韓坤峰， 劉艷紅， 毛曉波， 張季冬， 王 葳， 逯 鵬,3

(1.鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2.機(jī)器人感知與控制河南省工程實驗室，河南 鄭州 450001； 3.中醫(yī)藥智能科學(xué)與工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450001)

0 引言

腦卒中患者往往出現(xiàn)偏癱后遺癥，會引起腕部運動功能障礙。智能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)是一種綜合了康復(fù)醫(yī)學(xué)、機(jī)器人學(xué)、電子工程為一體的智能康復(fù)方法，能夠部分或完全恢復(fù)患者喪失的運動能力。國內(nèi)外設(shè)計開發(fā)了多種腕關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，包括電機(jī)驅(qū)動型和氣動驅(qū)動型。

電機(jī)驅(qū)動腕部康復(fù)裝置常以腕關(guān)節(jié)生理結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計貼合腕關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，帶動患側(cè)手腕進(jìn)行康復(fù)運動，具有運動精確度高、輸出扭矩大等優(yōu)點，但同時存在結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、柔順性不足[1]等缺點。Lambelet等[2]設(shè)計了一種腕部外骨骼康復(fù)裝置，結(jié)合表面肌電信號，通過按需輔助的力控制策略實現(xiàn)患者的主動訓(xùn)練。該裝置需要將電機(jī)佩戴在手臂上，會增加外骨骼裝置的重量，降低用戶的舒適度，且針對不同用戶的適配性較低。Martinez等[3]設(shè)計了一種三自由度腕部康復(fù)裝置，具有3個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，分別對應(yīng)前臂旋轉(zhuǎn)、腕部背伸/屈曲，腕部內(nèi)收/外展，并設(shè)置物理急停按鈕以確保訓(xùn)練過程安全。該裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，相較于氣動腕關(guān)節(jié)康復(fù)裝置，柔順性較低。

柔性驅(qū)動器因其較好的安全性與柔順性，在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[4]。其中氣動人工肌肉(pneumatic artificial muscle，PAM)具有功率/質(zhì)量比大、噪聲低、質(zhì)量輕等特點，將其應(yīng)用于腕關(guān)節(jié)康復(fù)裝置，具有動作平滑、柔順性好等優(yōu)點。

姚建濤等[5]設(shè)計了柔性可穿戴腕部動力手套，采用4條直線型PAM輔助患者完成腕部背伸/屈曲、內(nèi)收/外展運動。該裝置需要結(jié)合剛性串聯(lián)連桿結(jié)構(gòu)，舒適度較低，且其采用電機(jī)驅(qū)動、齒輪傳動結(jié)構(gòu)，增加了裝置重量，降低了用戶的舒適度。Andrikopoulos等[6]設(shè)計了一種PAM驅(qū)動的腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，采用非線性PID控制算法對腕關(guān)節(jié)運動訓(xùn)練軌跡進(jìn)行跟蹤控制。該裝置采用剛性串聯(lián)連桿結(jié)構(gòu)，降低了用戶的舒適度。Al-Fahaam等[7]開發(fā)了一種PAM驅(qū)動的手腕康復(fù)手套，將伸張PAM和收縮PAM固定于軟手套背部，能夠?qū)崿F(xiàn)手腕康復(fù)訓(xùn)練。該康復(fù)手套需要將PAM首尾兩端牢牢固定在使用者身上，舒適度較低。

彎曲收縮PAM作為腕關(guān)節(jié)外骨骼康復(fù)裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，相較于電機(jī)驅(qū)動方式，柔順性好，能夠避免系統(tǒng)急劇變化的沖擊力對腕關(guān)節(jié)造成的二次損傷；相較于直線型PAM，能夠避免結(jié)合剛性串聯(lián)連桿機(jī)構(gòu)，且無須牢牢地固定在使用者身上，提升了裝置的適配性與用戶的舒適度。

綜上，以輔助患者完成腕關(guān)節(jié)背伸/屈曲運動和腕關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展運動康復(fù)訓(xùn)練為目的，設(shè)計實現(xiàn)彎曲收縮PAM驅(qū)動的手腕康復(fù)裝置，闡述了其關(guān)鍵技術(shù)路線以及核心實現(xiàn)方式，以期為手腕康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)提供設(shè)計思路。

