手部關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真

高 宏，劉相權(quán)，米 潔，劉 星

（北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192）

手部關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真

高 宏，劉相權(quán)，米 潔，劉 星

（北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192）

0 引言

目前針對(duì)中風(fēng)患者和手部手術(shù)患者的后期康復(fù)工作，基本上都是由醫(yī)生或護(hù)理人員憑借自身經(jīng)驗(yàn)通過(guò)手把手的方式來(lái)完成的。調(diào)研顯示，通常情況下，手部手術(shù)患者在術(shù)后1～7天之后拆除敷料，然后便開(kāi)始進(jìn)行必要的手部康復(fù)訓(xùn)練，每天至少3次，每次重復(fù)同樣的康復(fù)動(dòng)作，一般要持續(xù)到第12周；而且每位醫(yī)生都要負(fù)責(zé)很多名病人的康復(fù)工作，顯然對(duì)于醫(yī)護(hù)人員來(lái)說(shuō)，這樣的工作量是非常大的；另外從康復(fù)效果出發(fā)，每次康復(fù)訓(xùn)練的力量和角度等把握是很重要的。這樣的康復(fù)訓(xùn)練方式，顯然存在著效率低下，力量和角度把握不夠精準(zhǔn)等缺點(diǎn)。

研制相應(yīng)的手部康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人可以彌補(bǔ)這方面的不足，在減輕醫(yī)護(hù)人員工作量同時(shí)，可以通過(guò)傳感設(shè)備針對(duì)不同患者自動(dòng)調(diào)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練時(shí)的力量和角度，同時(shí)采集患者手部運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，便于醫(yī)生對(duì)其恢復(fù)情況進(jìn)行分析，從而制定更為適合的康復(fù)方案。隨著康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人技術(shù)的研究和發(fā)展，這樣的產(chǎn)品必然會(huì)真正走入殘疾人和老年人的生活，為他們提供豐富的幫助，改善他們的生活質(zhì)量。本文討論一種用于手部關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及康復(fù)訓(xùn)練效果的仿真驗(yàn)證。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)人手結(jié)構(gòu)，對(duì)手部的康復(fù)訓(xùn)練包括手指各關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)、腕關(guān)節(jié)的彎曲運(yùn)動(dòng)以及腕關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)三個(gè)方面[1～3]。設(shè)計(jì)的手部關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人結(jié)構(gòu)上采用幾種配件靈活配置組合的方案滿足上述三方面的要求，具體如下。

1）手指各關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)

圖1 手指關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)配置

如圖1所示，手指關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)主要通過(guò)轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)臂、指卡等部件來(lái)實(shí)現(xiàn)，在使用時(shí)，首先將手掌固定好，將指卡、連桿和轉(zhuǎn)臂按圖中所示連接好，通過(guò)后續(xù)編程控制，調(diào)整轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度。由于手指關(guān)節(jié)之間存在一定的阻尼，當(dāng)轉(zhuǎn)臂隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，將會(huì)通過(guò)連桿和指卡帶動(dòng)手指第一指節(jié)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手指的屈伸。當(dāng)手指進(jìn)行屈伸時(shí)，指尖與轉(zhuǎn)軸之間的距離將會(huì)發(fā)生變化，這時(shí)滑塊將會(huì)在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，以補(bǔ)償尺寸變化，變化后的距離靠預(yù)裝的彈簧彈力進(jìn)行恢復(fù)。除拇指外，其余四根手指按照此方法即既可以同時(shí)屈伸鍛煉，也可以有針對(duì)性的單獨(dú)屈伸鍛煉。拇指屈伸運(yùn)動(dòng)的康復(fù)與其它手指類似，不同的是需要將手掌豎直固定。

圖2 腕關(guān)節(jié)彎曲運(yùn)動(dòng)配置

2）腕關(guān)節(jié)的彎曲運(yùn)動(dòng)

