人體上肢輔助康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的開發(fā)

戴鳳智，劉 波，岳遠里，白瑞祥

（天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津 300222）

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人體上肢輔助康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的開發(fā)

戴鳳智，劉 波，岳遠里，白瑞祥

（天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津 300222）

摘 要：開發(fā)了能夠幫助上肢癱瘓患者逐步恢復(fù)上肢運動功能的上肢輔助康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備.通過編寫上肢動作組控制該設(shè)備模仿正常人體上肢動作，以此帶動患者上肢的康復(fù)運動.在設(shè)計上肢動作時，參考人體醫(yī)學(xué)相關(guān)知識和人體生理結(jié)構(gòu)特征，獲得上肢運動的極限位置信息，在此基礎(chǔ)上進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和選材.控制系統(tǒng)采用高精度、大扭力舵機.實驗結(jié)果基本符合人體上肢康復(fù)運動規(guī)律.

關(guān)鍵詞：上肢康復(fù)；訓(xùn)練器械；安全性；舒適性；康復(fù)動作組

中風和偏癱疾病嚴重影響患者的生活質(zhì)量.若不能及時進行康復(fù)治療，可能會導(dǎo)致肌肉廢用性萎縮，并對消化系統(tǒng)和心腦血管系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響［1］.接受康復(fù)訓(xùn)練能有效緩解病情，長期堅持肢體訓(xùn)練能取得較好的康復(fù)效果［2］.

康復(fù)運動分為被動運動、按摩運動、助力主動運動、主動運動和抗阻力運動等.通過適當?shù)纳现珓幼饕龑?dǎo)和輔助訓(xùn)練，能重新恢復(fù)上肢運動功能，增強上肢力量，重新修復(fù)受損的運動機能，防止上肢畸形癱瘓和肌肉萎縮.肌肉得到鍛煉能加快上肢血液流動，間接增強心腦血管功能，對患者的心理和精神方面也有一定的緩解作用.

清華大學(xué)研制的二連桿結(jié)構(gòu)康復(fù)訓(xùn)練機器人［3］，是通過二連桿在平面的復(fù)合運動帶動手臂做康復(fù)訓(xùn)練，在關(guān)節(jié)處通過兩臺伺服電機作為驅(qū)動.在不同的康復(fù)訓(xùn)練階段，通過控制二連桿速度和力的大小來滿足患者不同階段的訓(xùn)練要求.但機器人只能對患者進行單臂的簡單屈伸運動訓(xùn)練，并且不具有對患者進行局部肌肉震動和按摩的功能，在外觀上也容易使患者產(chǎn)生畏懼心理，影響康復(fù)效果.

哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人研究所開發(fā)的上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人［4］，主體材料采用硬鋁合金，具有可穿戴式結(jié)構(gòu).患者坐在座椅上能夠?qū)崿F(xiàn)肩部屈伸、外展/內(nèi)收和肘部屈伸等訓(xùn)練，安全性較高.實驗表明該機器人能夠?qū)颊呱现M行多關(guān)節(jié)運動訓(xùn)練.缺點是這種訓(xùn)練是針對關(guān)節(jié)的屈伸等運動，而不是針對動作組（完成一個連貫動作需要多關(guān)節(jié)連續(xù)合作進行，例如伸臂取水杯并拿到嘴邊）.

目前已有的康復(fù)訓(xùn)練器具，不能很好地控制康復(fù)動作組及運動量.并且多數(shù)康復(fù)設(shè)備著重考慮機械結(jié)構(gòu)，整個設(shè)備只有很少的自動化系統(tǒng)加入.因此，智能化程度較低.由于肢體康復(fù)訓(xùn)練器具開發(fā)工作還處于初級階段，市面上沒有質(zhì)優(yōu)價廉的成品銷售，其在技術(shù)性和功能性方面還有很多沒有突破的難點，突出表現(xiàn)在安全性能、使用舒適性、輕便性、連續(xù)工作時間等幾個方面［5-6］.

本文設(shè)計了人體上肢輔助康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備，并在機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、動作組設(shè)計方面進行了探討.

