便攜式手外骨骼康復(fù)裝置結(jié)構(gòu)研究

（東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110819）

便攜式手外骨骼康復(fù)裝置結(jié)構(gòu)研究

肖鍇，周一方，張璞，雒佳，楊建宇

（東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110819）

本文針對當(dāng)下手外骨骼康復(fù)裝置的研究現(xiàn)狀及其裝置體積重量過大、靈活性差、康復(fù)性差、實用性差、應(yīng)用價值小等缺點，提出了一種全新設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)的手部外骨骼康復(fù)裝置的食指部分的結(jié)構(gòu)。先對手部外骨骼的研究背景、研究意義展開討論，接著介紹此版手部外骨骼的機械結(jié)構(gòu)，最后簡要的介紹外骨骼的驅(qū)動電路的設(shè)計。

中風(fēng)患者；手部外骨骼；康復(fù)裝置

我國腦中風(fēng)患者約有3/4的病人在不同程度上失去了勞動和生活自理能力?，F(xiàn)今的康復(fù)辦法為由康復(fù)醫(yī)師對患者實施康復(fù)療法，造成了康復(fù)成本昂貴，人力資源短缺等問題。所以開發(fā)一款手部外骨骼來協(xié)助患者的康復(fù)變得越來越重要?？祻?fù)性手部外骨骼的出現(xiàn)將會為廣大的中風(fēng)患者提供巨大的幫助。

手部外骨骼的研究始于20世紀90年代，現(xiàn)已有多種手部外骨骼結(jié)構(gòu)方案。Andreas Wege和他的同事開發(fā)了一款連桿機構(gòu)的手部外骨骼，但是這種結(jié)構(gòu)仍存在體積過大，運動笨拙精度不高等缺點。Xun Luo及他的同事開發(fā)了一套用增強現(xiàn)實來幫助康復(fù)的手部外骨骼，但其控制精度值得進一步論證且結(jié)構(gòu)欠缺實用性。Satoshi Ito及他的同事開發(fā)了一款固定式手部外骨骼，雖然機械性能可靠，但是其便攜性及實用性仍有差距。Vishalini Bundhoo及他的同事開發(fā)了一款以記憶彈簧為驅(qū)動器的線驅(qū)外骨骼，雖然大大減少了結(jié)構(gòu)的尺寸，但是裝置的輸出功率及精度卻仍有待提升。

本文針對上述問題提出了一種以電機齒輪驅(qū)動為主體配合優(yōu)化的耦合方案為結(jié)構(gòu)的新型手部外骨骼。本文先介紹了此種外骨骼的結(jié)構(gòu)組成及結(jié)構(gòu)原理。然后又對結(jié)構(gòu)進行了運動學(xué)仿真分析并討論了仿真分析的結(jié)論及實用性。下面具體的討論這種新型的手部外骨骼康復(fù)裝置的方案。

1 結(jié)構(gòu)原理（圖1）

本文設(shè)計的手部外骨骼裝置的組成部分為食指第一指節(jié)，食指第二指節(jié)，食指第三指節(jié)，手背上固定的導(dǎo)軌及導(dǎo)軌上支撐的第三指節(jié)驅(qū)動滑塊，分別固定在第三指節(jié)電機固定槽里的二級電機與固定在第三指節(jié)驅(qū)動滑塊里的一級電機，主從耦合帶輪之間的鋼絲及松緊帶。食指第三指節(jié)由電機固定槽，一級耦合驅(qū)動輪組成。食指第一指節(jié)上包含次級耦合驅(qū)動輪，食指第二指節(jié)上包含第二指節(jié)驅(qū)動齒輪。

第三指節(jié)的一級耦合驅(qū)動輪與第二指節(jié)之間由鉚釘連接形成轉(zhuǎn)動副，第二指節(jié)驅(qū)動齒輪與第三指節(jié)之間由鉚釘連接形成轉(zhuǎn)動副；第一指節(jié)上的次級耦合驅(qū)動輪與第二指節(jié)指節(jié)鉚釘連接形成轉(zhuǎn)動副，第一指節(jié)連接孔與第二指節(jié)連接孔由鉚釘連接形成轉(zhuǎn)動副；第三指節(jié)與推桿之間形成鉚釘連接轉(zhuǎn)動副，推桿與第三指節(jié)驅(qū)動滑塊之間形成鉚釘連接轉(zhuǎn)動副，滑塊與導(dǎo)軌之間形成滑動副，導(dǎo)軌通過固定裝置固定在手背上。

圖1 結(jié)構(gòu)原理圖

固定在第三指節(jié)驅(qū)動滑塊電機固定槽里的電機通過控制系統(tǒng)控制通電轉(zhuǎn)動，電機輸出軸上的圓柱形齒輪與齒條嚙合并傳遞動力，驅(qū)動整個滑塊前后運動。滑塊的前后運動推動或拉動推桿的運動，推桿拉動或者推動食指第三指節(jié)。第三指節(jié)上的松緊帶致力于使手指第三指節(jié)與外骨骼第三指節(jié)之間的縫隙變化不超過允許值，否則會影響機構(gòu)的運動效果。

