新型多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服

方藝芬，李遠利，曾惠瑩，李響，胡永楠，王子喬，熊磊湖北工業(yè)大學工業(yè)設計學院

新型多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服

方藝芬，李遠利，曾惠瑩，李響，胡永楠，王子喬，熊磊湖北工業(yè)大學工業(yè)設計學院

因神經損傷導致肢體運動功能障礙的患者日益增多。這將給家庭和社會帶來沉重的負擔，而康復訓練能讓癱瘓患者重新獲得日常生活自理能力。以神經可塑性為理論依據來進行肢體康復。本文將氣動肌肉和衣服有機組合，探索上肢智能康復技術經濟實用的新途徑。本項目擬研發(fā)的多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服。裝置采用氣動肌肉控制技術，這是目前最先進的技術，最大的優(yōu)勢是質量輕，柔順性好，患肢在進行運動時不會有明顯的束縛感，而且易于穿戴。

人工氣動肌肉；肢體康復；柔性；助力

肢體康復機器人是一個新興的領域，經過十幾年的發(fā)展，各種康復機器人大量涌現。從總體上看，國外發(fā)展較國內快。國外的肢體康復機器人在國內醫(yī)院已被患者使用，而在國內大多數康復機器人還在原型機階段。目前，康復機器人的驅動方式主要有電機驅動和氣動肌肉驅動，與電機驅動相比，采用氣動肌肉驅動具有成本低、質量輕、出力大、柔順性好、安全性高、噪音低等優(yōu)點?；贾谶M行運動時不會有明顯的束縛感，而且易于穿戴。考慮到患者患肢多較脆弱，在康復裝置設計中必須以安全性和柔順性為中心，故采用氣動肌肉做為康復裝置的驅動器更為合適。本研究設計了一種多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服，采用氣動肌肉驅動完成肩部外展、內收，肘部屈伸等動作。

1.氣動肌肉的結構和特點

氣動肌肉的主體結構由橡膠管和套在外面的纖維編織網組成，橡膠管和編織網在兩端通過接頭固定在一起，接頭主要起密封固定作用，另外接頭是外負載和氣動肌肉進行連接的地方，此外，氣動肌肉進氣管的安裝地方也通常放置在接頭處。當氣動肌肉充氣時，橡膠管膨脹并和纖維網緊緊貼緊，從而將氣體的壓力傳遞給纖維網轉化為拉力在編制網編織角度變大的同時，氣動肌肉在軸向方向收縮，從而帶動負載工作。氣動肌肉由于主題部分主要是橡膠和編制網等高分子材料，質量很輕，而出力很大。

2.人體上肢運動分析

由于人體上肢運動非常復雜，自由度較多，為了肌肉服對人體運動不產生太大的干涉，多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服要求結構簡單、安全便捷。因此研究上肢的各種基本運動。

動作形式是由上肢各環(huán)節(jié)共同參與完成的，上肢包括肩關節(jié)、上臂、肘關節(jié)、前臂、腕關節(jié)、手部。手部與前臂通過腕關節(jié)相連，前臂與上臂通過肘關節(jié)相連，上臂與軀干通過肩關節(jié)相連。人體手臂共有多個自由度。人上肢日常運動涉及的多個自由度，分別是：肩關節(jié)的屈/伸、外展/內斂和外旋/內旋、肘關節(jié)的屈/伸、腕關節(jié)的屈伸和外展/內斂；前臂的旋內/旋外。

3.結構設計

本多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服設計是根據人體肌肉的走向。以人機工程學、線牽引助力穿戴式裝備設計、材料學、人體運動、生物仿真、上肢壓力分布等為基礎，以及從主觀舒適度和客觀舒適度出發(fā)，全面系統(tǒng)地衡量了影響助力穿戴機械裝備舒適度的因素，最終確立了肌肉服助力裝備舒適度評價指標。繼而基于此標準對相關因素進行設計指導，包括結構、尺寸、關節(jié)自由度、重量重心、材料、連接裝置等。肱三頭肌控制手肘屈伸，前三角肌、后三角肌肩關節(jié)外展，胸大肌控制肩關節(jié)內旋、內收，岡下肌控制肩關節(jié)外旋內收，斜方肌二頭肌控制雙肩抬起和穩(wěn)定。

所設計的多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服模型如圖1、圖2、圖3所示。

整個裝置可穿戴在使用者身上，其中手臂可以實現肩部外展／內收，肘關節(jié)的屈／伸，肩部伸展和肘部的屈伸是通過氣動肌肉收縮完成，而其相反運動通過手臂自身的重力來實現。該肌肉服總共安裝4根氣動肌肉，每根肌肉后端連接氣泵，前端則直接與衣服連接。設計的多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服質量輕、穿戴方便、安全性能高、柔順性好、成本低，患肢在進行主動運動時不會有明顯的束縛感，可實現對患者上肢的運動功能康復訓練，此外，肌肉服的制造仿生人體肌肉，然后布局合理的佩戴在精確的位置。這些特點使“肌肉服”對穿著者沒有精確的規(guī)定即尺寸可靈活調整。易于穿戴且易于收納這種設計結構也增大了康復系統(tǒng)的適用范圍。多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服技術成熟和功能擴展后可應用到醫(yī)療、健身或特戰(zhàn)裝備、軍用運輸等領域，具有良好的市場應用前景和重大的技術推廣價值。

圖1 氣動肌肉分布圖

圖2 縫在夾層衣服中

圖3 穿戴后

4.控制系統(tǒng)及基本運動

整個肌肉服控制系統(tǒng)通過簡單開關控制氣壓的大小，達到上肢運動的效果。實際測量上肢康復機器人的基本運動范圍如下：肩部外展／內收為0°～90°；肘部屈／伸為0°～90°。

5.臨床試驗及結果

針對上述多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服，本文進行了初步的臨床試驗來評估整個裝置的性能以及臨床應用效果。

在整個試驗過程中，測試者穿上多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服后處于完全被動訓練模式，上肢康復機器人進行輔助訓練的跟蹤結果如圖所示，臨床試驗結果驗證了所設計的多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服的可用性和有效性。

研制的多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服能輔助病人完成肩部外展／內收，肘部屈／伸等功能運動訓練，這種新型多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服的特點是結構簡單，方便拆卸，柔順性好、質量輕、成本低、適合社區(qū)及家庭使用。試驗結果證明了所設計的多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服的可用性和有效性。實現更多的自由度，智能化運動控制技術，引入患者主動運動意識的意識觸發(fā)進行人-康復裝置的交互控制將是今后研究的重點方向。

[1]張秀峰,季林紅,王景新.輔助上肢運動康復機器人技術研究.清華大學學報（自然科學版）,2006,48（11）∶864-867

[2]隋立明.氣動技術在康復領域中的應用[A].中國機械工程學會流體傳動與控制分會.第四屆全國流體傳動與控制學術會議論文集[C].中國機械工程學會流體傳動與控制分會,2006∶4.

[3]吳軍.上肢康復機器人及相關控制問題研究[D].華中科技大學,2012.

[4]黃明,黃心漢,溫月,涂細凱.便攜式二自由度腕關節(jié)康復機器人設計[J].華中科技大學學報（自然科學版）,2013,（S1）∶329-331.

[5]王建.氣動肌肉驅動的康復機器人控制系統(tǒng)設計[D].華中科技大學,2011.

[6]楊唐柱,黃曉琳.上肢治療型康復機器人的研究進展[J].中國康復,2009,2（3）∶207-209.