一種連桿滑槽式手部康復(fù)外骨骼的設(shè)計(jì)與研究

王陳瑁，楊志鴻，汪 濤，管小榮

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

近年來(lái)腦卒中病人的數(shù)量逐年增長(zhǎng)，且該疾病對(duì)患者的人身健康和生活有很大危害，約70%的腦卒中存活者會(huì)出現(xiàn)不同程度的肢體功能障礙[1]，其中手功能受損會(huì)給患者的生活帶來(lái)不便。傳統(tǒng)康復(fù)治療手段的主要依據(jù)是康復(fù)醫(yī)療學(xué)中讓患肢的持續(xù)性被動(dòng)運(yùn)動(dòng)(CPM)理論[2]，但因醫(yī)師訓(xùn)練效率較低，人力成本較高，并沒(méi)有得到廣泛的普及。

手功能康復(fù)訓(xùn)練外骨骼屬于康復(fù)機(jī)器人的一種。近年來(lái)，機(jī)器人輔助康復(fù)逐漸成為醫(yī)療界和學(xué)術(shù)界的一大研究熱點(diǎn)[3]。手功能康復(fù)訓(xùn)練外骨骼能代替?zhèn)鹘y(tǒng)康復(fù)醫(yī)師，結(jié)合先進(jìn)外骨骼技術(shù)和康復(fù)理論，科學(xué)地幫助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，降低康復(fù)成本，同時(shí)能夠減少對(duì)醫(yī)師資源的占用，具有十分廣闊的發(fā)展前景。Ueki等研制的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的手部康復(fù)機(jī)器人，具有18個(gè)自由度，可以通過(guò)數(shù)據(jù)手套進(jìn)行雙邊康復(fù)訓(xùn)練[4]。德國(guó)Otto Bock公司研制的WaveFlex Hand CPM外骨骼康復(fù)手，采用一個(gè)電機(jī)作驅(qū)動(dòng)，多用于訓(xùn)練四指，也可單獨(dú)訓(xùn)練拇指。Leonardis等研制的BRAVO采用腱側(cè)手表面肌電信號(hào)控制外骨骼運(yùn)動(dòng)，具有很多優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是控制不夠精確[5]。法國(guó)Kinetec公司研制的8091型便攜手部康復(fù)器,需要性能較高的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，市場(chǎng)價(jià)格較高。北京航空航天大學(xué)研制的一款由鋼絲繩-繩套傳動(dòng)的外骨骼康復(fù)手指機(jī)器人[6]，伸縮性較差，容易出現(xiàn)滑動(dòng)，造成誤差的累計(jì)[7]。楊巖江研制的手功能康復(fù)外骨骼，具有電機(jī)驅(qū)動(dòng)和健側(cè)驅(qū)動(dòng)兩種形式，且只使用一個(gè)直線電機(jī)進(jìn)行五指驅(qū)動(dòng)[8]。張勤超研制的手部功能康復(fù)機(jī)器人的關(guān)節(jié)部分采用齒輪齒條平行滑動(dòng)機(jī)構(gòu)[9]。李朋認(rèn)為，國(guó)外的手功能康復(fù)機(jī)器人更成熟一些，但價(jià)格高昂，而國(guó)內(nèi)在這方面目前還處于起步階段，沒(méi)法做到批量生產(chǎn)[10]。

從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀看，目前的手功能康復(fù)外骨骼大多價(jià)格較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、較沉重、不易攜帶，因驅(qū)動(dòng)少而存在訓(xùn)練動(dòng)作單一的缺陷。本文將結(jié)合市場(chǎng)需求，依據(jù)輕量化、低成本化、訓(xùn)練動(dòng)作多樣化等原則，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，進(jìn)行靜力學(xué)、正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真，并進(jìn)行樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)一種欠驅(qū)動(dòng)連桿滑槽外骨骼，用于幫助患者進(jìn)行持續(xù)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)性手部康復(fù)訓(xùn)練。

1 外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

人的手部結(jié)構(gòu)如圖1所示。人的手指共有下列18個(gè)自由度：前端四指每個(gè)手指有4個(gè)自由度，其中掌指關(guān)節(jié)(MCP)具有2個(gè)軸線垂直相交的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，近端指間關(guān)節(jié)(PIP)和遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié)(DIP)各有1個(gè)自由度；大拇指在指間關(guān)節(jié)(IP)以及掌指關(guān)節(jié)各有1個(gè)自由度。