腕關(guān)節(jié)的彎曲運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)與手指關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)相似，不同的是在使用時(shí)，首先將手掌和手臂分別固定在手掌固定架和手臂固定架上，如圖2所示，然后通過(guò)后續(xù)編程控制，調(diào)整轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)的彎曲訓(xùn)練。當(dāng)轉(zhuǎn)軸往復(fù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)臂通過(guò)手掌固定架帶動(dòng)手掌上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手腕在垂直于手掌方向上的屈伸；豎直固定手掌，并適當(dāng)調(diào)整角度，便可實(shí)現(xiàn)手腕在手掌平面內(nèi)的屈伸。

3）腕關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

腕關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)改變轉(zhuǎn)臂的形狀，并改變固定方式，使腕關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸與機(jī)器人的轉(zhuǎn)軸軸線處于同軸狀態(tài)即可實(shí)現(xiàn)。

最終完成的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中圖3(a)是一種配置狀態(tài)，用于實(shí)現(xiàn)手指關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)，如果將上面的指卡去掉，并重新固定則可以實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)的彎曲運(yùn)動(dòng)；圖(b)是另一種配置狀態(tài)，用以實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖3 康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人結(jié)構(gòu)總成

2 運(yùn)動(dòng)仿真分析

根據(jù)前面的設(shè)計(jì)思想，在Pro/ENGINEER軟件中建立機(jī)器人各零件的三維幾何模型，并在裝配模塊中完成整機(jī)的虛擬裝配。在裝配過(guò)程中，充分考慮運(yùn)動(dòng)仿真的需要，將相對(duì)不發(fā)生運(yùn)動(dòng)的零件約束其全部相對(duì)自由度，將發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的零件之間定義為“銷釘”連接，如轉(zhuǎn)軸與機(jī)架之間的連接；將發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的零件之間定義為“滑動(dòng)桿”連接，如滑塊與導(dǎo)軌之間的連接，最終完成的運(yùn)動(dòng)仿真模型如圖4所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)仿真模型

完成虛擬裝配后，進(jìn)入Pro/ENGINEER的Mechanism模塊，添加伺服電機(jī)。并進(jìn)一步在Mechanism模塊中添加一個(gè)分析定義，設(shè)置仿真類型為“運(yùn)動(dòng)學(xué)”，經(jīng)過(guò)求解后，便可以得到一組運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果[4]。

2.1 指尖運(yùn)動(dòng)軌跡生成

根據(jù)仿真結(jié)果，以中指為例，定義測(cè)量為中指指尖的運(yùn)行軌跡，求解后可以得到中指指尖的運(yùn)行軌跡如圖5所示。通過(guò)對(duì)指尖運(yùn)動(dòng)軌跡的觀察，可以看出，手指彎曲和伸直的過(guò)程中，指尖位置所經(jīng)過(guò)的是不同的軌跡線。在手指彎曲過(guò)程中，中指劃過(guò)的軌跡是由c→a，而在手指伸直過(guò)程中，劃過(guò)的軌跡卻是由a→b→c。分析原因是由于中指各指節(jié)之間關(guān)節(jié)阻尼及復(fù)位彈簧的彈力造成的。如果定義不同大小的關(guān)節(jié)阻尼和彈簧剛度，則會(huì)獲得不同的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖5 中指指尖運(yùn)動(dòng)軌跡生成

實(shí)際上對(duì)于不同患者而言，其各關(guān)節(jié)的受損狀況或屈伸過(guò)程中的關(guān)節(jié)阻尼是復(fù)雜多樣的。對(duì)應(yīng)于不同大小的關(guān)節(jié)阻尼定義和一定的復(fù)位彈簧剛度條件下，在獲得指尖運(yùn)動(dòng)軌跡的同時(shí)，復(fù)位彈簧所受到的壓力也是不同的，進(jìn)一步研究可以獲得對(duì)應(yīng)壓力的具體變化規(guī)律。據(jù)此在復(fù)位彈簧末端安裝壓力傳感器，通過(guò)檢測(cè)傳感器反饋的受力變化情況，便可對(duì)應(yīng)于不同屈伸運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而輔助醫(yī)護(hù)人員了解患者被康復(fù)訓(xùn)練手指關(guān)節(jié)的實(shí)際狀態(tài)，并做出訓(xùn)練評(píng)價(jià)和指導(dǎo)。

