基于牽引療法的多關(guān)節(jié)便攜式手部康復(fù)機器人設(shè)計

劉建坤 劉明亮 梁勇楠 李攀

摘 要：本文針對手部康復(fù)訓(xùn)練需求，設(shè)計了一種基于牽引療法的手部多關(guān)節(jié)便攜式康復(fù)機器人，繪制了康復(fù)機器人的三維模型，并運用 Rhinoceros5.0 對機構(gòu)進一步優(yōu)化建模。經(jīng)過仿真分析驗證所設(shè)計的模型具有機構(gòu)簡單、穿戴方便、輕量便攜等特點，能較好地實現(xiàn)了手指0 ～ 90°彎曲運動，滿足關(guān)節(jié)運動及韌帶拉伸的康復(fù)訓(xùn)練需求。

關(guān)鍵詞：柔索牽引；手部康復(fù)；便攜式設(shè)計；醫(yī)療器械

1 引言

由中風等疾病引起的患者手部運動障礙，除了前期手術(shù)和藥物治療以外，術(shù)后科學(xué)的康復(fù)訓(xùn)練對患者的恢復(fù)起至關(guān)重要的幫助。研究表面大腦皮層運動控制區(qū)域損壞后，在經(jīng)過訓(xùn)練后可以由其它區(qū)域代替。因此只要做相應(yīng)的康復(fù)訓(xùn)練，偏癱患者便能夠恢復(fù)部分或者全部運動功能。

傳統(tǒng)的手部康復(fù)訓(xùn)練都是在醫(yī)師指導(dǎo)下，借助一些簡單工具進行康復(fù)訓(xùn)練，這種訓(xùn)練不但效率低，而且對醫(yī)師的要求也比較高，且每個醫(yī)師一次只能針對一名患者進行康復(fù)訓(xùn)練的指導(dǎo)。醫(yī)師的數(shù)量與質(zhì)量嚴重不足，導(dǎo)致大量患者延誤了最佳治療時間。因此，手部康復(fù)機器人成為研究熱點。

2 整體系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計思路分析

本方案設(shè)計了一種基于牽引療法的手部康復(fù)機器人，包括電機、五個指關(guān)節(jié)組、齒輪組、滑輪組、柔索牽引裝置、腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動裝置、手部固定部分及連接部分。手部康復(fù)機器人為仿人形狀，指關(guān)節(jié)部分設(shè)置五組多關(guān)節(jié)手指將機器人本體與人手緊密連接在一起，固定后可以通過各個關(guān)節(jié)的扭簧及指關(guān)節(jié)背部的柔索牽引實現(xiàn)指關(guān)節(jié)的屈伸，通過機器人不斷帶動人手指進行彎曲/伸展運動可以實現(xiàn)手部康復(fù)訓(xùn)練，同時在腕關(guān)節(jié)位置放置兩組二級減速齒輪組，可以實現(xiàn)腕關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動訓(xùn)練，進而保障訓(xùn)練效果。

2.2 整體機構(gòu)設(shè)計

通過設(shè)置末端牽引機構(gòu)搭配扭簧蓄力，可以帶動人手指及腕關(guān)節(jié)進行康復(fù)訓(xùn)練，牽引力控制更加柔順。通過設(shè)置兩組二級減速齒輪可以實現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練過程中腕關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，加入腕關(guān)節(jié)自由度可以大幅度提升康復(fù)治療效果，其三維模型如圖2-1所示。該手部康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，適用于手部殘疾患者，康復(fù)效果良好且容易實現(xiàn)批量生產(chǎn)。

3 指關(guān)節(jié)驅(qū)動設(shè)計

本方案設(shè)計的指關(guān)節(jié)驅(qū)動模型如圖3-1所示，包括五個指關(guān)節(jié)組，每個指關(guān)節(jié)組由4個指關(guān)節(jié)構(gòu)成，每個指關(guān)節(jié)都根據(jù)人體生理學(xué)尺寸進行設(shè)計，并可以與人體手指緊密貼合。每兩個指關(guān)節(jié)之間通過指關(guān)節(jié)軸進行連接，每個關(guān)節(jié)外側(cè)都有孔，柔索可以穿過孔并牽引各個關(guān)節(jié)進行運動，每兩個關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)有扭簧提供預(yù)緊力。同時各個指關(guān)節(jié)在根關(guān)節(jié)處通過鎖緊螺釘與鎖緊螺母固定在固定架上。