圖1 人的手部結(jié)構(gòu)

人手一般情況下只能完成兩種運(yùn)動(dòng)，即彎曲/伸展(簡(jiǎn)稱曲伸)運(yùn)動(dòng)和內(nèi)收/外展(簡(jiǎn)稱收展)運(yùn)動(dòng)。能實(shí)現(xiàn)彎曲/伸展運(yùn)動(dòng)的主關(guān)節(jié)有指間關(guān)節(jié)和掌指關(guān)節(jié)，而能完成內(nèi)收/外展運(yùn)動(dòng)的主要是掌指關(guān)節(jié)。受人體手部骨骼、韌帶肌肉、肌腱等組織的結(jié)構(gòu)限制，手指關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)不能在全范圍內(nèi)進(jìn)行，各關(guān)節(jié)之間也存在一些約束，手的各MCP之間存在關(guān)聯(lián)。比如，無(wú)名指的MCP彎曲的時(shí)候，中指與小指的MCP也會(huì)出現(xiàn)一定程度的彎曲。MCP的曲伸運(yùn)動(dòng)和收展運(yùn)動(dòng)之間也存在特定的約束關(guān)系，當(dāng)MCP彎曲的時(shí)候其側(cè)向外展運(yùn)動(dòng)的幅度會(huì)減小。

根據(jù)以上人手運(yùn)動(dòng)機(jī)制，設(shè)計(jì)外骨骼時(shí)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)能帶動(dòng)拇指的MCP、四指的MCP和PIP，且應(yīng)為每根手指配備一部直線電機(jī)作驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)較為理想和豐富的康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作。

1.1 設(shè)計(jì)分析

本文設(shè)計(jì)的手部康復(fù)外骨骼整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。該外骨骼由手背部支撐板、拇指訓(xùn)練模塊、四指訓(xùn)練模塊和直線電機(jī)組成。它通過(guò)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。5個(gè)直線電機(jī)分別通過(guò)定位銷與手背部支撐板固定在一起，其中1個(gè)直線電機(jī)通過(guò)魚(yú)眼桿端軸承與拇指訓(xùn)練模塊相連，另外4個(gè)直線電機(jī)通過(guò)魚(yú)眼桿端軸承與四指訓(xùn)練模塊相連。

圖2 本文設(shè)計(jì)的手部康復(fù)外骨骼整體結(jié)構(gòu)

拇指訓(xùn)練模塊與四指訓(xùn)練模塊的結(jié)構(gòu)類似。這里以四指訓(xùn)練模塊為例進(jìn)行分析。四指訓(xùn)練模塊(圖3)由固定在手背板上的第一滑槽、上連桿、中間連桿、下連桿、第一指節(jié)套兼第二滑槽、第二指節(jié)套組成。由于在各手指運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)近端指間關(guān)節(jié)之間存在約束關(guān)系，因此在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用欠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，用直線電機(jī)推動(dòng)第一指節(jié)套兼第二滑槽在第一滑槽中按固定軌跡運(yùn)動(dòng)，使中間連桿在上連桿的限制下繞第一指節(jié)套兼第二滑槽與中間連桿的鉸接點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而推動(dòng)下連桿，使下連桿推動(dòng)第二指節(jié)套在第二滑槽中按固定軌跡運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)第一指節(jié)和第二指節(jié)運(yùn)動(dòng)。此外，兩個(gè)圓弧滑槽的圓心應(yīng)與手指關(guān)節(jié)部位重合，使訓(xùn)練機(jī)構(gòu)不會(huì)與手指產(chǎn)生相對(duì)滑移，以避免患者手部不適。

圖3 四指訓(xùn)練模塊

拇指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)主要帶動(dòng)拇指掌指關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2 自由度分析

從四指訓(xùn)練模塊的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖(圖4)可看出，機(jī)構(gòu)中活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=7,低副數(shù)量PL=10，高副數(shù)量PH=0。由此可計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)量F，即

圖4 四指訓(xùn)練模塊的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

F=3n-2PL-PH=1

(1)

由自由度計(jì)算可知，主動(dòng)件數(shù)量等于機(jī)構(gòu)自由度數(shù)量。因此，機(jī)構(gòu)能夠進(jìn)行確定軌跡的運(yùn)動(dòng)。

