李康，畢學(xué)文，李隆飛 ，趙云偉

(1.北華大學(xué)工程訓(xùn)練中心，吉林吉林 132021；2.吉林石化公司電儀中心(檢測中心)，吉林吉林 132000；3.吉林石化公司電石廠，吉林吉林 132000)

0 前言

隨著人口老齡化，由腦卒中和腦外傷引起的手部功能缺失患者逐年增加。近年來國內(nèi)外學(xué)者針對家庭服務(wù)和醫(yī)療訓(xùn)練的手功能康復(fù)裝置展開了廣泛研究[1-2]。手功能康復(fù)裝置多采用外骨骼結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)拉線傳動，其驅(qū)動方式主要有電機驅(qū)動、人工肌肉驅(qū)動和記憶合金材料驅(qū)動等[3-5]。采用傳統(tǒng)驅(qū)動方式的手功能康復(fù)裝置，結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，便攜性差，難于實現(xiàn)手部關(guān)節(jié)自然運動[6]。

近年來新興的氣動軟體驅(qū)動器其驅(qū)動裝置與本體復(fù)合一體，氣壓下可實現(xiàn)連續(xù)的大角度變形[7-8]，具有較好的綜合柔性，適合作為手康復(fù)裝置的手指驅(qū)動器。相對于傳統(tǒng)的手部康復(fù)裝置，采用氣動柔性驅(qū)動器研制的手功能康復(fù)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)理想的手部關(guān)節(jié)運動，符合人體功能學(xué)，通過控制驅(qū)動器內(nèi)氣壓即可實現(xiàn)手指屈、伸運動，可輔助手部運動功能缺失患者，適用于家庭服務(wù)和輔助康復(fù)訓(xùn)練[9-10]。而且它所需氣體壓力低，主動安全性、輸出力可控，不會對人體造成傷害。

文中采用2種氣動軟體驅(qū)動器設(shè)計一種可穿戴式手功能康復(fù)裝置。研究驅(qū)動器制作工藝，建立其形變模型，并進行靜力學(xué)實驗和有限元仿真；試制康復(fù)裝置樣機和搭建實驗平臺，進行其動作位姿和實物抓取實驗。

1 康復(fù)裝置的結(jié)構(gòu)與功能

基于人體工程學(xué)原理，從仿生學(xué)角度出發(fā)，采用氣動軟體驅(qū)動器仿照人手外形設(shè)計一種手功能康復(fù)裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝置共有5根手指，具有6個自由度、1個機動度。其機械系統(tǒng)包含氣動軟體驅(qū)動器和織物手套。為增強康復(fù)裝置夾持力，大拇指采用雙腔驅(qū)動軟體驅(qū)動器，其余4根手指采用單腔驅(qū)動軟體驅(qū)動器。為便于穿戴，裝置外部采用彈性織物材料。柔軟體驅(qū)動器置于織物內(nèi)部并位于手指上方，進氣端與指根處固定，下端由腕帶固定于手腕上。

圖1 氣動軟體康復(fù)裝置

氣壓下軟體驅(qū)動器能夠?qū)崿F(xiàn)主動彎曲和被動恢復(fù)，它帶動手指的屈/伸運動可幫助患者恢復(fù)手指功能和康復(fù)訓(xùn)練。在驅(qū)動器驅(qū)動下，各手指相互配合、協(xié)調(diào)運動，可實現(xiàn)人手抓、握和捏等主要功能，協(xié)助患者日常生活。

2 軟體驅(qū)動器結(jié)構(gòu)與建模

2.1 驅(qū)動器結(jié)構(gòu)

圖2所示為軟體驅(qū)動器，其外形為長條狀，內(nèi)部為半圓形薄壁網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各個腔室彼此相互獨立，由底面(外側(cè)覆蓋紙質(zhì)限制層)將各腔室連接成密閉整體，腔體底部設(shè)有通氣道。單腔驅(qū)動器僅包含1個氣腔和1個氣道；雙腔驅(qū)動器包含2個氣道，由中間隔板將氣室分成2個獨立氣腔。通入氣壓后腔室內(nèi)壁膨脹變薄，在各個腔室端部產(chǎn)生軸向力，在限制層的約束下產(chǎn)生彎曲變形，帶動患者手指運動，幫助患者進行手部運動功能康復(fù)訓(xùn)練。

圖2 軟體驅(qū)動器結(jié)構(gòu)

