SMA絲驅(qū)動(dòng)的手指康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

2劉 凱趙東標(biāo)

(1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016; 2.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

0 引言

正常人手指的運(yùn)動(dòng)是由中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制多條肌肉從而實(shí)現(xiàn)不同的手指功能運(yùn)動(dòng)[1]。目前隨著人們生活節(jié)奏的加快以及不規(guī)律，上肢神經(jīng)卡壓、腦卒中等疾病不斷出現(xiàn)，造成了患者多種神經(jīng)功能的損傷，使患者失去了對(duì)手指運(yùn)動(dòng)的控制，影響了患者的工作能力和生活品質(zhì)。國(guó)內(nèi)外專家提出可以通過(guò)高強(qiáng)度、重復(fù)性的手部運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練刺激大腦皮質(zhì)層來(lái)幫助患者逐漸恢復(fù)手指運(yùn)動(dòng)功能[2-3]。因此將機(jī)器人技術(shù)與康復(fù)理論相結(jié)合，研制穩(wěn)定可靠地手指康復(fù)機(jī)器人來(lái)輔助手部關(guān)節(jié)及手指屈曲伸展運(yùn)動(dòng)的康復(fù)訓(xùn)練，加快人手運(yùn)動(dòng)康復(fù)速度，在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

近年來(lái)，手指康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要采用外骨骼結(jié)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)方式主要有繩索驅(qū)動(dòng)[4-8]、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)[9-12]、形狀記憶合金絲驅(qū)動(dòng)[13-14]等。2013-2017年韓國(guó)首爾大學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室[15-16]研制出了由筋線驅(qū)動(dòng)的可穿戴手套Exo-Glove Poly，采用聚合物和纖維織物制作而成，筋線分布模擬手指肌腱。Exo-Glove Poly內(nèi)置控制器，可以接受使用者腦部發(fā)出的電信號(hào)，然后通過(guò)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)柔性手套。食指和中指掌側(cè)僅采用一根筋線驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)兩指的協(xié)同運(yùn)動(dòng)。經(jīng)試驗(yàn)，該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕便，易于穿戴，可抓握10 N的物體并且適應(yīng)多種不規(guī)則形狀的物體。2015-2016年[11-12]，新加坡國(guó)立大學(xué)研制出氣動(dòng)柔性執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的手指康復(fù)機(jī)器人。該機(jī)器人采用氣動(dòng)纖維增強(qiáng)軟體執(zhí)行器，以硅橡膠為制作材料，通過(guò)處理采集執(zhí)行器內(nèi)部壓力和彎曲角度等信號(hào)，控制腔內(nèi)壓力大小，從而改變執(zhí)行器彎曲角度。在增壓過(guò)程中，執(zhí)行器可以產(chǎn)生足夠的力來(lái)輔助患者在不同人物中完成手指閉合和抓取運(yùn)動(dòng)?？刂撇糠植捎帽砻婕‰娦盘?hào)(EMG)和射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)來(lái)獲取使用者的運(yùn)動(dòng)意圖，從而控制手指康復(fù)機(jī)器人完成相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。2013-2016年[17]，瑞士蘇黎世理工學(xué)院采用三層滑動(dòng)彈簧片的結(jié)構(gòu)來(lái)傳遞直線電機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)力，從而帶動(dòng)手指實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)位于中間層的主動(dòng)滑動(dòng)彈簧片產(chǎn)生位移，導(dǎo)致三層彈簧片之間產(chǎn)生相互作用力，使得彈簧片彎曲。經(jīng)驗(yàn)證，該機(jī)器人可以舉起1 L的礦泉水。

目前手指康復(fù)機(jī)器人的研究已經(jīng)逐漸脫離剛性的外骨骼結(jié)構(gòu)，采用貼合手指的無(wú)關(guān)節(jié)柔性設(shè)計(jì)，具有高效、高柔性、便攜性高等優(yōu)點(diǎn)，已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。本文在手指生物結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，提出了一種SMA絲驅(qū)動(dòng)的柔性手指康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)，建立了康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)模型。試驗(yàn)研究了手指康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能和抓握性能。

1 SMA驅(qū)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手指康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建立在人手生物結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，同時(shí)需要考慮人體工程學(xué)和臨床康復(fù)的需求。合理的結(jié)構(gòu)才能更好地輔助人手進(jìn)行連續(xù)的訓(xùn)練活動(dòng)，最大程度地實(shí)現(xiàn)康復(fù)功能[18]。