1　上肢輔助康復(fù)設(shè)備的機械設(shè)計

1.1人體上肢的運動范圍

為讓患者在安全和舒適的條件下進行訓(xùn)練，充分考慮了人體上肢的運動極限和運動范圍.人體上肢生理結(jié)構(gòu)允許運動的極限角度是：前臂旋外和旋內(nèi)均為80°～90°.以人體直立手臂下垂為基準，手臂上抬和向后伸展的極限角度分別為170°和40°，水平左右擺動角度為70°和60°.

為了防止在訓(xùn)練過程中發(fā)生意外，給患者造成傷害，在進行康復(fù)動作組的編制時，留出安全余量范圍，保證訓(xùn)練的安全，設(shè)定安全角度（不能超過極限角度）范圍如下：前臂旋外和旋內(nèi)角度均為0°～50°；以人體直立手臂下垂為基準，手臂上抬和向后伸展的角度范圍分別設(shè)定為0°～130°和0°～10°，水平左右擺角均為0°～30°.

機械設(shè)計參考了國家標準GB10000—1988［7］，符合人體生理結(jié)構(gòu)特點（部分數(shù)據(jù)見表1）.

表1　中國成年人人體尺寸Tab.1　Chinese adult body size

根據(jù)標準獲得的成年人體上肢各部位的質(zhì)量、長度與人體身高體質(zhì)量mt的關(guān)系如下：

前臂質(zhì)量m1=0.018，mt

前臂長度l1=0.146，ht

上臂質(zhì)量m2=0.035，7，mt上臂長度l2=0.159，ht

1.2機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

上肢輔助康復(fù)設(shè)備需要足夠的強度，能承受人體手臂的壓力和拉力.支架采用強度較高的鋁型材［4］，在固定人體上肢的部位采用有機玻璃板.有機玻璃板的質(zhì)量較輕，且強度能夠支撐人體手臂的質(zhì)量.將有機玻璃板彎折一個弧度，該弧度符合人體上肢的生理結(jié)構(gòu)，讓手臂在恢復(fù)過程中更加舒適，在緊固手臂后使患者沒有不適感.外形結(jié)構(gòu)設(shè)計成與人體上肢形狀類似的外骨骼.設(shè)備的上臂和前臂裝置設(shè)計成分離的結(jié)構(gòu)，便于肘關(guān)節(jié)的運動.圖1所示為上肢輔助康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的三維設(shè)計外形.

圖1　 上肢輔助康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的三維設(shè)計外形Fig.1　3D design of upper limb rehabilitation training equipment

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮到不同患者的情況不同，在連接件上設(shè)計出更多的連接孔，使不同患者能夠根據(jù)需求來調(diào)節(jié)設(shè)備的前臂和上臂長度.在肩部也設(shè)計了可調(diào)工件，可以進行細微調(diào)節(jié).完成粗略調(diào)節(jié)的機構(gòu)為一套十字滑臺導(dǎo)軌，動力源為步進電機.通過遙控便可以進行自動調(diào)節(jié)［8］.

整個設(shè)備固定于座椅之上，占地面積小，并能夠給患者更加舒適的體驗.在選取零部件時，盡量選用標準件，以使零件更換更為方便.在一些可調(diào)零件的設(shè)計上，通過調(diào)節(jié)打孔的間隔和密度來靈活實現(xiàn)尺寸的調(diào)節(jié).

上肢輔助康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和機械結(jié)構(gòu)三視圖如圖2所示.

綜合考慮材料的密度和成本，選用厚度為6，mm 的70系列鋁板作為支架，其材質(zhì)較輕，強度適當，可滿足需要.若人體身高1.754，m、體質(zhì)量71，kg，則人體上肢單條手臂質(zhì)量m0=3.8，kg，上肢全臂（上臂加前臂）長l=0.586，m［7］，選用6，mm厚的鋁板可以支撐起人體上肢［4］.

圖2　 上肢輔助康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Structure of upper limb rehabilitation training equipment

1.3機械強度校驗

為保證設(shè)計的安全性，需要進行螺母切應(yīng)力的計算.設(shè)螺栓的剪切力為FR，則剪切強度其中，d0=6，mm為螺栓抗剪面直徑.螺栓的許用剪切強度［τ］為3.5～5.0，MPa，應(yīng)滿足τ≤［τ］.

