集偏癱患者檢測手部手勢圖像，經(jīng)圖像處理和比對既有的已經(jīng)過深度學(xué)習(xí)的手勢庫，若手勢匹配，則形成指令數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)控制虛擬環(huán)境的游戲?qū)ο?，并由串口發(fā)送控制指令給STM32F407 控制本設(shè)計的手功能訓(xùn)練裝置運動；若手勢無法匹配，則提示訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)再學(xué)習(xí)，更新手指控制指令庫。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將訓(xùn)練狀態(tài)實時反饋給患者,虛擬場景和提示信息疊加到真實場景中的增強顯示,提供一種輕松娛樂的康復(fù)治療虛擬環(huán)境，包含視覺、聽覺和觸覺反饋。

圖6 手功能訓(xùn)練裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Control system structure of hand functional training device

3 實驗驗證

為了評估系統(tǒng)的性能和實現(xiàn)最終的臨床應(yīng)用, 首先在上海兩所醫(yī)院康復(fù)科進行初步試用。分別選取5 名軟癱期肌張力大小不同的患者進行測試，在伸展和抓握被動訓(xùn)練過程中，關(guān)節(jié)角 度 范 圍 為MCP(120°,192°)，PIP(78°,190°)，DIP(100°,195°)，重復(fù)誤差＜5%，可以完全滿足手功能障礙患者進行康復(fù)訓(xùn)練的角度和施力要求，且在安全范圍內(nèi)。

產(chǎn)生重復(fù)誤差的主要原因是尼龍搭扣綁帶松緊程度較難控制，因而在往復(fù)訓(xùn)練過程中手指各關(guān)節(jié)角度會產(chǎn)生一定誤差，但不影響手部康復(fù)訓(xùn)練效果。如圖7 為一個訓(xùn)練運動周期內(nèi)手指各關(guān)節(jié)角度變化。

對比通過擬合實際關(guān)節(jié)角度變化曲線和動力學(xué)仿真結(jié)果曲線如圖8 所示。在運動趨勢和范圍兩個方面，可以發(fā)現(xiàn)除因手指長短引起的角度范圍有±10° 浮動以外，實驗數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果相符。經(jīng)過試用之后5 位軟癱期手功能運動障礙患者和康復(fù)醫(yī)師均表示，本設(shè)計的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)可以在一定程度上替代康復(fù)醫(yī)師完成部分手部抓握、伸展運動訓(xùn)練，且穿戴舒適，運行穩(wěn)定。

圖7 一個訓(xùn)練運動周期內(nèi)手指各關(guān)節(jié)角度變化Fig.7 Changes in the angle of each finger joint during a training exercise period

圖8 5 位患者使用本系統(tǒng)后采集的關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)與動力學(xué)仿真結(jié)果對比Fig.8 Comparison between the joint angle data and the dynamic simulation results collected from 5 patients after using the system

4 結(jié)論

研制的手部康復(fù)機器人機構(gòu)能輔助病人完成手指的抓握和伸展運動功能訓(xùn)練任務(wù)。這種新型穿戴式手部康復(fù)機器人與現(xiàn)有的外骨骼手部康復(fù)機器人相比，結(jié)構(gòu)輕便、穿卸方便，且柔順性好、運行穩(wěn)定，非常適合在社區(qū)和家庭中使用。更重要的是其具有左右手互換、指間間距可調(diào)等個性化適應(yīng)的功能，克服了目前其它技術(shù)的手功能裝置難以個性化適應(yīng)的缺點。實驗結(jié)果證明，通過人機交互和控制系統(tǒng)實現(xiàn)對手指各關(guān)節(jié)角度的控制，所設(shè)計手功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的可用性和有效性。