鄭旸初，李美琴，王文安

（溫州理工學(xué)院 智能制造與電子工程學(xué)院，浙江 溫州 325035）

隨著人口老齡化的增長(zhǎng)，老年人身體素質(zhì)和柔韌性的下降導(dǎo)致了眾多疾病的產(chǎn)生，其中中風(fēng)是典型的疾病之一。在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的幫助下，越來(lái)越多的老年人可以在中風(fēng)后存活，但絕大多數(shù)中風(fēng)患者都伴有不同程度的功能障礙。許多患者由于中風(fēng)從而導(dǎo)致手指活動(dòng)能力不足，手指力量缺失[1]。手指作為身體重要的感覺(jué)器官，扮演著一個(gè)非常重要的角色。因此對(duì)于此類患者，手指的康復(fù)顯得非常重要。相關(guān)研究證明手指功能受損的患者積極進(jìn)行相關(guān)功能的康復(fù)訓(xùn)練，可以使大腦皮層組織的相關(guān)功能進(jìn)行重組，從而獲得比較好的效果。

手指康復(fù)訓(xùn)練的發(fā)展經(jīng)過(guò)幾個(gè)時(shí)期，自動(dòng)式康復(fù)裝置的出現(xiàn)，使得患者可以進(jìn)行持久的、可控的手部康復(fù)訓(xùn)練，并可以通過(guò)傳感器技術(shù)對(duì)訓(xùn)練過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)和采集，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析來(lái)研究合理的訓(xùn)練模式和評(píng)估患者的康復(fù)狀況。手指康復(fù)器主要的驅(qū)動(dòng)方式有剛性結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)、繩索驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、記憶合金驅(qū)動(dòng)等[2]，雖然各個(gè)研究機(jī)構(gòu)為手指康復(fù)提供了一系列裝置，但往往結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。因此，本文針對(duì)手指活動(dòng)能力不足的患者，提出一種通過(guò)指尖驅(qū)動(dòng)整個(gè)手指的手指康復(fù)器，該裝置由一個(gè)多關(guān)節(jié)指套和繩索驅(qū)動(dòng)裝置組成，能夠?qū)崿F(xiàn)手指的訓(xùn)練功能。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 指套設(shè)計(jì)

人的手部結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜程度很高，為了設(shè)計(jì)一套合理的手指康復(fù)裝置，需要對(duì)手部進(jìn)行分析，除拇指之外的四指的結(jié)構(gòu)包括掌指關(guān)節(jié)、近指端關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)指端關(guān)節(jié)，掌指關(guān)節(jié)具有兩個(gè)自由度。通過(guò)查閱相關(guān)資料，獲得各個(gè)手指的長(zhǎng)度和運(yùn)動(dòng)范圍情況[3-4]，其中食指近端指節(jié)42~51 mm，中間指節(jié)25~30 mm，遠(yuǎn)端指節(jié)22~27 mm。手指的運(yùn)動(dòng)范圍一方面受到骨骼間的韌帶和肌肉間的肌腱等生理結(jié)構(gòu)的約束，另一方面也受制于關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)之間的耦合運(yùn)動(dòng)，比如在手指彎曲的過(guò)程中，遠(yuǎn)指端關(guān)節(jié)會(huì)跟隨近指端關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)指端關(guān)節(jié)和近指端關(guān)節(jié)很難單獨(dú)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，而且根據(jù)個(gè)體的不同，運(yùn)動(dòng)情況也有所不同[5-6]，手指的運(yùn)動(dòng)范圍見表1。

表1 手指運(yùn)動(dòng)范圍

在設(shè)計(jì)中充分考慮以上兩方面的問(wèn)題，將運(yùn)動(dòng)特性與穿戴的舒適性結(jié)合。根據(jù)手指尺寸范圍取中位數(shù)，來(lái)確定各關(guān)節(jié)指套的長(zhǎng)度。以食指為例，指套的總尺寸為65 mm×27 mm×22 mm。結(jié)構(gòu)為三段式指套，如圖1所示，近端指節(jié)、中間指節(jié)、遠(yuǎn)端指節(jié)通過(guò)鉸鏈連接，鉸鏈處的圓盤式阻尼使運(yùn)動(dòng)速度更平滑，加速減速平緩。

圖1 指套結(jié)構(gòu)