1 彎曲收縮PAM

彎曲收縮PAM基于PAM結(jié)構(gòu)改進(jìn)而來，安全、柔順且制作成本低，具有廣泛的應(yīng)用前景與價值[8]。

1.1 收縮PAM

收縮PAM是由內(nèi)部橡膠筒套及外部纖維編織網(wǎng)構(gòu)成[9]。PAM外層為內(nèi)徑10 mm、長度200 mm的尼龍編織網(wǎng)，內(nèi)層為內(nèi)徑8 mm、長度200 mm的雙層乳膠氣球，兩端密封，其中一端嵌入一個進(jìn)氣軟管。PAM在不同氣壓下收縮情況如圖1所示。PAM在空載情況下內(nèi)部壓強(qiáng)與收縮量如圖2所示。

圖1 PAM在不同氣壓下收縮情況Figure 1 PAM contraction under different air pressures

圖2 PAM空載下收縮量隨氣壓變化曲線Figure 2 Change curve of PAM contraction with air pressure under no load

1.2 彎曲收縮PAM

彎曲收縮PAM結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。彎曲收縮PAM外層為內(nèi)徑10 mm、長度150 mm的尼龍編織網(wǎng)，內(nèi)層為內(nèi)徑8 mm、長度150 mm的雙層乳膠氣球，兩端密封，其中一端嵌入一個進(jìn)氣軟管。彎曲收縮PAM一側(cè)用熱熔膠固定其長度，當(dāng)彎曲收縮PAM內(nèi)部充入氣體時，熱熔膠側(cè)長度保持不變，另一側(cè)收縮，產(chǎn)生彎曲收縮力。

圖3 彎曲收縮PAM結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Schematic diagram of bending and contracting PAM structure

彎曲收縮PAM在不同氣壓下彎曲情況如圖4所示。

圖4 不同氣壓下的彎曲收縮PAMFigure 4 Bending and contracting PAM under different air pressures

彎曲收縮PAM在空載情況下與2.94 N負(fù)載情況下氣壓與彎曲角度(肌肉末端相對于初始位置的角度)關(guān)系如圖5所示。

圖5 彎曲收縮PAM不同負(fù)載下彎曲角度隨氣壓變化曲線Figure 5 Curve of bending angle of bending and contracting PAM with air pressure under different loads

彎曲收縮PAM末端輸出力測量裝置原理如圖6所示，實際測試如圖7所示。將稱重傳感器底端固定于實驗平臺，用尼龍扎帶將彎曲收縮PAM末端和稱重傳感器一側(cè)固定，用膠將彎曲收縮PAM首端固定于實驗平臺側(cè)面，使其與彎曲收縮PAM末端呈90°方向。將彎曲收縮PAM內(nèi)部充入氣體，逐步增大壓強(qiáng)，稱重傳感器將測得的輸出力傳給微控制器，經(jīng)處理后傳送給上位機(jī)，從而記錄彎曲收縮PAM的末端輸出力變化。

圖6 彎曲收縮PAM末端力測試示意圖Figure 6 Schematic diagram of bending and contracting PAM end force test

圖7 彎曲收縮PAM測試Figure 7 Bending and contracting PAM test

將彎曲收縮PAM首端與末端呈45°方向固定于實驗平臺，重復(fù)上述步驟，測試并記錄其末端輸出力，如圖8所示。

圖8 不同彎曲角度下末端輸出力隨氣壓變化曲線圖Figure 8 Curve of output force with air pressure under different bending angles

圖9 McKibben PAM形狀Figure 9 McKibben PAM shape

2 彎曲收縮PAM運動學(xué)建模

參考Al-Fahaam等[10]建立的彎曲伸長PAM運動學(xué)模型，對彎曲收縮PAM進(jìn)行運動學(xué)建模，以期為彎曲收縮PAM的精準(zhǔn)控制奠定基礎(chǔ)。

McKibben PAM形狀如圖9所示。PAM的長度為L，直徑為D，單根編織線與PAM中心軸之間的角度為θ。多根長度為b的編織線纏繞PAMn次形成編織網(wǎng)。