1.1 手指生物仿生基礎(chǔ)

手指的運(yùn)動(dòng)依賴于其內(nèi)部肌肉、韌帶、滑車等結(jié)構(gòu)之間復(fù)雜的協(xié)同和拮抗作用。除拇指外的四指均具有四個(gè)自由度，遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié)(DIP)和近端指間關(guān)節(jié)(PIP)為單自由度的鉸鏈連接，可實(shí)現(xiàn)手指在矢狀面內(nèi)的屈曲伸展運(yùn)動(dòng)；掌骨關(guān)節(jié)(MCP)為兩個(gè)軸線垂直相交的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的鞍型連接，不僅可實(shí)現(xiàn)矢狀面內(nèi)的屈曲伸展，還可以實(shí)現(xiàn)冠狀面內(nèi)的外展內(nèi)收運(yùn)動(dòng)。拇指主要有掌指關(guān)節(jié)(MCP)和指間關(guān)節(jié)(IP)。

手指肌肉由肌腱和肌腹組成。肌腱用于連接肌腹和骨骼，使肌肉附著并固定在骨骼上，但是肌腱本身不具備收縮能力，只是將肌腹收縮產(chǎn)生的力傳導(dǎo)至骨骼，類似于繩索傳動(dòng)的方式。

根據(jù)肌肉起點(diǎn)的不同，可以將手指肌肉分為外在肌和內(nèi)在肌。手指生物結(jié)構(gòu)如圖1所示。外在肌(指深屈肌FDP、指淺屈肌FDS、指伸肌EDC)的起點(diǎn)在前臂，通過(guò)較長(zhǎng)的肌腱與手指骨骼相連，是手指關(guān)節(jié)屈曲伸展的主要?jiǎng)恿?lái)源。內(nèi)在肌(蚓狀肌LU、尺側(cè)肌UI、橈側(cè)肌RI)的起點(diǎn)在手指內(nèi)部并直接與骨骼相連，主要負(fù)責(zé)關(guān)節(jié)處的約束平衡和微調(diào)，控制手指完成精細(xì)操作[19]以及實(shí)現(xiàn)手指的外展內(nèi)收運(yùn)動(dòng)等。表1總結(jié)了四指內(nèi)部主要肌肉的功能。

圖1 手指生物結(jié)構(gòu)圖

表1 四指主要肌肉功能

人手的運(yùn)動(dòng)自由度較多，手指運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)需要康復(fù)機(jī)器人順應(yīng)手指自身屈曲伸展運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)手指生物結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，是手指康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是康復(fù)策略和評(píng)價(jià)機(jī)制構(gòu)建的前提。

1.2 手指康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 布絲方式

根據(jù)1.1節(jié)的手指生物仿生基礎(chǔ)并進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化來(lái)設(shè)計(jì)康復(fù)機(jī)器人內(nèi)部的布絲方式。手指的屈曲運(yùn)動(dòng)主要由掌側(cè)起源于DIP關(guān)節(jié)處的指深屈肌FDP提供驅(qū)動(dòng)力，而其伸展運(yùn)動(dòng)則由背側(cè)的指伸肌EDC提供，如圖2(a)所示。因此，在手指掌側(cè)屈肌腱和背側(cè)伸肌腱對(duì)應(yīng)的位置上各排布一組牽引線，將其一端與機(jī)器人上指尖固定套相連，另一端與SMA絲致動(dòng)器相連，通過(guò)SMA絲的交替加熱收縮來(lái)模擬屈伸肌腱，從而驅(qū)動(dòng)三個(gè)關(guān)節(jié)，如圖2(b)所示。

圖2 手指康復(fù)機(jī)器人布絲仿生原理及示意圖

圖2(b)中黑色區(qū)域是模擬手指內(nèi)部用于固定肌腱的滑車，用于固定絲線，防止絲線在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中偏移或滑落手指并確定其運(yùn)動(dòng)路徑。本文絲線選用線號(hào)為3.0的魚線，可最大承受50 N的拉力。

1.2.2 手指康復(fù)機(jī)器人基體設(shè)計(jì)