1.2 運(yùn)動(dòng)空間計(jì)算

為了計(jì)算手指的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，需要根據(jù)關(guān)節(jié)的長(zhǎng)度和關(guān)節(jié)的角度建立坐標(biāo)系，從而得到指尖的工作空間信息[7-8]。首先建立一個(gè)通用模型，設(shè)近端指節(jié)長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，中間指節(jié)長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，遠(yuǎn)端指節(jié)長(zhǎng)度為L(zhǎng)3，掌指關(guān)節(jié)角度為θ1，近指端關(guān)節(jié)角度為θ2，遠(yuǎn)指端關(guān)節(jié)角度為θ3。如圖2所示。

圖2 手指結(jié)構(gòu)和指尖運(yùn)動(dòng)空間

以手掌中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，其中指尖坐標(biāo)為：

根據(jù)掌指關(guān)節(jié)、近指端關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)指端關(guān)節(jié)的角度限值以及食指的尺寸中位數(shù)，計(jì)算得到指尖的工作空間。根據(jù)工作空間的計(jì)算結(jié)果，取其中x為0~60 mm的一段曲線設(shè)計(jì)導(dǎo)向板，從而使手指在合理的范圍內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

1.3 驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用無(wú)刷直流電機(jī)作為動(dòng)力源，無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率、低速轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速精度都很高，并且能夠比有刷直流電機(jī)力矩控制更加精準(zhǔn)。設(shè)備包括底座、手腕臺(tái)和手指運(yùn)動(dòng)裝置，手指運(yùn)動(dòng)裝置包括電機(jī)支架、電機(jī)、繩索、導(dǎo)向板、導(dǎo)向桿、彈簧、指套支架、控制器、三段式指套，結(jié)構(gòu)如圖3所示。電機(jī)主軸通過(guò)絞盤連接繩索，繩索的另一側(cè)連接導(dǎo)向板中的導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿固定連接在指套的端部。當(dāng)電機(jī)主軸向一方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，繩索牽引導(dǎo)向桿移動(dòng)，從而可使指套卷曲。當(dāng)電機(jī)主軸向另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，彈簧用于提供拉力，指套在彈簧的作用下回到初始位置，從而實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖3 整體結(jié)構(gòu)

原型中三段式指套采用TPU材料打印制作，其余結(jié)構(gòu)件采用PLA材料打印制作，指套主要考慮到手指的舒適性因此采用TPU軟質(zhì)材料，實(shí)際使用時(shí)可以根據(jù)使用者的手指尺寸來(lái)進(jìn)行定制。

2 控制部分設(shè)計(jì)

手指康復(fù)裝置的控制系統(tǒng)主要包括硬件和軟件，其中硬件包括控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、觸摸屏、傳感器4個(gè)部分，控制器采用樹莓派，觸摸屏采用的是與樹莓派DSI接口適配的5英寸電容屏，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，傳感器采用光纖光柵。軟件主要分為人機(jī)界面和串口通信兩部分。人機(jī)界面使用pyqt5來(lái)制作，界面中包含啟動(dòng)、停止、速度控制等按鍵。界面上顯示鍛煉次數(shù)和當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)速度，以此實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器以STM32作為主控，采用FOC算法驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器和樹莓派分別進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制和人機(jī)交互的任務(wù)，運(yùn)動(dòng)控制頻率高，人機(jī)交互界面流暢，兩者通過(guò)USB接口的方式進(jìn)行通信。驅(qū)動(dòng)器的FOC算法精確地控制磁場(chǎng)大小與方向，使得電機(jī)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)、噪聲小、效率高，配合PID的整定，運(yùn)行具有高速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，如圖4所示。

圖4 控制示意圖

串口通信需要設(shè)計(jì)通信協(xié)議，驅(qū)動(dòng)器上通過(guò)ch340芯片將USB信號(hào)轉(zhuǎn)換成UART信號(hào)，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效的速度控制功能，通信協(xié)議必須簡(jiǎn)潔，因此設(shè)計(jì)為幀頭校驗(yàn)無(wú)幀尾校驗(yàn)的模式，驅(qū)動(dòng)器上傳數(shù)據(jù)的幀頭采用星號(hào)進(jìn)行校驗(yàn)，因?yàn)楸容^特殊，可以與數(shù)字信息進(jìn)行區(qū)分。之后跟上2個(gè)字節(jié)的鍛煉次數(shù)信息，之后跟著1個(gè)字節(jié)的檔位，控制器下發(fā)數(shù)據(jù)同樣用星號(hào)作為幀頭，后面設(shè)置一個(gè)字節(jié)的速度檔位信息，一個(gè)備用字節(jié)，見表2。

