張治國, 陶睿志, 周凡

(河海大學(xué)機電工程學(xué)院,常州 213022)

引言

隨著老齡化程度的加深，因腦卒中或慢性損傷導(dǎo)致的手功能受損的人數(shù)正逐年增加[1-3]，手功能損傷臨床表現(xiàn)為手部感知缺失及運動失能。手功能損傷將明顯降低患者獨立生活的能力，影響患者生活[4-5]。大量的臨床研究結(jié)果表明，通過對患者進行周期性、連續(xù)性的被動手部康復(fù)訓(xùn)練可以改善患者手部的運動功能，實現(xiàn)肌肉神經(jīng)的重塑[6-11]。傳統(tǒng)治療手段主要是康復(fù)治療師對患者進行一對一、重復(fù)性的康復(fù)訓(xùn)練[12]，效率低且費用高[13-15]。隨著機器人技術(shù)的興起，手功能康復(fù)機器人由于能夠通過力傳遞機構(gòu)帶動手指進行指定的重復(fù)性動作，為患者提供方便、及時的康復(fù)訓(xùn)練，目前已成為手部康復(fù)研究及應(yīng)用的前沿和熱點[16]。

依據(jù)不同的材質(zhì)與觸感，手功能康復(fù)機器人大致可分為剛性與柔性兩種。臨床研究表明，剛性手套雖然可以提供足夠的抓握力，且易于控制，但其會過度抑制佩戴者的手部活動，治療中的錯誤操作將造成患者手部的二次損傷。此外，剛性手套重量較大、費用高，且不具有便攜性[16-22]。因此，近年來柔性手康復(fù)機器人憑借其價格優(yōu)勢和便攜性深受患者青睞[23-25]。其中，以波紋管為驅(qū)動裝置的氣動式手康復(fù)機器人為目前市場上的主流產(chǎn)品。然而研究表明，氣動式柔性手套訓(xùn)練力度不足、控制準(zhǔn)確性差[26]。為此，本研究以羿生SY-HRO1C經(jīng)典款柔性手功能康復(fù)機器人為研究對象，通過流固耦合方法對該產(chǎn)品的氣流通路進行分析，探究造成該類產(chǎn)品訓(xùn)練力度不足和運動準(zhǔn)確性差的原因，并提出了改進方案，以期通過本研究為現(xiàn)有氣動式手功能康復(fù)機器人的改進提供新的參考。

1 材料與方法

1.1 幾何模型的重建與網(wǎng)格劃分

本研究首先根據(jù)現(xiàn)有的經(jīng)典款手功能康復(fù)機器人產(chǎn)品，運用Solidworks 19.0進行T型氣流通路結(jié)構(gòu)與流場的三維數(shù)值模型的重建，見圖1。在Ansys中進行網(wǎng)格劃分，其中，流場采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元數(shù)量為688 501；通路結(jié)構(gòu)采用solid187網(wǎng)格類型進行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)量為271 882。本研究模型設(shè)計的材料屬性，見表1。

圖1 T型式氣流通路的三維數(shù)值模型與網(wǎng)格模型Fig.1 The 3D numerical model and mesh model of T-shaped flow field

表1 材料屬性Table 1 Material properties of structure

1.2 控制方程

手功能康復(fù)機器人氣流通路流固耦合過程中要求流場與結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力、熱流量、溫度等變量數(shù)值相等，因此，守恒方程可以表達(dá)為：

(1)

其中τ為應(yīng)力，d為位移，q為熱流量，T為溫度，f表示流場，s表示結(jié)構(gòu)。

1.3 邊界條件及求解

本研究首先設(shè)置流場部分求解器為壓力基求解器，出口為質(zhì)量流量出口，其數(shù)值大小通過實驗測定質(zhì)量流量為2.45 kg/(m2·s)，計算采用k-ω湍流模型和SIMPLE算法。氣流通路的壁面采用無滑移壁面，并采用局部重構(gòu)法和彈性光順法來實現(xiàn)動網(wǎng)格更新，并設(shè)置流場與連接氣管、波紋管接觸面為流固耦合面，時間步數(shù)為130，時間步長為1 ms，最大迭代次數(shù)為20次。隨后設(shè)置外部氣流通路連接氣管、波紋管內(nèi)壁為流固耦合面，并僅允許外壁、波紋管和連接氣管沿豎直方向移動。最后設(shè)置耦合：建立流場與結(jié)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)傳遞，設(shè)置總時間步長為130 ms。

2 結(jié)果

2.1 T型式氣流通路的空氣動力學(xué)分析

抽氣130 ms時，手功能康復(fù)機器人氣流通路內(nèi)，越靠近抽氣口，真空度越高(真空度等于大氣壓強與氣流通路內(nèi)壓強之差)，見圖2。其中，在各手指支路中，靠近抽氣口的小指支路內(nèi)真空度最高，約為11 480 Pa，拇指和食指內(nèi)真空度較小。因此，在抽氣過程中，拇指的指部訓(xùn)練力度低于小指的訓(xùn)練力度，然而在實際生活中，無論是兩指的掐取、三指的捏取以及五指抓握均需要拇指的參與，并且在抓握過程中拇指與食指需要的抓握力最大，占總抓握力的75%左右，小指僅需要4%，因此，拇指與食指附近肌肉需要更高強度的訓(xùn)練，原T型氣流通路抽氣口布局不符合手功能康復(fù)訓(xùn)練的需求。