1.3 力學(xué)分析

四指訓(xùn)練模塊的4套訓(xùn)練機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同。這里以食指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行分析。食指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的力學(xué)解析如圖5所示。

圖5 食指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的力學(xué)解析

圖5中，M1、M2分別為MCP、PIP能產(chǎn)生的抵抗轉(zhuǎn)矩。根據(jù)設(shè)計(jì)慣例，M1、M2可分別取值0.8 N·m、0.4 N·m。

先后對(duì)J點(diǎn)、桿件8、桿件7、G點(diǎn)、桿件6、桿件4和D點(diǎn)進(jìn)行受力分析，可得:

(2)

式中：L2為F2對(duì)J點(diǎn)的力臂;L4,L5分別為F4，F(xiàn)5對(duì)G點(diǎn)的力臂;L6′,L1,L3′分別為F6′，F(xiàn)1，F(xiàn)3′對(duì)D點(diǎn)的力臂。表1所示為各力臂的取值。通過(guò)計(jì)算，可得表2所示力學(xué)分析結(jié)果。

表1 各力臂的取值 mm

表2 力學(xué)分析結(jié)果 N

分析可知，驅(qū)動(dòng)力需要大于F1(其值為67.0 N)。

可根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驅(qū)動(dòng)選型。常用的驅(qū)動(dòng)類型有液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是難以精確控制。液壓驅(qū)動(dòng)能產(chǎn)生很大推力、體積小，但可靠性差、維修不方便。電機(jī)驅(qū)動(dòng)精度高、易于維護(hù)，且輸出的力或力矩足夠帶動(dòng)手部康復(fù)外骨骼之需，因此，本文選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2 外骨骼運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 已知電機(jī)行程后求關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度

手部康復(fù)外骨骼能帶動(dòng)手指MCP和PIP的旋轉(zhuǎn)。設(shè)MCP的旋轉(zhuǎn)角度為α，PIP的旋轉(zhuǎn)角度為β。

2.1.1 求解MCP旋轉(zhuǎn)角度α

由圖4可知，在機(jī)架1、搖塊2、桿件3、桿件4組成的搖塊機(jī)構(gòu)中，若α為桿件4繞D點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，則該搖塊機(jī)構(gòu)可簡(jiǎn)化為△ACD(圖6)。

(a) 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)前 (b) 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后圖6 由搖塊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化的△ACD

圖6中，α可表示為△ACD中∠ADC的變化量。設(shè)AC原長(zhǎng)為l1，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后AC的伸長(zhǎng)量為d，AD的長(zhǎng)度為l，CD的長(zhǎng)度為l2，則根據(jù)余弦公式可得：

(3)

2.1.2 求解PIP旋轉(zhuǎn)角度β

從圖4中取出四邊形EDGF，建立圖7所示的四連桿EDGF結(jié)構(gòu)，以D點(diǎn)到E點(diǎn)方向作為x軸正方向，設(shè)DE，DG，EF，F(xiàn)G的長(zhǎng)度分別為l3，l4，l5，l6，且初始時(shí)，DG，GF與x軸的夾角分別為θ1，θ2，EF與x軸的夾角為θ3。根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，可設(shè)DG與x軸的夾角增大α?xí)r，GF與x軸的夾角減小φ。

圖7 四連桿EDGF結(jié)構(gòu)

對(duì)閉環(huán)DEFGD應(yīng)用閉環(huán)矢量法，可得：

(4)

消去θ3后假定式(4)的等號(hào)兩邊已歸一化，則推導(dǎo)可得：

(5)

根據(jù)圖4可建立圖8所示的四連桿GHIJ結(jié)構(gòu)。

圖8 四連桿GHIJ結(jié)構(gòu)

令Φ=α+φ，并以G點(diǎn)到J點(diǎn)方向作為x軸正方向，設(shè)GH，HI，IJ，GJ的長(zhǎng)度分別為l7，l8，l9，l10，且初始時(shí)，GH，IJ與x軸的夾角分別為θ4，θ5。根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，可設(shè)GH與x軸的夾角減小Φ時(shí)，IJ與x軸的夾角增大β。

根據(jù)幾何關(guān)系可列出下列式子：

(xH-xI)2+(yH-yI)2=HI2

(6)