表2 通信協(xié)議

傳感器采用光纖光柵檢測(cè)手指彎曲信號(hào)，使用有機(jī)硅密封膠分別將2個(gè)光纖光柵粘貼在2個(gè)指套關(guān)節(jié)處。光纖光柵將光源入射的光束經(jīng)由光纖送入調(diào)制器，由于光纖光柵在受到應(yīng)變時(shí)，光纖的中心波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生變化，因此需要取得中心波長(zhǎng)和應(yīng)變之間的關(guān)系式，光纖光柵的中心波長(zhǎng)為：

其中，γB為中心波長(zhǎng)，neff為纖芯的有效折射率，α為光柵周期，由公式可知中心波長(zhǎng)和有效折射率與光柵周期有關(guān)，這2個(gè)參數(shù)的值會(huì)受溫度和應(yīng)變的影響。當(dāng)恒定溫度時(shí)，中心波長(zhǎng)和應(yīng)變的關(guān)系式為：

其中，Pe為有效彈光系數(shù)，ε為應(yīng)變，因此光纖光柵的中心波長(zhǎng)的變化率與應(yīng)變成正比。使用標(biāo)準(zhǔn)拉壓力實(shí)驗(yàn)臺(tái)，施加標(biāo)準(zhǔn)壓力進(jìn)行應(yīng)變和中心波長(zhǎng)的標(biāo)定，因此2個(gè)光纖光柵能夠分別檢測(cè)近指端關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)指端關(guān)節(jié)的角度。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)裝置主要由計(jì)算機(jī)、手指康復(fù)裝置、穩(wěn)壓電源組成，手指康復(fù)器如圖5所示，使用穩(wěn)壓電源給驅(qū)動(dòng)器供電，電壓為12 V，樹莓派直接使用普通5 V電源。觸摸屏能夠很好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，使用時(shí)可方便對(duì)設(shè)備的功能進(jìn)行設(shè)定和調(diào)節(jié)，使用者也能夠方便地從界面上讀取鍛煉次數(shù)和速度檔位的數(shù)據(jù)。

圖5 手指康復(fù)裝置

經(jīng)過(guò)測(cè)量，繩索的運(yùn)動(dòng)距離約為70 mm。為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和距離的準(zhǔn)確控制，用電機(jī)配置型號(hào)為AS5600的霍爾傳感器進(jìn)行位置測(cè)量，霍爾傳感器作為非接觸式傳感器比較適合本設(shè)計(jì)，通過(guò)IIC接口讀取12位速度信息，并且通過(guò)PID算法實(shí)現(xiàn)精確位置控制?？紤]到舒適度，運(yùn)動(dòng)過(guò)程需要避免沖擊，因此速度和加速度的變化為正弦波形式的連續(xù)波形。

設(shè)備的整體框圖如圖6所示，控制器與驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行串口通信，控制器自身用于人機(jī)交互，驅(qū)動(dòng)器與無(wú)刷電機(jī)、霍爾傳感器構(gòu)成閉環(huán)，使用PID算法進(jìn)行精準(zhǔn)控制，無(wú)刷電機(jī)通過(guò)繩索帶動(dòng)指套進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手指康復(fù)訓(xùn)練，光纖光柵檢測(cè)彎曲數(shù)據(jù)通過(guò)分析儀解調(diào)后將數(shù)據(jù)發(fā)送至電腦端進(jìn)行分析。

圖6 整體框圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)手指活動(dòng)能力不足的患者，設(shè)計(jì)了一個(gè)通過(guò)指尖驅(qū)動(dòng)整個(gè)手指的手指康復(fù)器。裝置使用三段式的指套，該設(shè)計(jì)方便手指的彎曲和伸展，符合手指關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特性。通過(guò)計(jì)算得到手指指尖的運(yùn)動(dòng)范圍，設(shè)計(jì)導(dǎo)向板滑槽的空間位置，引導(dǎo)手指進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，設(shè)備配置了人機(jī)交互界面，方便使用者對(duì)設(shè)備進(jìn)行速度調(diào)節(jié)和鍛煉次數(shù)的查看。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)指套3D打印個(gè)性化定制，為手指活動(dòng)能力不足的患者提供了一種新的康復(fù)訓(xùn)練方式。未來(lái)可以使用12 V鋰電池進(jìn)行供電，方便在不同的位置使用。