由于在手指屈曲伸展過(guò)程中，人手指關(guān)節(jié)軸線和旋轉(zhuǎn)中心是在不斷變化的，因此剛性結(jié)構(gòu)的康復(fù)機(jī)器人無(wú)法完全貼合手指運(yùn)動(dòng)，甚至可能會(huì)對(duì)手指造成二次傷害。理想的手指康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)應(yīng)該能適應(yīng)不同患者的手指外形差異，同時(shí)具有柔軟、輕便等優(yōu)點(diǎn)。因此，綜合考慮穿戴方式和舒適性，本文采用柔性材料TPU作為康復(fù)機(jī)器人的基體，以手套為原型設(shè)計(jì)其無(wú)關(guān)節(jié)軟體的結(jié)構(gòu)，不僅可以較好地貼合手指運(yùn)動(dòng)，還保證了耐磨性，如圖3所示。

圖3 手指康復(fù)機(jī)器人基體設(shè)計(jì)

由于在日常生活中，食指、中指和大拇指提供了主要的運(yùn)動(dòng)和抓握力的來(lái)源，因此本文的基體設(shè)計(jì)僅考慮三指?；w前側(cè)用圓環(huán)結(jié)構(gòu)，起到固定手指和絲線的作用，并給手指屈曲留有一定的空間?；w背側(cè)采用菱形結(jié)構(gòu)，可以被拉伸從而適配不同人手指的長(zhǎng)度。手掌位置處設(shè)有絲線路徑規(guī)劃的導(dǎo)程，避免絲線相互纏繞。除此之外，在虎口和手腕相應(yīng)位置處，均設(shè)計(jì)有搭扣的表帶結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)實(shí)際手長(zhǎng)手寬尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而固定手指與基體的連接。

1.2.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

由于SMA絲應(yīng)變較低(最大應(yīng)變僅為5%)，因此為了提供足夠的收縮量，每根SMA絲所需的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于前臂長(zhǎng)度。針對(duì)該問(wèn)題，設(shè)計(jì)了往復(fù)折返布絲式增程機(jī)構(gòu)，放置在驅(qū)動(dòng)盒內(nèi)，來(lái)確保滿足手指屈伸變形的行程要求，如圖4所示。

圖4 增程機(jī)構(gòu)

增程機(jī)構(gòu)主要采用滑輪裝置，SMA絲纏繞在滑輪組上，盡量保證繃直，減少SMA絲收縮行程的浪費(fèi)。一旦SMA絲受熱收縮，就會(huì)帶動(dòng)與手指直接貼合的牽引線移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)手指關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)。增程機(jī)構(gòu)的大小為8*25 cm2，滑輪外徑為12 mm。在驅(qū)動(dòng)盒內(nèi)還裝有風(fēng)扇，保障在SMA絲處于過(guò)熱狀態(tài)時(shí)能夠及時(shí)散熱。

2 SMA驅(qū)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人模型

SMA絲加熱收縮后的應(yīng)力和應(yīng)變直接驅(qū)動(dòng)手指三關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)抓握等運(yùn)動(dòng)。仿生康復(fù)手套的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是研究了SMA絲應(yīng)變和關(guān)節(jié)角度之間的關(guān)系。力學(xué)模型則是研究了SMA絲應(yīng)力和抓握時(shí)指尖力的大小，目的是獲取所能抓握物體的最大力。

2.1 手指康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

為了便于分析，將手指生理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為開(kāi)鏈的多剛體系統(tǒng)。手指指骨(遠(yuǎn)端指骨，中節(jié)指骨，近端指骨和掌骨)為四段相連的剛體，各節(jié)段用矩形表示，如圖5所示。

圖5 手指康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

坐標(biāo)建立在手指掌骨第一個(gè)圓環(huán)固定處，y軸為掌骨中軸線方向。圖中Li、di和ui(i=0,1,2,3)分別表示掌骨、近端指骨、中節(jié)指骨和遠(yuǎn)端指骨的長(zhǎng)度、厚度的一半以及中軸線方向。

ui=Ri-1·ui-1

(1)

式中,R為對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)之間的旋轉(zhuǎn)變換矩陣。

vi=Li·ui

(2)