4 腕關(guān)節(jié)設(shè)計

本方案在機器人腕關(guān)節(jié)位置設(shè)置了齒輪組。其內(nèi)置滑輪組及齒輪軸，齒輪軸上開有鍵槽，通過鍵與五個滑輪組連接?；喩侠@有柔索并與指關(guān)節(jié)的柔索連接。齒輪軸兩側(cè)的兩個齒輪分別與一個齒輪相嚙合。當齒輪軸轉(zhuǎn)動時一方面可以驅(qū)動滑輪牽引柔索拉動指關(guān)節(jié)進行屈伸，一方面可以通過齒輪驅(qū)動腕關(guān)節(jié)連接架進行轉(zhuǎn)動。

同時在機器人腕關(guān)節(jié)位置固定有腕關(guān)節(jié)固定卡扣，可以方便地將人手腕與機器人固定到一起，同時還可以調(diào)節(jié)固定的松緊程度以滿足不同體型用戶的需求。齒輪組內(nèi)側(cè)固定有腕關(guān)節(jié)套筒，腕關(guān)節(jié)套筒由柔性材料構(gòu)成，一方面可以進一步緊密固定人手與康復(fù)器械，另一方面可以避免機器對人體造成傷害。

5 安全性考量

康復(fù)機器人的設(shè)計應(yīng)避免對患者造成二次傷害，所以本方案不僅在關(guān)鍵位置采用柔性材料，而且在驅(qū)動上加入了三重保護機制?？祻?fù)機器人正常運行時由軟件分析數(shù)據(jù)并進行控制，軟件會控制康復(fù)機器人只在固定位移范圍內(nèi)運動。當軟件控制異常導(dǎo)致康復(fù)機器人運動超出安全范圍時，滑輪組會觸碰限位開關(guān)給電機緊急斷電，當限位開關(guān)異常導(dǎo)致電機未斷電時，滑輪組會觸碰機器人的機械限位阻止其繼續(xù)轉(zhuǎn)動，從而在最大限度上保障患者安全。

6機構(gòu)優(yōu)化

將本方案設(shè)計的三維模型根據(jù)1：1比例繪制完成后，進行運動學(xué)仿真分析。仿真驗證表明，機構(gòu)設(shè)計基本滿足五指康復(fù)訓(xùn)練需求，但仍存在手指前端易脫落，末端牽引機構(gòu)無法大角度轉(zhuǎn)動等問題，故需進一步優(yōu)化機構(gòu)設(shè)計。

運用 Rhinoceros5.0 對機構(gòu)進一步優(yōu)化建模。為使驅(qū)動機構(gòu)運行更加順暢，在齒輪組中增加兩個電源散熱環(huán)。同時，將電源系統(tǒng)集中在中心手背區(qū)域。每個指關(guān)節(jié)設(shè)計為獨立的U型外殼結(jié)構(gòu)，且有獨立的環(huán)形內(nèi)網(wǎng)支撐，可以在理論上解決上述問題。

7總結(jié)

本文設(shè)計了一種基于牽引療法的手部康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)，繪制了康復(fù)機器人的三維模型并以食指關(guān)節(jié)為代表進行指關(guān)節(jié)訓(xùn)練的仿真驗證，運用Rhinoceros5.0軟件進行模型優(yōu)化。通過仿真分析，為制作手部康復(fù)機器人實物模型奠定了基礎(chǔ)。該機構(gòu)設(shè)計與控制方法基本滿足中風患者手部康復(fù)需求，具有機構(gòu)簡單、穿戴方便、輕量便攜等特點，但其醫(yī)療作用仍需進一步驗證。

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