圖2 T型氣流通路的壓力圖Fig.2 Pressure contour of T-shaped flow field

手功能康復(fù)機器人抽氣130 ms時氣流通路的流線圖，見圖3。越接近抽氣口，進出氣歧管內(nèi)的流速越大。在食指支路與歧管的連接處，歧管氣流速度小于0.99 m/s，在小指支路與歧管的連接處氣流速度達(dá)到2.98 m/s，為食指支路與歧管的連接處氣流速度的近3倍。同時，在每個手指支路與進出氣歧管的連接處流線紊亂，越靠近氣歧管出口紊亂現(xiàn)象越嚴(yán)重。

圖3 T型氣流通路的速度流線圖Fig.3 Velocity streamline of T-shaped flow field

圖4列出了各手指支路與進出氣歧管連接處截面的局部速度矢量圖，其中，拇指與食指共用一個歧管，其余支路各一個歧管。由圖可知，各個手指支路與進出氣歧管的連接處存在明顯的氣體渦旋，且氣流的運動方向紊亂，進而導(dǎo)致氣體不能快速排出，影響氣流通路抽氣效率。

圖4 各支路速度矢量圖Fig.4 Velocity vector diagram of each branch

2.2 氣流通路的改進設(shè)計

基于上述計算結(jié)果，為提高氣流通路的抽氣效率，提升手功能康復(fù)機器人對指部的訓(xùn)練力度，本研究提出了平移T型、漸縮T型、鴨嘴T型以及漸縮直型四款改進型氣流通路(見圖5)。

圖5 改進型氣流通路Fig.5 Improved flow field

四款改進型氣流通路內(nèi)的壓力見圖6，鴨嘴T型氣流通路內(nèi)的真空度分布更加均勻。平移T型、漸縮T型以及漸縮直型氣流通路內(nèi)的真空度從小指到拇指支路依次增強。

圖7為改進后氣流通路內(nèi)的流場圖。其中，漸縮T型、鴨嘴T型以及漸縮直型氣流通路進出氣歧管處未產(chǎn)生較大的速度差，且無流線紊亂的現(xiàn)象。平移T型氣流通路從各手指支路流出的氣流與歧管中的氣流存在速度差，在出氣口附近產(chǎn)生了流線紊亂，但相比于原T型氣流通路無明顯渦旋的產(chǎn)生(見圖8)，氣流得以順暢地排出。

圖7 改進型氣流通路流線圖Fig.7 Streamline diagram of improved flow field

圖8 局部速度矢量圖Fig.8 Local velocity vector diagram

不同結(jié)構(gòu)的氣流通路在抽氣至130 ms時，內(nèi)部真空度對比分析圖，見圖9。由于氣流通路內(nèi)的真空度分布不均，因此，本研究分別選取了不同氣流通路內(nèi)相同位置(見表2)的臨近節(jié)點進行真空度檢測，然后取其平均值，其中，位置1為拇指支管第一個波紋管中部，用于觀測拇指氣流通路的真空度；位置為2為食指支管第二個波紋管中部，用于觀測食指氣流通路的真空度；位置3為中指支管第二個波紋管中部，用于觀測中指氣流通路的真空度；位置4為無名指支管第二個波紋管中部，用于觀測無名指氣流通路的真空度。小指在各氣流通路中的變化較小，因此未設(shè)參考點。管內(nèi)的真空度越高，其在康復(fù)訓(xùn)練時能輔助患手進行伸展的力度越大。由圖9可知，漸縮T型氣流通路對于指部訓(xùn)練力度的提升幅度最高，平均真空度數(shù)值達(dá)到11 769 Pa；其次是平移T型氣流通路，管內(nèi)平均真空度約為11 643 Pa，比原T型氣流通路高174 Pa；鴨嘴T型氣流通路改進效果不明顯，管內(nèi)平均真空度僅提高48 Pa。

表2 參考點位置表Table 2 Location of reference points 單位：mm

圖9 130 ms時刻不同氣流通路內(nèi)的真空度Fig.9 The vacuum degree in different flow fields at 130 ms

3 結(jié)論

本研究重建了手功能康復(fù)機器人氣流通路的三維模型，并基于流固耦合原理展開一系列的改進設(shè)計和分析。計算結(jié)果表明：越靠近抽氣口，手指支路內(nèi)的真空度越高，指部訓(xùn)練力度也就越大。原T型氣流通路抽氣口分布不合理，導(dǎo)致在各手指支管與歧管的連接處出現(xiàn)了紊流和大量渦旋，這表示部分氣體未被迅速抽出，影響支路內(nèi)真空度的提升效率，進而影響其控制效率，并且小指的訓(xùn)練力度均高于拇指與食指，因此原T型不符合手康復(fù)訓(xùn)練的需求，且難以實現(xiàn)高效控制。改進后氣流通路內(nèi)的流場更加平穩(wěn)，相比于原T型氣流通路無明顯渦旋的產(chǎn)生；其中漸縮T型氣流通路的抽氣效率最高，管內(nèi)真空度比原T型提高近300 Pa，手指訓(xùn)練力度顯著增強，并且高效的抽氣有助于手套及時做出反應(yīng)，提高可控性。

綜上所述，本研究通過基于流固耦合的計算空氣動力學(xué)仿真，深入探究了現(xiàn)有氣動式手功能康復(fù)機器人氣流通路的設(shè)計不合理問題，并提出了有效的改進方案。本研究為氣動式手功能康復(fù)機器人氣流通路的改進設(shè)計提供了重要的理論指導(dǎo)。