設(shè)F為每個M4螺母所受螺栓剪切力，h= 19，mm為螺釘?shù)叫牡木嚯x，取重力加速度g= 9.8，m/s2，則

滿足τ≤［τ］.

2　上肢輔助康復(fù)設(shè)備的控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的主控制器采用stm32系列ARM芯片.在動作組的控制和執(zhí)行上使用舵機控制板，通過調(diào)節(jié)占空比來精確控制舵機轉(zhuǎn)動的角度.

提前在舵機控制板內(nèi)存儲若干套預(yù)先編排的動作.當舵機控制板與主控芯片STM32F103RBT6通信時，能按照患者的需求調(diào)取存儲的康復(fù)訓(xùn)練程序.在上肢康復(fù)設(shè)備的背部設(shè)置有按鍵，患者家屬或醫(yī)生也可以依照康復(fù)需要為患者選擇不同的康復(fù)運動模式.

上肢輔助康復(fù)系統(tǒng)配備液晶顯示設(shè)備，能夠?qū)斍暗倪\動模式、運動量等信息顯示出來，還能顯示康復(fù)訓(xùn)練時間的長短和康復(fù)動作組的選擇，便于患者本人和家屬清楚康復(fù)狀況，也使醫(yī)護人員能夠更好地了解當前的運動狀態(tài)，以便為患者合理地安排康復(fù)運動組以及訓(xùn)練的時間和強度.

上肢輔助康復(fù)設(shè)備還具有超限報警功能.由于占空比調(diào)節(jié)輸出時有可能占空比過大而導(dǎo)致舵機轉(zhuǎn)動角度偏大，如果超出人體上肢的運動范圍就會發(fā)生事故.根據(jù)人體上肢醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，在機械設(shè)計和程序中預(yù)先設(shè)定好人體上肢運動的角度范圍.如果在康復(fù)過程中設(shè)備將要超過限定數(shù)據(jù)時會由角度傳感器監(jiān)測到這一變化，會反饋到主控芯片并觸發(fā)報警系統(tǒng)來阻止這一動作，使之保持在安全范圍內(nèi)，防止對患者造成傷害.

為達到訓(xùn)練強度和恢復(fù)效果，采用大扭力舵機（ASMC-02系列舵機）帶動人體上肢進行康復(fù)運動.在電源方面選擇大功率多電壓輸出的開關(guān)電源作為設(shè)備電源.這樣，在滿足電機的電壓要求同時，可使電機有足夠能量帶動上肢運動，又能滿足芯片的安全電壓要求.

3　上肢輔助康復(fù)設(shè)備的動作組設(shè)計

人體肩關(guān)節(jié)的運動是通過手臂的運動實現(xiàn)的.要設(shè)計出合理的肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練方案，就要對人體手臂的運動方式進行處理.根據(jù)人體解剖學(xué)理論的人體方位圖如圖3所示.

人體垂直站立，垂直地面且通過人體的軸稱為垂直軸，通過人體的前后方向且與垂直軸垂直的軸稱為矢狀軸（縱軸），通過人體且與以上兩軸都垂直的軸稱為冠狀軸（橫軸）.

人體解剖學(xué)把人體分為3個平面：

（1）水平面（橫切面），是與地面平行且穿過矢狀軸和冠狀軸的平面，其將人體分為上、下兩部分；

（2）冠狀面（額狀面），是與矢狀軸垂直且穿過冠狀軸和垂直軸的平面，其將人體分為前、后兩部分；

（3）矢狀面（縱切面），是與冠狀軸垂直且穿過矢狀軸和垂直軸的平面，其將人體分為左、右兩部分.

人體解剖學(xué)定義肩關(guān)節(jié)的運動方式有3種：

（1）屈伸運動，為手臂在矢狀面上繞冠狀軸運動，向前為屈，向后為伸；

（2）外展、內(nèi)收運動，為手臂在冠狀面上繞矢狀軸運動，遠離軀干為外展，靠近軀干為內(nèi)收；

（3）外旋、內(nèi)旋運動，為手臂在水平面上繞垂直軸運動，遠離軀干為外旋，靠近軀干為內(nèi)旋.

