外骨骼康复机械手的机构设计与仿真

方思中 袁锐波

摘要：脑卒中会引起的人的肢体运动功能丧失，手功能发生障碍便是其中一种。本文设计了一种辅助患者进行弯曲伸展运动的多自由度外骨骼康复机械手系统，通过一定的重复性训练治疗，降低患者因无法经常活动手部造成大脑相关运动神经功能衰弱和手部相关肌肉的萎缩的可能性，进而恢复手指的运动功能。

Abstract： Stroke can cause loss of limb movement function， and dysfunction of hand function is one of them. This paper designed a multi-degree-of-freedom exoskeleton manipulator system that assists patients in flexion and extension exercises. Through certain repetitive training treatments， the patient's hand-related inability to exercise the brain caused a decline in brain-related motor nerve function and hand-related muscle atrophy， and then restore the motion function of the fingers.

关键词：脑卒中；外骨骼；结构设计；康复机械手

Key words： cerebral apoplexy；hemiplegia；exoskeleton；rehabilitation robot hand

中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）25-0160-03

0 引言

现如今，因脑卒中以及神经系统功能障碍等引起的肢体运动功能丧失及其并发症的发病率有逐年上升的趋势[1]，而手部运动功能发生障碍便是其中一种。当患者丧失手部运动能力时，自理能力会受到严重影响。手功能运动障碍的患者通常表现为手指僵硬，手指间各关节不能正常自主的弯曲、内收和外展，丧失持握能力，因此及时有效的康复治疗便显得尤为重要[2，3]。本文在国内外学者研究的基础上，设计一种全新的手指康复外骨骼结构，并结合一定的控制系统使外骨骼运动，从而对患者进行康复训练。

1 手指康复外骨骼设计

1.1 设计总要求

外骨骼是直接佩戴在患者手部的，因此在设计时必须考虑结构的安全性。其次，康复机械手作为帮助患者进行手部恢复的高精度医疗设备，因此应充分考虑机构的可靠性，外骨骼材料硬度是否高高，控制系统是否可靠等[4-6]。本康复机械手面对的是偏瘫患者，由于其病症特点，该群体的感知能力较差，故设备在工作中，患者的舒适性是设计手功能康复机器人系统时需要着重考虑的问题。在康复训练过程中，由于病患手部较为虚弱，需要对患者手部进行支持，且手部尽量不要承受力，因此在设计机构时应将执行机构与驱动机构分开。

1.2 外骨骼执行机构设计

基于对人手理论基础相关方面的了解和模块化设计思想，本文研制了一种新型的康复机械手的外骨骼机构，该机构将执行部分和驱动部分分开，通过带轮将驱动力传递至指关节外骨骼上，从而带动患者手指运动，本文以食指和环指为例，其外骨骼的总体设计结构如图1所示。

因为食指和环指的外骨骼结构总体设计除了手指指节所对应的外骨骼长度不同之外，其他包括设计原理、运动原理、各构件式样等均相同，故本文以食指为例详细介绍设计的手指外骨骼结构。

从食指的外骨骼示意图可以看出其运动原理和运动的机构形态，该机构设计简单清晰，相比较国内外学者对康复机械手结构设计的复杂性，具有一定优势。此外，图中显示出食指各关节外骨骼尺寸是不同的，且尺寸参数是可调的，这是因为每个患者手指的各个关节的尺寸都有一定差异，设计外骨骼机构尺寸参数可调，以适应不同患者并对其进行康复训练，这样也更满足人手指的正常情况。从图中看到该食指外骨骼的机构也比较紧凑，各指关节外骨骼和手指一样，为了方便后期对手指外骨骼进行仿真分析和计算，将采用单自由度串联的方法。最后也是最为重要的一点设计，该康复外骨骼每个关节都可以进行拆卸和组装，且每个关节的零部件也可根据不同患者的手指的尺寸参数灵活替换或是移动，这样大大提高了手指康复外骨骼的灵活性、适用性和可替换性，从而避免了针对不同患者只能配用特定的外骨骼康复机械手的情况，节约了成本，提高了效率。

下面将详细介绍外骨骼主要执行部分的结构件。

图3为MCP关节的装配体和结构件展示图，其中图（b）、（c）、（d）分别叫做触指、滑块和调指。触指的曲面设计可以更好地与手指上部轮廓接触，使患者手指受力均匀，佩戴舒适。滑块两侧边均开有矩形槽，以便在槽两侧各加一销钉，起到固定触指的作用。滑块底部开有矩形槽口，与触指构成移动副，且该槽口与触指是间隙配合，方便触指在其槽口内移动。另外，之所以将滑块和触指之间构成移动副，主要是障碍患者手指具有柔软性且粗细不一，若设计的触指和手指固定后不能使该指关节与其他指关节在同一水平线上，在康复过程中也会产生影响。滑块顶部装有两条滑轨，和调指形成间隙配合，并对调指起到一定的限位作用，防止运动过程中调指滑落。最后一个特点为调指结构件的创意设计，中间是一个类似矩形块，前后两端均有突出部分。矩形块底部有一带缺口的类T型通槽，该通槽与前面的滑块顶部之间构成移动副。对于前端的两个伸出块（称为带轮固定块），如图，两带轮固定块上均开有圆形通孔和圆形矩形通孔，其目的是用来安装配有带轮的圆柱的，根据患者指关节的长度调整圆柱在通孔处的位置和调指在滑轨处的相对位置，从而大大提高了外骨骼的适用性。因PIP和MCP外骨骼機构一样，这里将不再阐述PIP外骨骼机构设计。