驅(qū)動器以硅橡膠(Dragon skin 30)為原材料，采用模具一體注塑成形，其制作流程如圖3所示。首先，配比硅橡膠，經(jīng)攪拌均勻抽真空排出氣泡后，將液態(tài)硅膠注入模具1，經(jīng)固化后脫模完成驅(qū)動器氣室部分；然后，將已完成模型導(dǎo)入模具2，再次澆注后經(jīng)固化脫模完成氣道及驅(qū)動型底部，并粘貼限制層，至此完成驅(qū)動器制作。驅(qū)動器具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖3 驅(qū)動器制作工藝過程

表1 驅(qū)動器幾何參數(shù)

2.2 變形模型

氣動網(wǎng)絡(luò)多氣室彎曲軟體驅(qū)動器采用超彈性硅膠材料，形變時呈現(xiàn)大變形、非線性。考慮到超彈性材料的各向同性和不可壓縮性，采用兩參數(shù)Yeoh模型描述氣壓下軟體驅(qū)動器的形變[11]。其應(yīng)變能密度函數(shù)為

W=C10(I1-3)+C20(I2-3)2

(1)

其中：

(2)

式中：I1、I2為變形張量不變量；λ1、λ2和λ3分別為軸向、周向和徑向主伸長比；C10、C20為基于Yeoh模型硅膠材料系數(shù)。

施加氣壓后，軟體驅(qū)動器產(chǎn)生類似圓弧狀的彎曲變形，如圖4所示。以驅(qū)動器底部為研究對象，當?shù)撞吭谕饬ψ饔孟孪蜉S向、徑向和周向3個方向拉伸變形時，其軸向變形最明顯，將該方向的拉伸比設(shè)定為λ1。由于驅(qū)動器氣室的兩側(cè)壁厚和頂端厚度較大，限制了其變形，徑向方向拉伸比λ2和周向方向拉伸比λ3相對軸向方向變化較小，故假設(shè)λ2和λ3[12]為

(3)

將式(3)代入式(2)可得：

(4)

基于應(yīng)力和應(yīng)變量能關(guān)系可得：

(5)

由圖4所示幾何關(guān)系可知，忽略限制層厚度影響，軸向方向拉伸比為

圖4 驅(qū)動器彎曲變形

(6)

式中：l0為驅(qū)動器底面限制層弧長；l為變形后驅(qū)動器底部上表面弧長；θ為驅(qū)動器彎曲角度；R為驅(qū)動器彎曲半徑。

驅(qū)動器各氣室結(jié)構(gòu)和參數(shù)皆相同，在氣壓p的作用下，單個氣室的受力變形如圖5所示。

圖5 單個氣室形變分析

根據(jù)圖5(a)所示氣室底部所受力矩平衡可得：

(7)

將式(7)代入式(5)可得：

(8)

式中：S為氣室膨脹后端面面積。

施加氣壓后，氣室向兩側(cè)呈弧形膨脹鼓包，如圖5(b)所示。假設(shè)其膨脹變形后為球面，忽略膨脹后壁厚影響，則S為

(9)

其中：

(10)

式中：r為氣室變形后端面變形后球面半徑；b為氣室內(nèi)腔長度；δ為氣室膨脹高度；n為氣室數(shù)目;K為比例協(xié)調(diào)系數(shù)。

基于式(8)可以推導(dǎo)出驅(qū)動器彎曲角度θ與輸入氣體壓力值p之間的關(guān)系:

θ=θ(p)

(11)

3 實驗與分析

3.1 驅(qū)動器形變

驅(qū)動器靜力學(xué)實驗系統(tǒng)如圖6所示。由安裝在驅(qū)動器端部的陀螺儀和測力計進行彎曲角度和輸出力實驗。實驗中采用的硅膠材料為Dragon 30，其材料常數(shù)為C10=0.059 1、C20=0.011 3[13]。

圖6 驅(qū)動器靜力學(xué)實驗系統(tǒng)

應(yīng)用ABAQUS軟件進行驅(qū)動器有限元仿真分析，結(jié)果如圖7所示，氣壓下驅(qū)動器變形后呈圓弧狀。不同氣壓下驅(qū)動器的彎曲變形如圖8所示?？芍浩鋸澢冃坞S著氣壓的增加而增大。仿真和形變實驗結(jié)果表明，驅(qū)動器在氣壓下產(chǎn)生類似指狀彎曲變形且具有較好的柔順性，適合作為康復(fù)裝置的手指驅(qū)動器。

圖7 有限元仿真結(jié)果

圖8 驅(qū)動器彎曲變形隨氣壓的變化(單位為MPa)

單、雙驅(qū)動器比例調(diào)節(jié)系數(shù)K分別為4.9和2.2，將表1中驅(qū)動器各參數(shù)代入式(11)可得柔性驅(qū)動器彎曲角度與氣壓的關(guān)系，如圖9所示?？梢钥吹剑候?qū)動器彎曲角度隨著氣壓的增加而增大。經(jīng)比較理論計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果趨勢一致，吻合性較好。由于雙腔驅(qū)動器兩個腔體之間存在隔板限制其彎曲變形，彎曲角度明顯小于單腔驅(qū)動器。