第三指節(jié)電機固定槽里的電機通過控制電路控制通電轉(zhuǎn)動，輸出軸上的圓柱齒輪與第二指節(jié)驅(qū)動齒輪相嚙合，通過電機的轉(zhuǎn)動帶動驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)動。由于驅(qū)動齒輪與第二指節(jié)是固定的，所以驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)動直接驅(qū)動第二指節(jié)的轉(zhuǎn)動。第二指節(jié)的轉(zhuǎn)動通過耦合裝置將動力傳遞到第一指節(jié)，導(dǎo)致第一指節(jié)隨動，完成了對第一指節(jié)的驅(qū)動。

整個手部外骨骼裝置在控制電路的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，完成近似正常手部運動的運動軌跡，對于佩戴此手部外骨骼的患手進行驅(qū)動，完成康復(fù)動作。

2 運動學(xué)仿真分析

圖2 人手生理結(jié)構(gòu)圖

人手生理結(jié)構(gòu)圖見圖2。

根據(jù)Janyu Yang及其同事的工作，我們擁有了手指動作的函數(shù)。如式（1）與（2）所示。

其中在公式（1）中x代表MCP轉(zhuǎn)動角度，y代表PIP轉(zhuǎn)動角度。在公式（2）中u代表PIP轉(zhuǎn)動角度，v代表DIP轉(zhuǎn)動角度。上述公式是由上述團隊把角度傳感器裝置佩戴到正常人的手上后進行了11次抓握并進行相關(guān)數(shù)學(xué)計算后得出的優(yōu)化解。

表1中列出了所涉及的符號及其相關(guān)含義以及對應(yīng)的數(shù)值，以下內(nèi)容均以表1為基礎(chǔ)展開。

如圖3所示，考慮了零件形狀，滑塊推進時對指套產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)力矩等因素后，該裝置的預(yù)想效果是電機驅(qū)動滑塊從C運動至E，使手指從水平位置移動到數(shù)值位置，即運動了90°。

圖3 第三指節(jié)運動簡圖

表1 相關(guān)符號及其物理意義及數(shù)值

根據(jù)機構(gòu)的幾何形狀及其幾何關(guān)系可以推導(dǎo)出第三指節(jié)的運動學(xué)方程如（3）所示。

由于第一指節(jié)與第二指節(jié)之間存在耦合驅(qū)動關(guān)系，且DIP第一指節(jié)關(guān)節(jié)與PIP第二指節(jié)關(guān)節(jié)之間的耦合驅(qū)動輪半徑之比為1:1.4。由此可知第一指節(jié)轉(zhuǎn)動角度與第二指節(jié)轉(zhuǎn)動角度之間成線性關(guān)系。如圖4所示，即為耦合裝置的實物圖。耦合裝置由兩個成一定比例的驅(qū)動線輪及鋼絲組成。鋼絲纏繞在驅(qū)動線輪上并保持一定的預(yù)緊力，以此達到耦合驅(qū)動的目的。

圖4 第一指節(jié)與第二指節(jié)間耦合驅(qū)動結(jié)構(gòu)圖

圖5 PIP與DIP間的仿真曲線

真實的手部的運動經(jīng)過安裝角度傳感器后進行抓握伸展等動作后，得出手指各個關(guān)節(jié)之間的角度關(guān)系，這個關(guān)系可以用一個函數(shù)進行表示。圖5中的紅色曲線代表真實手指的PIP關(guān)節(jié)與DIP關(guān)節(jié)之間的角度關(guān)系。為使裝置實現(xiàn)手指的伸展與彎曲，手掌的抓握等功能，且賦予研究更加嚴謹?shù)目茖W(xué)性，使用了MATLAB進行裝置的運動學(xué)仿真。第三指節(jié)轉(zhuǎn)動角度與滑塊的運動距離間的仿真關(guān)系如圖6，第一指節(jié)與第二指節(jié)之間的轉(zhuǎn)動角度之間的仿真關(guān)系如圖6。通過提取仿真曲線上的數(shù)據(jù)可獲得完成一次手指彎曲時的各個關(guān)節(jié)及滑塊的運動角度及運動距離數(shù)據(jù)。據(jù)圖可以看出，機構(gòu)的運動曲線趨近于真實手指的運動曲線，曲線間的誤差處于可信區(qū)間之內(nèi)。所以可以判定，本文討論的手部外骨骼裝置可以完成康復(fù)手部運動的功能。

圖6 MCP第三指節(jié)與滑塊間的仿真曲線

3 結(jié)語

本文為了達到幫助中風(fēng)患者治療手部殘疾的目的，研究開發(fā)了一款手部外骨骼裝置，該裝置可以通過松緊帶等部件固定于手部佩戴以實現(xiàn)幫助患手實現(xiàn)反復(fù)抓握的動作。本文對該裝置進行了機構(gòu)分析，運動仿真等研究工作。分析與實驗結(jié)果表明，該裝置能有效實現(xiàn)預(yù)期目標。

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[6]Vishalini Bundhoo, Edmund Haslam, Benjamin Birch, Edward J. Park, A shape memory alloy-based tendon-driven actuation system for biomimetic artifcialfngers,partI:designandevaluation,R obotica27(01)(2009)131–146.

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本文研究工作得到自然基金（N51505072）的資助。