基于以下假設(shè)：

(1)彎曲收縮PAM在彎曲期間，其橫截面保持圓形；

(2)彎曲收縮PAM在彎曲期間，其固定側(cè)長度保持不變；

(3)不考慮尼龍編織網(wǎng)和乳膠氣球之間的摩擦力，不考慮編織線之間的摩擦力，不考慮乳膠氣球的彈力；

(4)彎曲收縮PAM內(nèi)部氣體無泄漏。

彎曲收縮PAM初始長度為

L=bcosθ。

(1)

彎曲收縮PAM直徑為

(2)

彎曲收縮PAM形狀如圖10所示。彎曲收縮PAM固定側(cè)長度為L1，自由側(cè)長度為Ln，直徑為Dc，彎曲角度為α，內(nèi)半徑為rn，外半徑為r1，彎曲收縮PAM的平均長度Lc為

(3)

彎曲收縮PAM直徑Dc為

Dc=r1-rn。

(4)

圖10 彎曲收縮PAM形狀Figure 10 Bending and contracting PAM shape

當(dāng)彎曲收縮PAM內(nèi)部充入氣體，由于固定側(cè)長度保持不變，這一側(cè)編織角始終為最小值θmin，而PAM另一側(cè)隨內(nèi)部壓強(qiáng)增大而收縮，這一側(cè)編織角θ也隨之增加。

彎曲收縮PAM固定側(cè)長度L1與自由側(cè)長度Ln為

L1=bcosθmin=r1α；

(5)

Ln=bcosθ=rnα。

(6)

彎曲收縮PAM在內(nèi)部壓強(qiáng)作用下彎曲時，其橫截面形狀如圖11所示，A點為PAM固定側(cè)。假設(shè)彎曲收縮PAM橫截面為圓形，其直徑Dc為彎曲收縮PAM固定側(cè)半徑r2和自由側(cè)半徑r3之和。

圖11 彎曲收縮PAM橫截面形狀Figure 11 Cross-sectional shape of the bending and contracting PAM

彎曲收縮PAM直徑Dc的計算過程為

(7)

(8)

Dc=r2+r3；

(9)

(10)

將式(4)代入式(6)，得

Ln=(r1-Dc)α。

(11)

將式(5)和式(6)代入式(11)，得

(12)

將式(5)代入式(12)，得彎曲收縮PAM的彎曲角度α為

(13)

將式(5)和式(6)代入式(3)中，得彎曲收縮PAM的平均長度Lc為

(14)

3 手腕康復(fù)裝置

3.1 需求分析

依據(jù)腕關(guān)節(jié)生理結(jié)構(gòu)和運動特性，在滿足系統(tǒng)安全、可靠的前提下，手腕康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的功能包括：

(1)實時監(jiān)測手腕運動角度和位置信息，為康復(fù)訓(xùn)練和評價提供客觀反饋數(shù)據(jù)；

(2)能夠輔助患者完成康復(fù)訓(xùn)練運動，即腕關(guān)節(jié)背伸/屈曲運動和腕關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展運動；

(3)通過上位機(jī)實時顯示患者康復(fù)訓(xùn)練信息，識別患者語音指令。

以輔助腦卒中腕部運動功能障礙患者完成腕關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練為核心目的，從安全、可靠、交互與舒適方面考慮，手腕康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的性能需求包括以下3點。

(1)安全性?；颊咴诳祻?fù)訓(xùn)練中有發(fā)生肌肉痙攣等突發(fā)情況的概率，需要防止突發(fā)情況造成腕關(guān)節(jié)二次損傷。

(2)可靠性?？祻?fù)訓(xùn)練裝置以輔助腕關(guān)節(jié)運動功能障礙患者完成康復(fù)訓(xùn)練為目的，因此系統(tǒng)的可靠性應(yīng)符合較高要求。

(3)舒適性。外骨骼康復(fù)裝置是和患側(cè)腕部直接接觸[11]，在康復(fù)訓(xùn)練過程中，需要結(jié)合腕關(guān)節(jié)生理結(jié)構(gòu)和運動特性，對外骨骼康復(fù)裝置進(jìn)行設(shè)計，以滿足舒適性要求。

3.2 系統(tǒng)總體設(shè)計與實現(xiàn)