根據(jù)圖5建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型方程如下：

P1=[d1,0]T

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

根據(jù)上式，輸入相應(yīng)的角度可以計(jì)算出，達(dá)到需求角度，SMA絲所需要的收縮長(zhǎng)度，如下式：(手指運(yùn)動(dòng)初始狀態(tài)默認(rèn)為三關(guān)節(jié)角度均為0°時(shí)):

(9)

εE=d1θ1+d2θ2+d3θ3

(10)

式中，εF和εE分別表示達(dá)到特定角度時(shí)，手指掌側(cè)和背側(cè)SMA絲需要收縮的長(zhǎng)度。由此可以獲得達(dá)到手指屈曲最大角度時(shí)，所需要的SMA絲收縮量為45.8 mm。根據(jù)SMA絲應(yīng)變低的特點(diǎn)并留有一定的富余，每根手指采用1 m的SMA絲進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

2.2 手指康復(fù)機(jī)器人力學(xué)模型

在抓取物體時(shí)，SMA絲收縮產(chǎn)生的拉動(dòng)絲線的應(yīng)力會(huì)在物體和指尖之間產(chǎn)生兩個(gè)方向相互垂直的切向力和法向力，如圖6所示。法向力可以克服指尖和物體之間的摩擦，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的抓握?；谔摴υ?，利用手指與軟體康復(fù)手套之間的位移協(xié)調(diào)與力平衡機(jī)制，建立如下方程：

FSMA1·δε1+FSMA2·δε2+Fn·δx+Ft·δx=0

(11)

ε1=-εEj

(12)

ε2=-εFj

(13)

x=(L1sinθ1+L2sin(θ1+θ2)+L3sin(θ1+θ2+θ3))i+

(L1cosθ1+L2cos(θ1+θ2)+L3cos(θ1+θ2+θ3))j

(14)

圖6 手指康復(fù)機(jī)器人力學(xué)模型

由于手指內(nèi)部肌肉的協(xié)同作用，DIP和PIP的關(guān)節(jié)角度之間存在一定關(guān)系[20]，如下式：

(15)

根據(jù)上述公式(12)～(15)可以推導(dǎo)出SMA絲收縮產(chǎn)生的力FSMA與Fn之間的關(guān)系：

0.30FSMA≤Fn≤0.65FSMA

(16)

3 試驗(yàn)

3.1 手指康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)

本文選用TiNi基SMA絲作為手指仿生康復(fù)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器，直徑0.3 mm，電阻率1.11(10-6Ω·m，相變溫度為60℃。樣機(jī)分為基體部分和驅(qū)動(dòng)部分，如圖7所示?；w部分總重65 g，驅(qū)動(dòng)部分總重328 g。由于驅(qū)動(dòng)部分直接放置在桌面上，僅基體部分穿戴在手指上，因此樣機(jī)整體輕便緊湊，不會(huì)加重手指的負(fù)擔(dān)，適合成為日?？祻?fù)的工具。

圖7 手指康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的手指仿生康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)的性能，對(duì)其運(yùn)動(dòng)性能和抓握性能進(jìn)行試驗(yàn)。受試者在右手上穿戴樣機(jī)后，將前臂和手放置在前方的桌子上，并被要求完全放松右手。三組SMA絲驅(qū)動(dòng)電壓為20 V，通過(guò)單根SMA絲的最大電流值為0.8 A。

3.2 運(yùn)動(dòng)性能試驗(yàn)

受試者穿戴上手指康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)之后，在不抓握任何物體的前提下，研究樣機(jī)的自由運(yùn)動(dòng)性能。由樣機(jī)帶動(dòng)手指從初始狀態(tài)(三關(guān)節(jié)角度均為0°)到最大屈曲位置，使用攝像機(jī)對(duì)每次的試驗(yàn)進(jìn)行視頻錄制，每秒測(cè)量并記錄3個(gè)關(guān)節(jié)的角度值，其位置運(yùn)動(dòng)序列如圖8所示。