圖9 彎曲角度隨氣壓變化 圖10 正壓力隨氣壓變化

測試40歲健康男性左手大拇指和其余四指指端極限彎曲角度分別為130°和265°。氣壓下測試2種驅(qū)動器最大彎曲角度分別為185°和272°，均滿足手指彎曲運動的需要。

圖10所示為軟體驅(qū)動器端部正壓力與氣壓關(guān)系。可以看到：驅(qū)動器端部正壓力隨著氣壓的增加呈非線性增加，表明通過增加驅(qū)動器腔室內(nèi)的氣體壓力可以控制和提升患手指的輸出力。在通入氣壓為0.1 MPa之前，兩種驅(qū)動器輸出正壓力幾乎相當；當通入氣壓高于0.1 MPa后，隨著氣壓的增加，雙腔驅(qū)動器產(chǎn)生的正壓力明顯高于單腔驅(qū)動器。單腔驅(qū)動器指端0.18 MPa氣壓下產(chǎn)生正壓力為4.2 N，雙腔驅(qū)動器指端0.2 MPa氣壓下產(chǎn)生正壓力可達到6.6 N，大拇指采用雙腔驅(qū)動器可增加患者手部的抓持能力，以滿足日常物品的抓取。

由上述驅(qū)動器形變實驗和仿真可知，較低氣壓下驅(qū)動器即可產(chǎn)生自由連續(xù)、大幅彎曲變形，具有主動安全性，其彎曲角度和輸出力均滿足手指康復(fù)訓(xùn)練和日常生活需求。

3.2 位姿與抓取

圖11所示為手功能康復(fù)裝置實驗平臺。該平臺主要由氣源、控制系統(tǒng)和康復(fù)裝置組成，通過控制系統(tǒng)發(fā)出指令，調(diào)節(jié)放置于織物手套內(nèi)部手指上方的驅(qū)動器內(nèi)通入氣體壓力使之產(chǎn)生彎曲變形，帶動患者手部運動完成康復(fù)訓(xùn)練和物品抓取。實驗中抓取物品參數(shù)如表2所示。

圖11 康復(fù)裝置實驗平臺

表2 實驗物品參數(shù)

圖12所示為氣壓下康復(fù)裝置手指動作與位姿。將驅(qū)動器固定在模型手單根手指上方，施加氣壓后，可見模型手指在驅(qū)動器帶動下產(chǎn)生彎曲運動，將它放置于織物手套內(nèi)同樣可驅(qū)動模型手指完成手指康復(fù)訓(xùn)練所需動作。通過驅(qū)動器的相互配合，可驅(qū)動手指實現(xiàn)ok、蘭花指和握拳等動作，可見康復(fù)裝置動作靈活、柔順，能夠輔助患者手部進行康復(fù)訓(xùn)練，實現(xiàn)抓、握和捏等基本功能。

圖12 手指動作與位姿

圖13所示為患者穿戴康復(fù)裝置對物品進行抓取。未進行穿戴(空置時)，氣壓下裝置可自行完成物品抓取，如圖13(a)(b)所示。在氣壓為0.1 MPa時，即可穩(wěn)定抓取直徑為83 mm的蘋果和質(zhì)量為517 g的水杯。當患者穿戴以后，在裝置的輔助下，可以穩(wěn)定抓取日常物品，如拾取水果和端水杯等。

圖13 物品抓取

實驗結(jié)果表明，文中采用氣動軟體設(shè)計的手功能康復(fù)裝置具有較好的柔順性、動作靈活和安全可靠，可用于輔助患者手功能康復(fù)訓(xùn)練，實現(xiàn)包括抓、握和捏等手部基本運動功能。

4 結(jié)論

基于2種氣動軟體驅(qū)動器設(shè)計了手功能康復(fù)裝置,研究了驅(qū)動器制作工藝并獲得了其氣壓下形變規(guī)律。通過控制驅(qū)動器氣腔內(nèi)氣體壓力，即可驅(qū)動手指完成屈、伸運動，輔助患者進行康復(fù)訓(xùn)練和實現(xiàn)手部基本運動功能。進行了驅(qū)動器靜力學(xué)、裝置位姿和不同物品抓取實驗。經(jīng)驗證，該康復(fù)裝置柔順靈活、控制簡單、安全可靠，其指端的彎曲角度和輸出力均滿足患者康復(fù)訓(xùn)練和日常生活需要，可穩(wěn)定抓取直徑為83 mm的蘋果和質(zhì)量為517 g的水杯。