結(jié)合上述系統(tǒng)需求分析，設(shè)計手腕康復(fù)裝置，總體設(shè)計如圖12所示，包括外骨骼康復(fù)手套、控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)和交互系統(tǒng)。外骨骼康復(fù)手套采用PAM作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，柔順性好，能夠避免系統(tǒng)急劇變化的沖擊力對腕關(guān)節(jié)造成二次損傷；控制系統(tǒng)包括嵌入式微控制器和氣路控制系統(tǒng)，具有良好的便攜性；感知系統(tǒng)通過角度傳感器實現(xiàn)對腕關(guān)節(jié)角度信息的實時采集；完成了人機(jī)交互界面設(shè)計和語音識別系統(tǒng)開發(fā)，實時顯示手腕康復(fù)訓(xùn)練過程的運動信息并進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練模式的選擇，語音交互采用LD3320語音芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)實時語音控制。

圖12 系統(tǒng)總體設(shè)計圖Figure 12 System overall design diagram

系統(tǒng)裝置如圖13所示。包括外骨骼手套、信息采集模塊、控制系統(tǒng)與交互系統(tǒng)。信息采集模塊為角度傳感器MPU6050；控制系統(tǒng)包塊嵌入式微控制器、微型充氣泵、氣泵驅(qū)動、電磁閥、電磁閥驅(qū)動、按鍵開關(guān)與電源模塊；交互系統(tǒng)包括上位機(jī)監(jiān)控界面和語音模塊LD3320。

圖13 系統(tǒng)裝置圖Figure 13 System device diagram

嵌入式微控制器實時接收下位機(jī)按鍵指令、上位機(jī)控制指令以及語音指令，通過控制微型氣泵的啟停與電磁閥的通斷來控制彎曲收縮PAM內(nèi)部壓強(qiáng)，進(jìn)而帶動患者手腕進(jìn)行康復(fù)運動訓(xùn)練。

3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

氣路控制系統(tǒng)設(shè)計如圖14所示。嵌入式微控制器通過電機(jī)驅(qū)動控制微型氣泵啟停，通過電磁閥驅(qū)動控制電磁閥通斷。角度傳感器采集患者康復(fù)訓(xùn)練過程中的角度信息，傳送給嵌入式微控制器。嵌入式微控制器根據(jù)反饋的角度信息，通過控制微型氣泵的啟停和電磁閥的通斷，來控制彎曲收縮PAM內(nèi)腔的充放氣，進(jìn)而達(dá)到給定的彎曲角度。

圖14 氣路控制系統(tǒng)Figure 14 Gas circuit control system

3.4 外骨骼康復(fù)手套

外骨骼康復(fù)手套如圖15所示。手套本體上下左右各固定一根彎曲收縮PAM，角度傳感器型號為MPU6050，將其固定于外骨骼康復(fù)手套上表面手背處。外骨骼康復(fù)手套能夠輔助患者完成腕關(guān)節(jié)背伸/屈曲運動和內(nèi)收/外展運動。

圖15 外骨骼康復(fù)手套Figure 15 Exoskeleton rehabilitation glove

3.5 安全性設(shè)計

手腕康復(fù)訓(xùn)練裝置以輔助腦卒中患者完成康復(fù)訓(xùn)練為核心目的，安全性是第一要素。裝置的安全性設(shè)計包括以下3點：

(1)彎曲收縮PAM測試結(jié)果表明，其可承受最大氣壓為0.4 MPa，裝置所采用的微型氣泵最大氣壓為0.3 MPa，從而保障執(zhí)行機(jī)構(gòu)運行過程中的安全性；

(2)隨機(jī)抽取3條彎曲收縮PAM，分別進(jìn)行0～0.3 MPa反復(fù)充放氣測試，次數(shù)為1 000次，未出現(xiàn)損壞情況；

(3)設(shè)置物理急停按鈕，在出現(xiàn)極端情況或者痙攣狀況下，能夠及時停止訓(xùn)練并使執(zhí)行機(jī)構(gòu)維持原狀。

4 康復(fù)訓(xùn)練實驗

在康復(fù)醫(yī)師指導(dǎo)下，選6名身體健康的正常人作為被試，進(jìn)行模擬康復(fù)訓(xùn)練，以測試手腕康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)是否能夠長時間安全穩(wěn)定工作，以及是否滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