圖3　 人體方位圖Fig.3　Human orientation

上肢的運動按照運動的自由度可分為2類：

（1）單關(guān)節(jié)運動，即只進行單一關(guān)節(jié)的訓(xùn)練，如肘關(guān)節(jié)的彎曲和伸展運動.這是在康復(fù)訓(xùn)練的初期或者為了提高特定肌群的力量所采用的訓(xùn)練方式.運動方式單一，但目的性較強，可用于增強神經(jīng)系統(tǒng)對特定動作的印象，促進神經(jīng)功能的快速康復(fù).

（2）復(fù)合運動，在關(guān)節(jié)肌肉中，多關(guān)節(jié)肌占多數(shù)，所以必須進行復(fù)合運動訓(xùn)練.通過復(fù)合運動可以鍛煉肌肉的運動協(xié)調(diào)能力，以及對多種肌肉群的控制能力.復(fù)合運動主要采用基于特定任務(wù)的方式實現(xiàn)，如拿水杯喝水.一系列動作必須通過多關(guān)節(jié)的復(fù)合運動才能實現(xiàn).在訓(xùn)練時，因為要經(jīng)歷長時間多次嘗試與失敗，從心理上要給予患者積極的配合，提高患者康復(fù)的信心.進行復(fù)合運動時必須非常小心，避免肌肉損傷.

上肢輔助康復(fù)設(shè)備的運動必須設(shè)計成能夠復(fù)現(xiàn)正常人體上肢各種運動的狀態(tài)，以此帶動患者上肢肌肉的收縮與舒張［9］.將這種訓(xùn)練設(shè)計成不同的動作組.動作組由不同的運動模式（水平運動模式、豎直運動模式和伸展運動模式）組成.不同模式鍛煉不同的肌肉組織群，讓康復(fù)效果更好［10］.部分動作姿態(tài)如圖4所示.

圖4　 部分動作姿態(tài)Fig.4　Partial action pose

4　實 驗

上肢輔助康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備實物見圖5，利用其進行實驗.

圖5　 上肢輔助康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的實物圖Fig.5　Physical map of upper limb rehabilitation training equipment

4.1實驗樣本

實驗在天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院人體仿生學(xué)實驗室進行.隨機選取大一至大三學(xué)生共16人（8名男性，8名女性）作為實驗樣本.所有受試者均為身體健康、無運動系統(tǒng)病史的正常成年人，并在實驗人員的指導(dǎo)下認真閱讀了本次實驗方案，表示愿意接受實驗.受試者基本情況見表2.

表2　受試者的基本情況Tab.2　Human subjects

實驗內(nèi)容包括空載運行、單臂上肢牽引運動和雙臂上肢牽引運動：

（1）空載運行，為設(shè)備在無患者使用的狀態(tài)下進行無負載運動軌跡和動作測試；

（2）單臂上肢牽引運動實驗，為受試者坐在實驗椅上，將一只手臂固定在設(shè)備上進行實驗；

（3）雙臂上肢牽引運動實驗，為受試者坐在實驗椅上，將兩只手臂固定在設(shè)備上同時進行實驗.

用于分析的實驗數(shù)據(jù)主要有：實驗中舵機的運行狀況（是否發(fā)生異常抖動等）、液晶顯示和報警設(shè)備（用于運動角度的監(jiān)測）是否正常以及受試者的實驗感受等.

4.2實驗步驟

在空載運行時，通過觀察設(shè)備在運動過程中的抖動情況和轉(zhuǎn)動速度來查找程序設(shè)計的不足之處.在空載時觀察舵機在轉(zhuǎn)動的過程中是否有明顯的震動，同時觀察報警器的狀態(tài).在做空載雙臂同時測試時，還要使康復(fù)動作組兼顧左右兩臂運動的對稱性.

在單臂上肢牽引運動實驗時，將受試者的左臂和右臂輪流固定在上肢輔助康復(fù)設(shè)備的左臂或右臂上進行運動測試.記錄下受試者的整體感覺和手臂運動時的感受，觀察舵機的運動狀況和報警器的狀態(tài).

