用于手部康復的熱塑性聚氨酯軟體驅(qū)動器研究

劉彩霞, 潘亭亭, 孫一帆, 馬 菲, 黃 英

(1.合肥工業(yè)大學 物理學院,安徽 合肥 230601; 2.合肥工業(yè)大學 微電子學院,安徽 合肥 230601)

使用康復訓練手套已成為醫(yī)療康復領域中輔助治療手功能障礙患者的方法之一[1],傳統(tǒng)康復訓練手套[2]大多由剛性材料制成,與人手交互時的安全性大大限制其在醫(yī)療康復方面的應用。隨著仿生技術(shù)、新型柔性材料、3D打印技術(shù)快速發(fā)展,軟體機器人[3]應運而生,軟體康復訓練手套也成為眾多研究者關注的熱點。軟體康復訓練手套核心部件是由軟材料制作的軟體驅(qū)動器,具有剛度小、柔順性高等特點[4],可以提供比剛性康復訓練手套更安全的交互形式,使得軟體驅(qū)動器成為康復訓練手套的理想選擇[5]。

眾多研究者研制軟體驅(qū)動器時,硅橡膠是最常用的柔性材料。文獻[6]通過引入纖維增強方式研制一種可彎曲、延伸和扭轉(zhuǎn)的氣動軟體驅(qū)動器,并將其應用于手部康復訓練;文獻[7]提出一種用于手功能康復的圓環(huán)加箍型的氣動式軟體驅(qū)動器;文獻[8]提出一種嵌套結(jié)構(gòu)手指康復軟體驅(qū)動器。這些軟體驅(qū)動器在驅(qū)動過程中彎曲軌跡與實際的人手運動軌跡不符。文獻[9]研制一種雙分段的軟彈性復合驅(qū)動器,并基于此制作了軟體康復訓練手套;文獻[10]提出一種內(nèi)嵌氣囊式分段式氣動軟體驅(qū)動器,增加了手指與軟體驅(qū)動器之間貼合度。盡管這些軟體驅(qū)動器采用了分段式設計,但是每個關節(jié)不能獨立彎曲,靈活性有限。此外,這些軟體驅(qū)動器均采用硅橡膠材料制作而成,制作流程復雜,往往需要多步才能成型,而且硅橡膠材料相對較大的材料質(zhì)量和較小的材料剛度導致軟體驅(qū)動器具有較低的輔助力,妨礙其在實際應用中的效用。

針對上述問題,本文設計了基于柔性熱塑性聚氨酯(thermoplastic polyurethane,TPU)的3種用于不同手指康復的分段式獨立驅(qū)動的氣動軟體驅(qū)動器。該分段式軟體驅(qū)動器由2種具有波紋管氣腔的軟關節(jié)(單、雙向軟關節(jié))組成,使用低成本的桌面級熔融沉積制造(fused deposition modeling,FDM) 3D打印機和TPU直接打印而成,制作步驟簡單。通過有限元建模獲得TPU材料的最佳本構(gòu)模型,仿真分析軟關節(jié)和軟體驅(qū)動器特性。對軟關節(jié)和軟體驅(qū)動器彎曲性能、運動軌跡、抓握能力等進行測試。通過集成5個軟體驅(qū)動器制作康復訓練手套,成功地帶動手指進行康復訓練,完成多個抓取任務。

1 結(jié)構(gòu)設計

1.1 人手關節(jié)結(jié)構(gòu)分析

人的手指主要由關節(jié)、指骨及其周圍軟組織構(gòu)成,依靠肌腱屈伸驅(qū)動關節(jié)轉(zhuǎn)動。關節(jié)包括掌指關節(jié)、近端指間關節(jié)、遠端指間關節(jié),拇指有近節(jié)、中節(jié)2節(jié)指骨,其余手指為近節(jié)、中節(jié)和遠節(jié)3節(jié)指骨。掌指關節(jié)為雙軸向關節(jié),可實現(xiàn)屈伸、外展、內(nèi)收運動,其余關節(jié)只可做屈伸運動,各關節(jié)運動范圍見表1所列[11],掌指關節(jié)可達到一定后伸角度,在手指運動中至關重要。因此,為達到手指康復訓練目的,不能僅依靠彎曲運動帶動手指進行康復訓練,需要設計符合人類手指結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律的軟體驅(qū)動器。