4.1 實驗動作設(shè)計

選擇腕關(guān)節(jié)背伸/屈曲運動和腕關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展運動作為實驗動作，如圖16所示。以腕關(guān)節(jié)起始位為中立位0°法紀(jì)錄，腕關(guān)節(jié)背伸角度為0°～70°，屈曲角度為0°～80°,腕關(guān)節(jié)內(nèi)收角度為0°～30°，外展角度為0°～15°。

圖16 實驗動作設(shè)計圖Figure 16 Experimental action design diagram

4.2 康復(fù)運動實驗

4.2.1 背伸/屈曲訓(xùn)練

進(jìn)行腕關(guān)節(jié)背伸/屈曲運動訓(xùn)練，腕關(guān)節(jié)運動狀態(tài)為正常-背伸-正常-屈曲-正常-背伸往復(fù)運動。腕關(guān)節(jié)背伸/屈曲訓(xùn)練如圖17所示。

圖17 腕關(guān)節(jié)背伸/屈曲訓(xùn)練Figure 17 Wrist extension/flexion training

測試結(jié)果表明，手腕康復(fù)裝置可以完成正常-背伸-正常-屈曲-正常-背伸往復(fù)運動且能達(dá)到背伸/屈曲角度要求。

4.2.2 內(nèi)收/外展訓(xùn)練

進(jìn)行腕關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展訓(xùn)練實驗，腕關(guān)節(jié)運動狀態(tài)為正常-內(nèi)收-正常-外展-正常-內(nèi)收往復(fù)運動。腕關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展訓(xùn)練如圖18所示。

圖18 腕關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展訓(xùn)練Figure 18 Wrist adduction/abduction training

測試結(jié)果表明，手腕康復(fù)裝置可以完成正常-內(nèi)收-正常-外展-正常-內(nèi)收往復(fù)運動且能達(dá)到內(nèi)收/外展角度要求。

4.3 實驗結(jié)果和分析

腕關(guān)節(jié)背伸/屈曲訓(xùn)練進(jìn)行5組實驗，每組20次背伸/屈曲動作。腕關(guān)節(jié)實際最大背伸/屈曲角度與設(shè)定最大背伸/屈曲角度的誤差分析如表1所示。腕關(guān)節(jié)背伸/屈曲訓(xùn)練角度隨氣壓變化如圖19所示。

表1 腕關(guān)節(jié)背伸/屈曲訓(xùn)練誤差分析Table 1 Error analysis of wrist extension/flexion training %

圖19 背伸/屈曲訓(xùn)練角度隨氣壓變化曲線Figure 19 Curve of extension/flexion training angle with air pressure

腕關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展訓(xùn)練進(jìn)行5組實驗，每組20次內(nèi)收/外展動作。腕關(guān)節(jié)實際最大內(nèi)收/外展角度與設(shè)定最大內(nèi)收/外展角度的誤差分析如表2所示。

表2 腕關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展訓(xùn)練誤差分析Table 2 Error analysis of wrist adduction/abduction training %

結(jié)果表明，測試誤差在10%內(nèi)，彎曲PAM驅(qū)動的手腕康復(fù)裝置滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

5 結(jié)論

將彎曲收縮PAM應(yīng)用于腕關(guān)節(jié)外骨骼康復(fù)裝置，相較于電機(jī)驅(qū)動方式，柔順性好且能夠避免系統(tǒng)急劇變化的沖擊力對腕關(guān)節(jié)造成的二次損傷；相較于直線型PAM，能夠避免結(jié)合剛性串聯(lián)連桿機(jī)構(gòu)，且無須牢牢地固定在使用者身上，提升了裝置的適配性與用戶的舒適度。

以實現(xiàn)患者的柔順訓(xùn)練為切入點，以輔助患者完成腕關(guān)節(jié)背伸/屈曲運動和腕關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展運動康復(fù)訓(xùn)練為目的，設(shè)計并實現(xiàn)手腕康復(fù)裝置，重點解決了柔性驅(qū)動器設(shè)計與建模、外骨骼康復(fù)手套設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計和數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫幌盗泄こ碳夹g(shù)問題。測試結(jié)果表明，手腕康復(fù)裝置能夠有效驅(qū)動手腕進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。