2.2 指尖運(yùn)動(dòng)速度分析

定義測(cè)量為食指、中指、無(wú)名指、小指四個(gè)手指指尖末端一點(diǎn)的速度，求解后可以得到四個(gè)手指在做屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)指尖的速度曲線，如圖6所示。從圖中可以看出四條曲線的形狀基本相同，曲線總體變化較為平緩，但在兩個(gè)位置出現(xiàn)比較大的變化。一個(gè)位置是手指在屈伸銜接時(shí)刻，造成這一現(xiàn)象的原因，主要是由于關(guān)節(jié)阻尼及復(fù)位彈簧受力方向改變，引起的速度波動(dòng)；另一位置是在手指伸直接近終了時(shí)刻，變化最大的一條曲線反映的是中指指尖的速度，分析原因是由于中指相對(duì)其他手指較長(zhǎng)，在伸直過(guò)程中手指相對(duì)指卡的滑動(dòng)距離較大引起的，這一方面受指卡的結(jié)構(gòu)及尺寸影響較大。速度的波動(dòng)和突變對(duì)康復(fù)患者而言是非常不利的，設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量避免，上述分析方法和結(jié)論對(duì)改進(jìn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)有一定的指導(dǎo)意義。

圖6 四個(gè)手指指尖運(yùn)動(dòng)速度曲線

2.3 整機(jī)運(yùn)動(dòng)包絡(luò)

進(jìn)一步研究康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的空間包絡(luò)。根據(jù)整機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果，定義Pro/ENGINEER回放，并選擇創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，便可以得到整機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中占用的空間大小，如圖7所示，求得的最終空間體積約為0.017立方米，長(zhǎng)約450mm，寬約310mm，高約280mm，體積小巧，便于放置。此研究方法為獲得更簡(jiǎn)單的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，縮小整機(jī)尺寸提供了一定的參考。

圖7 整機(jī)運(yùn)動(dòng)包絡(luò)

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人結(jié)構(gòu)通過(guò)不同配件的組合配置，可以滿足對(duì)手部各關(guān)節(jié)不同形式康復(fù)訓(xùn)練的需要，可以從很大程度上減輕醫(yī)護(hù)人員工作量。文章首先對(duì)三種康復(fù)運(yùn)動(dòng)的實(shí)施從結(jié)構(gòu)配置上做了詳細(xì)說(shuō)明，緊接著在Pro/ENGINEER軟件中對(duì)整機(jī)進(jìn)行了三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真。仿真結(jié)果對(duì)進(jìn)一步完善機(jī)器人結(jié)構(gòu)、研究機(jī)器人的控制方法、以及如何對(duì)康復(fù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)給出了一定參考。

[1]甘代偉.手指康復(fù)機(jī)械手研究現(xiàn)狀[J].廣西輕工業(yè),2010,2:39-40.

[2]李慶玲,孫立寧,杜志江.上肢康復(fù)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀的分析與研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì),2008,9:1-3.

[3]王鵬.手指創(chuàng)傷功能康復(fù)機(jī)械手系統(tǒng)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.

[4]祝凌云,李斌.Pro/E運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析[M].北京:人民郵電出版社,2004.

Structural design and motion simulation of a rehabilitation training robot for hand joints

GAO Hong, LIU Xiang-quan, MI Jie, LIU Xing

根據(jù)手部康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中手指關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)、腕關(guān)節(jié)的彎曲運(yùn)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)這三方面的需求，設(shè)計(jì)了一種機(jī)器人結(jié)構(gòu)，建立了整機(jī)的三維模型，進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析，仿真結(jié)果對(duì)改進(jìn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)有一定指導(dǎo)意義。

手部康復(fù)；關(guān)節(jié)屈伸；運(yùn)動(dòng)仿真

高宏（1980 -），男，山西繁峙人，實(shí)驗(yàn)師， 博士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論、機(jī)器人技術(shù)。

TP24

A

1009-0134(2014)05(下)-0029-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).08

2014-02-19

北京教育委員會(huì)科技計(jì)劃面上項(xiàng)目（KM201311230223）；北京高等學(xué)?！扒嗄暧⒉庞?jì)劃”（YETP1495）