表1 人手各關節(jié)的運動范圍

1.2 軟體驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設計

軟關節(jié)和軟體驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設計如圖1所示。

圖1 軟關節(jié)和軟體驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設計

日常生活中每根手指功能占比不同。拇指占手功能36%,食指和中指各占18%,無名指和小指各占9%[12]。因此,基于手指關節(jié)分布及運動規(guī)律,設計3種用于不同手指康復訓練的分段式獨立驅(qū)動的軟體驅(qū)動器(圖1a)。軟體驅(qū)動器Ⅰ由1個雙向軟關節(jié)和1個三波紋管單向軟關節(jié)組成,用于輔助大拇指進行康復訓練。軟體驅(qū)動器Ⅱ由1個雙向軟關節(jié)和2個三波紋管單向軟關節(jié)組成,用于輔助食指和中指屈伸。軟體驅(qū)動器Ⅲ由1個四波紋管單向軟關節(jié)和2個三波紋管單向軟關節(jié)組成,用于輔助其他2根手指。為讓軟體驅(qū)動器能夠更好貼合手指形狀采用分段設計;為增加軟體驅(qū)動器靈活性,采用獨立驅(qū)動方式,在固定段側(cè)面設置一個氣管連接口,便于獨立驅(qū)動單向軟關節(jié)彎曲(圖1a)?？紤]到后續(xù)軟體驅(qū)動器裝配到手套上,在軟體驅(qū)動器兩端各設置1個固定口便于固定魔術(shù)貼。軟體驅(qū)動器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的長度分別為102、139、147 mm。

單、雙向軟關節(jié)結(jié)構(gòu)剖面圖見圖1b,雙向軟關節(jié)包括2個波紋管氣腔、中間限制層、氣管固定段和2個氣管,下層波紋管高度小于上層。單向軟關節(jié)由波紋管氣腔、底層限制層、氣管固定段和1個氣管組成。充氣時,波紋管氣腔會趨向伸直,限制層約束使軟關節(jié)彎曲。單向軟關節(jié)只可向下彎曲,而雙向軟關節(jié)可向上下2個方向彎曲,向上彎曲角度小于向下彎曲角度。

2 有限元分析

2.1 TPU材料本構(gòu)模型

TPU是柔性聚氨酯材料,與橡膠有相似特性,具有高彈性、耐磨性、撕裂強度、耐化學性和廣泛溫度兼容性等[13]特點。試驗用TPU材料購于長沙易泰龍高新材料有限公司,邵氏硬度為75A。使用ZQ-990萬能試驗機(東莞市智取精密儀器有限公司)對75A TPU材料進行拉伸試驗,以100 mm/min速度拉伸獲得應力、應變數(shù)據(jù),對75A TPU的應力、應變數(shù)據(jù)和4種(Ogden、Yeoh、Mooney-Rivlin、Neo Hooke)不同超彈性模型[13]進行擬合,在ABAQUS/CAE中建立材料模型,導入拉伸試驗獲得的數(shù)據(jù),應用最小二乘法擬合,結(jié)果如圖2所示,選取Ogden模型作為75A TPU最佳本構(gòu)模型。

圖2 75A TPU的材料本構(gòu)模型擬合

2.2 有限元仿真

用Ogden模型對軟關節(jié)和軟體驅(qū)動器進行有限元仿真。對單向和雙向軟關節(jié)有限元應力與變形進行分析,仿真云圖如圖3a、圖3b所示,氣腔內(nèi)施加壓力時,應變集中在波紋管氣道,波紋管氣道膨脹展開,軟體驅(qū)動器整體增長,限制層約束導致軟體驅(qū)動器彎曲。向四波紋管單向軟關節(jié)施加壓力,軟關節(jié)只向下彎曲;向雙向軟關節(jié)下波紋管氣腔施加壓力,雙向軟關節(jié)向上彎曲;向上波紋管氣腔施加壓力,雙向軟關節(jié)向下彎曲。對3種軟體驅(qū)動器進行有限元仿真,軟體驅(qū)動器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ仿真云圖如圖3c～圖3e所示,從圖3c～圖3e可以看出,3種軟體驅(qū)動器單、雙向軟關節(jié)可實現(xiàn)獨立驅(qū)動,在彎曲過程中運動軌跡與人手運動軌跡符合。

圖3 軟關節(jié)和軟體驅(qū)動器仿真云圖

3 軟體驅(qū)動器制作與測試應用

3.1 軟體驅(qū)動器制作

軟體驅(qū)動器使用FDM 3D打印機和柔性TPU進行直接打印,制作工藝簡單。利用3Dmax軟件建立軟關節(jié)和軟體驅(qū)動器模型,在Cura軟件中進行切片并導出.gcode文件。為解決3D打印軟體驅(qū)動器時無法使用支撐結(jié)構(gòu)存在的問題,確保3D打印的軟體驅(qū)動器氣密性,對Cura軟件中3D打印參數(shù)進行多次調(diào)整,調(diào)整3D打印參數(shù)見表2所列。3D打印的軟關節(jié)如圖4a所示,在氣壓驅(qū)動下軟關節(jié)呈現(xiàn)不同程度彎曲,氣密性好。3D打印的軟體驅(qū)動器如圖4b所示,不同結(jié)構(gòu)軟體驅(qū)動器可應用到不同手指。