對(duì)閉環(huán)GHIJG應(yīng)用閉環(huán)矢量法，并假定等式(6)兩邊已歸一化，則推導(dǎo)可得：

(7)

2.2 已知關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度后求電機(jī)行程

根據(jù)圖6，在△ACD上建立圖9所示含直角坐標(biāo)系xDy的搖塊機(jī)構(gòu)，并設(shè)初始時(shí)DA與x軸的夾角為θ6。隨著機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，DA與x軸的夾角會(huì)變?yōu)棣?+α。

圖9 含直角坐標(biāo)系xDy的搖塊機(jī)構(gòu)

根據(jù)幾何關(guān)系，可列出下列式子：

(xA-xC)2+(yA-yC)2=AC2

(8)

通過(guò)一定的代入、推導(dǎo)過(guò)程,可得出關(guān)于α的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，即

(9)

假定式(8)的等號(hào)兩邊已歸一化，則通過(guò)一定的代入、推導(dǎo)過(guò)程可得：

(10)

根據(jù)式(4)和Φ=α+φ，消去θ5后假定等式兩邊已歸一化，則推導(dǎo)可得：

(11)

根據(jù)式(9)-式(11)，可推導(dǎo)出關(guān)于β的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，即

(12)

3 仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

首先用UG軟件建模，然后將模型導(dǎo)入Adams軟件，并將直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度設(shè)定為10 mm/s，仿真時(shí)間設(shè)定為1.6 s，可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。外骨骼的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 外骨骼的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果

運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真得到的各手指關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍如表3所示。

表3 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真得到的各手指關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍 (°)

通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真可知，該手部康復(fù)外骨骼可使患者手部在正常范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，具有一定的訓(xùn)練效果。

3.2 機(jī)電聯(lián)合仿真

這里的機(jī)電聯(lián)合仿真是用Adams軟件做動(dòng)力學(xué)仿真的基礎(chǔ)上，在Matlab中添加開(kāi)環(huán)控制模型，進(jìn)行仿真，從一定程度上反映實(shí)物樣機(jī)的工作情況，為實(shí)物樣機(jī)的可靠工作提供數(shù)據(jù)支持。本文以食指MCP為例，通過(guò)機(jī)電聯(lián)合仿真，得到了食指MCP的角位移-時(shí)間曲線(圖11)和角速度-時(shí)間曲線(圖12)。

圖11 食指MCP的角位移-時(shí)間曲線

圖12 食指MCP的角速度-時(shí)間曲線

從圖11和圖12可看出，食指MCP角位移—時(shí)間曲線的線性度較好，而且角速度雖然有一定的波動(dòng)，但是每秒的波動(dòng)范圍不超過(guò)0.05°。由此可見(jiàn)，該手部康復(fù)外骨骼的運(yùn)動(dòng)較為穩(wěn)定，可以保證患者的康復(fù)訓(xùn)練效果，同時(shí)也不會(huì)因過(guò)大的角加速度而造成患者的二次創(chuàng)傷。

3.3 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文讓使用者穿戴手部康復(fù)外骨骼后做5 min持續(xù)性屈伸運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行了樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。穿戴手部康復(fù)外骨骼后手指伸直狀態(tài)和彎曲狀態(tài)分別見(jiàn)圖13、圖14。

圖13 穿戴手部康復(fù)外骨骼后手指伸直狀態(tài)

圖14 穿戴手部康復(fù)外骨骼后手指彎曲狀態(tài)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于直線電機(jī)和連桿滑槽結(jié)構(gòu)的手部康復(fù)外骨骼的機(jī)械設(shè)計(jì)和控制方案，設(shè)計(jì)了一種新型的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使手部康復(fù)外骨骼通過(guò)直線電機(jī)推桿的行程變化帶動(dòng)連桿滑槽結(jié)構(gòu)，進(jìn)行類似手指動(dòng)作軌跡的運(yùn)動(dòng)，從而幫助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。通過(guò)受力分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析以及仿真驗(yàn)證，該手部康復(fù)外骨骼能夠滿足患者的手部運(yùn)動(dòng)需求，實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作。樣機(jī)驗(yàn)證說(shuō)明，該手部康復(fù)外骨骼適用于高強(qiáng)度重復(fù)性的偏癱康復(fù)訓(xùn)練。