在雙臂上肢牽引運動實驗時，將受試者的雙臂分別固定在上肢輔助康復(fù)設(shè)備的左右臂上進行實驗，并且在不同的運動模式間進行切換，詢問受試者的感受及觀察舵機的運動狀況和報警器的狀態(tài).同時，還要觀察設(shè)備左右兩臂的運動是否對稱.

4.3實驗結(jié)果

在空載運動狀態(tài)下，舵機轉(zhuǎn)動角度正常，無明顯震動.但開始時，左右動作有些不對稱，通過程序調(diào)整解決了該問題.

在單臂和雙臂的上肢牽引運動實驗中，得到表3所示的數(shù)據(jù)（其他未列出的測試數(shù)據(jù)均為正常）.

表3　設(shè)備運行狀態(tài)Tab.3　Experimental result

表3中有4處出現(xiàn)異常.其中2號受試者和7號受試者出現(xiàn)的是舵機轉(zhuǎn)動異常，后經(jīng)查明是由于程序中占空比設(shè)置不合理造成的.改變設(shè)置后再無震動現(xiàn)象發(fā)生（由震動造成了受試者較差的感受）.2號受試者的液晶顯示出錯也是由舵機震動引起的，舵機不再震動之后液晶顯示也沒有再出現(xiàn)異常.5號受試者的蜂鳴器異常報警是由電路連接不穩(wěn)定引起的，對電路重新連接固定后沒有再出現(xiàn)異常.

5　結(jié) 語

本文根據(jù)人體醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)、結(jié)合對實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、通過設(shè)計具有可調(diào)性的機械結(jié)構(gòu)、搭建電路和控制系統(tǒng)，設(shè)計了上肢輔助康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備.利用預(yù)先設(shè)計的康復(fù)動作組，在選擇模式后可實施動作康復(fù)，并可將康復(fù)信息實時顯示在液晶顯示屏上.

該設(shè)備能夠在一定程度上代替康復(fù)理療師對患者的康復(fù)按摩，實現(xiàn)上肢運動康復(fù)的效果.同時，也考慮到占地面積小、易移動、輕便的特點，康復(fù)設(shè)備以座椅為依托，零部件盡量采用標準件，從而降低了制作成本，電壓采用24，V安全電壓，使用安全可靠.

通過對健康人體的上肢牽引運動實驗，驗證了設(shè)備的機械設(shè)計和控制系統(tǒng)的安全性、可靠性及舒適性.根據(jù)受試者的體驗報告和實驗中各舵機轉(zhuǎn)角以及角速度等信息，對機械裝置和控制程序進一步調(diào)整后，設(shè)備和各動作組的編排更加符合人體上肢生理運動規(guī)律.

下一步將應(yīng)用該設(shè)備，對上肢功能障礙患者進行實際的康復(fù)訓(xùn)練，并根據(jù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)進行設(shè)備的改進.參考文獻：

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責任編輯：常濤

Development of Human Upper Limb Rehabilitation Training Equipment

DAI Fengzhi，LIU Bo，YUE Yuanli，BAI Ruixiang

（College of Electronic Information and Automation，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300222，China）

Abstract：An upper limb rehabilitation training equipment was designed to help upper limb paralyzed patients progressively regain their upper limb moving ability.By programming the upper limb action sets，the training equipment is controlled to imitate the normal human upper limb movement，so that the patient could be trained for upper limb rehabilitation.The equipment is based on the knowledge related to physical medicine and the features of human physiological structure，and the region of human upper limb motion was tested for safety.After the material was selected and the mechanical structure was designed，highly accuracy high-torque steering motors were used for control.The result of the experiment shows that the motion of the rehabilitation training equipment is well in accordance with the laws of human upper limb movement.

Key words：upper limb rehabilitation；training equipment；safety；comfort；rehabilitation action set

中圖分類號：TH69

文獻標志碼：A

文章編號：1672-6510（2016）02-0057-05

收稿日期：2015-05-20；修回日期：2015-09-14

基金項目：天津科技大學(xué)科學(xué)研究基金資助項目（20130123）

作者簡介：戴鳳智（1971—），男，天津人，副教授，daifz@tust.edu.cn.

DOI:10.13364/j.issn.1672-6510.20150064