圖4 3D打印的軟關節(jié)和軟體驅(qū)動器

表2 TPU(75A)的3D打印參數(shù)

3.2 特性測試

軟關節(jié)作為軟體驅(qū)動器基礎部件,直接反映軟體驅(qū)動器特性,將軟關節(jié)一端垂直固定進行特性測試,施加0～100 kPa氣壓,步長為10 kPa,在每個氣壓下,記錄其彎曲角度,結(jié)果如圖5a所示。隨著氣壓增加,軟關節(jié)彎曲角度隨之增加,四波紋管單向軟關節(jié)彎曲角度能實現(xiàn)0～260°變化,三波紋管單向軟關節(jié)彎曲角度能實現(xiàn)0～180°變化,雙向軟關節(jié)彎曲角度能實現(xiàn)-60°～160°變化,彎曲角度均能滿足手指彎曲所需角度。對軟關節(jié)進行握力測試,如圖5b所示。打印2個測試握力硬質(zhì)支架,通過正方體支架將軟關節(jié)固定在萬能試驗機下夾具,在上夾具固定1個直徑15 mm圓柱體。逐漸向軟關節(jié)充入氣體,軟關節(jié)彎曲并夾持住圓柱體,以0.5 mm/s速度向上拉動圓柱體,測量軟關節(jié)在整個拉動過程中握力,直到其失去對圓柱體抓握。雙向軟關節(jié)握力如圖5c所示,其上波紋管和下波紋管在100 kPa時可達到最高握力,分別為4.4、3.0 N。單向軟關節(jié)握力如圖5d所示,四波紋管和三波紋管單向軟關節(jié)在100 kPa時可達到最高握力,分別為6.5、5.5 N。

圖5 軟關節(jié)特性測試結(jié)果

為測試軟體驅(qū)動器特性,在坐標紙上記錄3種軟體驅(qū)動器在不同氣壓下彎曲軌跡和末端點運動軌跡,施加0～100 kPa壓力,步長20 kPa,結(jié)果如圖6a～圖6c所示。

圖6 軟體驅(qū)動器特性測試結(jié)果

不同氣壓下,軟體驅(qū)動器表現(xiàn)出不同彎曲狀態(tài),與手指彎曲軌跡類似,軟體驅(qū)動器可以很好地貼合人體手指表面。軟體驅(qū)動器運動軌跡與插圖仿真結(jié)果相同,驗證了仿真結(jié)果的正確性。使用直徑為50 mm的圓柱體對這3種軟體驅(qū)動器進行握力測試,測試方法與軟關節(jié)握力測試方法相同,結(jié)果如圖6d～圖6f所示,在100 kPa最高握力分別為9.2 N(軟體驅(qū)動器Ⅰ)、10.5 N(軟體驅(qū)動器Ⅱ)和11.5 N(軟體驅(qū)動器Ⅲ),3D打印TPU制作的軟體驅(qū)動器輔助力強,具有較強的實用性。

3.3 軟體康復訓練手套應用

軟體驅(qū)動器集成在一個織物手套上制作軟體康復訓練手套,如圖7所示。

軟體康復訓練手套可驅(qū)動拇指和食指彎曲,具有對手指進行康復訓練的能力。為觀察該軟體康復訓練手套抓取性能,實驗抓取膠帶、木塊、黑板擦等不同大小物體,質(zhì)量分別為154、87、34 g。結(jié)果表明,軟體康復訓練手套可以輔助人手完成康復訓練以及常見物體抓取。

4 結(jié) 論

本文提供了一種3D打印TPU的參數(shù),根據(jù)設計的單、雙向軟關節(jié)結(jié)構(gòu),直接3D打印TPU,制備了3種用于不同手指康復訓練的分段式軟體驅(qū)動器,簡化了軟體驅(qū)動器制作流程。軟關節(jié)和軟體驅(qū)動器彎曲能力和握力測試顯示,設計的軟體驅(qū)動器彎曲輪廓與人手彎曲相符,在100 kPa下最高握力分別為9.2 N(軟體驅(qū)動器Ⅰ)、10.5 N(軟體驅(qū)動器Ⅱ)和11.5 N(軟體驅(qū)動器Ⅲ),與硅橡膠制作的軟體驅(qū)動器相比,該軟體驅(qū)動器握力高、質(zhì)量輕。將軟體驅(qū)動器用于康復訓練手套,可滿足日常生活的康復訓練和抓握需求,為手功能損傷患者提供一種更加安全有效的康復訓練設備。