本文主要对MCP和PIP关节进行外骨骼机构设计，DIP关节是通过连杆与PIP关节的外骨骼连接起来。假设患者出现偏瘫症状时其DIP关节与PIP关节之间的耦合作用依然存在，也就是说当外骨骼辅助DIP关节运动时，PIP关节也会随之运动，而之所以设计DIP关节是供后来学者继续研究时，方便装置相关传感器来及时获取手指在运动过程中的信息。到此，外骨骼执行部分的结构设计便已完成，接下来需要进行驱动机构的设计。

1.3 驱动机构设计

本文驱动器选用的是迷你气缸，故需设计一个装置既可以固定气缸，同时还能驱动外骨骼运动。

驱动机构由4个尾座支架、4个前座支架、2个气缸支架、2个不规则连杆和2个气缸配件，其中尾座支架和气缸支架是用来固定微型气缸元件的，使得驱动器在单片机控制下能够更稳定驱动外骨骼的执行部分，而两个前座支架是固定转柱和配有带轮的圆柱销的。从图中可以发现，前座支架和尾座支架之间有一定的距离，即使气缸全部伸出，也触碰不到转柱，因此，本文在气缸和转柱间设有一不规则连杆和以气缸配件来连接这两部分。在连杆中部有一螺栓，螺栓是从连杆底部由下而上旋入的，且位置可调，当气缸活塞伸出其上的配件就会在连杆凹槽中移动，直到销钉与螺栓接触，此时若活塞继续伸出，则会推动转柱转动，从而带动带轮驱动外骨骼运动，进而对手指障碍患者的进行康复治疗。

2 外骨骼康复机械手的仿真分析

当气缸运动到设计位置时，迷你气缸活塞头部就会碰到固定在连杆上的螺栓，从而推动转柱转动，继而带动带轮，最后指关节外骨骼在带轮的驱动下使手指运动。具体仿真界面、三个关节运动速度、三个关节运动姿态以及指尖运动轨迹如图5。

在MCP+PIP+DIP三关节联合运动模式下，手指的三个关节的位置姿态以及指尖运动轨迹符合实际运动状态，三个关节转动的最大角度分别为：23.5624°（MCP）、35.3436°（PIP）、24°（DIP），基本满足三个关节转角之比为2：3：2的实际情况。因为在仿真计算前，一方面由于机构的转柱在初始位（转柱刚好与手臂紧固架垂直）时，连杆刚好垂直于转柱，其连杆端部圆心孔距离转柱的转心的距离为一小数，另一方面由于连杆底部的圆心孔的位置已确定，使得气缸实际的有效驱动距离与理论计算值存在偏差，另外，从位移（d）和速度（e）曲线图中可以看出PIP关节弯曲的角度要大于DIP关节，符合我们正常人手指做抓握运动时弯曲角度规律，而且随着时间增长，PIP和DIP两个关节的运动趋势基本一致。

3 结语

在国内外学者研究的基础上对手指康复外骨骼进行新的设计，并基于机械系统动力学自动分析软件ADAMS对外骨骼康复机械手进行仿真分析，各指关节运动轨迹和运动的角度范围基本符合预先提出的总体设计要求，且运动可靠，证明外骨骼康复机械手的机构设计是合理的。

参考文献：

[1]李海丽.手功能康复机器人的设计与研究[D].上海交通大学硕士论文，2014，2.

[2]Gowland C， Recovery of motor function following stroke： Profile and predictors， Physiotherapy Canada， 1982， 34（2）：77-84.

[3]Kwakkel G， Kollen BJ， and Wagenaar RC， Therapy impact on functional recovery in stroke rehabilitation： A critical review of the literature， Physiotherapy， 2005， 85（7）： 377-391.

[4]邵卫.机器人辅助上肢康复的虚拟现实训练系统的研究[D].上海交通大学，2012.

[5]王理研，官奕，宋爱国.基于Internet的远程控制康复训练机械臂[J].测控技术，2007，26（6）：53-56.

[6]孙厚义，冯勋刚，马巧玲，张鸿.运动意念对急性脑卒中患者偏瘫康复的作用[J].中風与神经疾病杂志，2001，18（5）：305.