圖8 20 V電壓下樣機(jī)屈曲過(guò)程圖像序列

三指各關(guān)節(jié)屈曲和伸展的平均最大角度見(jiàn)表2，并與健康人手所能達(dá)到的平均最大角度[2]進(jìn)行比較。

表2 健康人手和康復(fù)機(jī)器人所達(dá)到的平均最大角度

從表2中可以看出康復(fù)機(jī)器人平均最大角度大概是正常人手的85%。雖然屈曲伸展幅度小于正常人手，但是已經(jīng)可以滿足日常生活中對(duì)手指運(yùn)動(dòng)范圍的需求。表中手指MCP關(guān)節(jié)的角度都與實(shí)際差值最大，是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)阻擋了一部分MCP關(guān)節(jié)的行程。因此在后續(xù)的研究中，需要改進(jìn)相應(yīng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，增加MCP關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，康復(fù)機(jī)器人從初始狀態(tài)到完全屈曲狀態(tài)平均時(shí)間8 s，從完全屈曲狀態(tài)到完全伸展?fàn)顟B(tài)時(shí)間10 s，響應(yīng)時(shí)間較快，可以滿足日常要求。

3.3 抓握性能試驗(yàn)

為了測(cè)試樣機(jī)的抓握性能，進(jìn)行了以下三個(gè)方面的試驗(yàn)：指尖力變化試驗(yàn)，抓握力試驗(yàn)以及抓握不同形狀物體試驗(yàn)。

3.3.1 指尖力試驗(yàn)

受試者放松手指，將指尖放置在壓力傳感器上，保持手指初始狀態(tài)姿勢(shì)進(jìn)行試驗(yàn)，如圖9所示，分別測(cè)試手指康復(fù)機(jī)器人能提供的最大指尖力。

圖9 指尖力試驗(yàn)示意圖

壓力傳感器選用電阻式薄膜壓力傳感器FSR402，外徑18 mm，壓力感應(yīng)范圍為0.2～60 N。使用20 V電壓驅(qū)動(dòng)SMA絲，記錄下拇指、食指和中指在SMA絲的驅(qū)動(dòng)下各自的指尖力變化曲線，如圖10所示。

圖10 拇指、食指和中指的指尖力變化曲線

從圖中可以看出，拇指、食指和中指最大指尖力分別為11 N、18 N和21 N。2011年H.In等人[20]認(rèn)為18 N的力足以完成日常的抓握任務(wù)，因此本文研制的手指仿生康復(fù)機(jī)器人滿足基本的指尖力需求。除此之外，測(cè)量了SMA絲在最大指尖力時(shí)的拉力分別為24 N、40 N和47 N，約為0.46倍的指尖力，因此滿足3.2節(jié)中所提出的力學(xué)模型。

3.3.2 抓握不同形狀物體試驗(yàn)

為了體現(xiàn)本文所研制的手指康復(fù)機(jī)器人的高適用性和高柔性，因此抓握以下不同形狀的物體，測(cè)試其抓握性能，如圖11所示。

圖11 手指康復(fù)機(jī)器人輔助抓握不同形狀物體試驗(yàn)

圖11中第一排為抓握物體的主視圖，第二排為俯視圖。所選擇物體質(zhì)量從10 g到266 g，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證可以看出手指康復(fù)機(jī)器人能夠幫助手指較好地抓握日常用品。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析手指生物結(jié)構(gòu)和肌肉骨骼致動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，研制了一種形狀記憶合金絲驅(qū)動(dòng)的柔性結(jié)構(gòu)手指康復(fù)機(jī)器人，研究其運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)模型。為滿足機(jī)器人輕便、可攜帶的特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)上將其做成手套的形式，并使用柔性材料TPU作為手指康復(fù)機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)，形狀記憶合金絲作為驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)控制SMA絲的收縮來(lái)輔助手指實(shí)現(xiàn)屈曲伸展等運(yùn)動(dòng)功能。通過(guò)對(duì)手指康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)運(yùn)動(dòng)性能和抓握性能的實(shí)驗(yàn)研究，可以看出機(jī)器人不僅能夠?qū)崿F(xiàn)正常人手的功能性活動(dòng)范圍，較靈活，還能夠增加人手的抓握力，從而減少手指肌肉的壓力。其屈曲伸展程度可達(dá)正常人手范圍的85%，單指最大指尖力為18 N。因此，為未來(lái)手指康復(fù)機(jī)器人的研制提供了一種可行的方案。之后會(huì)將傳感器加入機(jī)器人的控制中，基于電阻反饋來(lái)控制SMA絲的精確收縮，從而直觀地控制機(jī)器人的力和角度。除此之外，手指之間的協(xié)同運(yùn)動(dòng)康復(fù)功能也會(huì)在加入未來(lái)的控制研究中。