多自由度可穿戴上肢助力康復(fù)訓(xùn)練肌肉服

李遠(yuǎn)利　方藝芬　曾惠瑩　許建華

摘 要：隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展以及氣動(dòng)技術(shù)本身的優(yōu)點(diǎn)，氣動(dòng)器械手已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)自動(dòng)化的各個(gè)行業(yè)。氣動(dòng)肌肉作為一種新型的氣動(dòng)執(zhí)行元件，具有結(jié)構(gòu)簡單、功率、柔性好等特點(diǎn)。本論文在分析人體上肢運(yùn)動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出適合穿戴的關(guān)于多自由度可穿戴的上肢助力康復(fù)訓(xùn)練肌肉服。這種“肌肉服”適用于非健康的人，例如殘疾患者、老年人、缺乏力度等群體，此套裝是氣動(dòng)肌肉裝置，按照合理的布局緊貼身體且佩戴在精確的位置。

關(guān)鍵詞：氣動(dòng)肌肉；康復(fù)訓(xùn)練；肌肉服

1課題研究背景及意義

本文研究的肌肉服目的旨在設(shè)計(jì)一種重量輕，柔軟靈活，易穿戴的全能型“肌肉服”，以使用于支持力缺乏的人。如體力勞動(dòng)者、老年人和腦損傷患者，減輕體力勞動(dòng)者的肌肉負(fù)擔(dān)。仿人類上肢運(yùn)動(dòng)肌肉組織方式，使氣動(dòng)肌肉在人體關(guān)節(jié)部位精確位置的布局，分析各關(guān)鍵參數(shù)對(duì)外骨骼結(jié)構(gòu)與人體協(xié)調(diào)動(dòng)作的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)肌肉服機(jī)械結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2國內(nèi)外現(xiàn)狀及其分析

人機(jī)交互技術(shù)：

通過計(jì)算機(jī)輸入、輸出和其他輔助智能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)對(duì)話和互動(dòng)的技術(shù)，幫助患者對(duì)運(yùn)動(dòng)再學(xué)習(xí)的技能進(jìn)行深度感知和記憶，激發(fā)患者主動(dòng)參與訓(xùn)練的興趣并通過計(jì)算機(jī)下達(dá)指令，來解放治療師，節(jié)省了人力物力并可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地記錄患者的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，為準(zhǔn)確分析和評(píng)定康復(fù)效果提供實(shí)證并作為醫(yī)學(xué)的依據(jù)。

與國外相比，我國在上肢智能助力研究上雖然起步比較晚，但發(fā)展勢頭迅速，并研制出各種類型高技術(shù)智能助力原理樣機(jī)。如哈爾濱工程大學(xué)的研究成果有仰臥式下肢康復(fù)機(jī)器人、多功能助行機(jī)器人；浙江大學(xué)流體與傳動(dòng)控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種新型可穿戴下肢步行外骨骼機(jī)構(gòu)；東南大學(xué)精儀系將力反饋遙操作機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)療，設(shè)計(jì)了基于互聯(lián)網(wǎng)的、一對(duì)多的力覺輔助遠(yuǎn)程康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)。但是這些外骨骼機(jī)器人往往功能單一，結(jié)構(gòu)笨重，靈活性不強(qiáng)，舒適性不夠好，且助力效果十分有限。

與這些外骨骼機(jī)器人相比較，此研究考慮了穿戴者在柔韌性、舒適性、適用性、方便性等方面的多項(xiàng)人體工學(xué)指標(biāo)，設(shè)計(jì)出了一款引導(dǎo)人體動(dòng)作，強(qiáng)化人體機(jī)能，改善人體在多種運(yùn)動(dòng)時(shí)的全能型的可穿戴式肌肉服。

3氣動(dòng)肌肉研究

氣動(dòng)肌肉是一種類似于生物仿生肌肉的氣動(dòng)執(zhí)行元件，氣動(dòng)肌肉是由內(nèi)部的橡膠管以及外部的編織網(wǎng)構(gòu)成，充氣后可實(shí)現(xiàn)徑向的膨脹和軸向的收縮。這開創(chuàng)了氣動(dòng)肌肉應(yīng)用的先河。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

人體上肢運(yùn)動(dòng)分析

由于人體上肢運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，自由度較多，為了肌肉服對(duì)人體運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生太大的干涉，多自由度可穿戴柔性助力氣動(dòng)肌肉服要求結(jié)構(gòu)簡單、安全便捷。因此在本章題中研究上肢的各種基本運(yùn)動(dòng)。

動(dòng)作形式是由上肢各環(huán)節(jié)共同參與完成的，上肢包括肩關(guān)節(jié)、上臂、肘關(guān)節(jié)、前臂、腕關(guān)節(jié)、手部。手部與前臂通過腕關(guān)節(jié)相連，前臂與上臂通過肘關(guān)節(jié)相連，上臂與軀干通過肩關(guān)節(jié)相連。人體手臂共有多個(gè)自由度。人上肢日常運(yùn)動(dòng)涉及的多個(gè)自由度，分別是：肩關(guān)節(jié)的屈/伸、外展/內(nèi)斂和外旋/內(nèi)旋，肘關(guān)節(jié)的屈/伸、腕關(guān)節(jié)的屈伸和外展/內(nèi)斂，前臂的旋內(nèi)/旋外。如圖2所示。

4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本多自由度可穿戴上肢助力康復(fù)訓(xùn)練肌肉服研究是根據(jù)人體肌肉的走向，如圖3。以人機(jī)工程學(xué)、線牽引助力穿戴式裝備設(shè)計(jì)、材料學(xué)、人體運(yùn)動(dòng)、生物仿真、上肢壓力分布等為基礎(chǔ)，以及從主觀舒適度和客觀舒適度出發(fā)，全面系統(tǒng)地衡量了影響助力穿戴機(jī)械裝備舒適度的因素，最終確立了肌肉服助力裝備舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)。繼而基于此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)相關(guān)因素進(jìn)行設(shè)計(jì)指導(dǎo)，包括結(jié)構(gòu)、尺寸、關(guān)節(jié)自由度、重量重心、材料、連接裝置等。

5創(chuàng)新點(diǎn)

整個(gè)裝置可穿戴在使用者身上，其中手臂可以實(shí)現(xiàn)肩部外展/內(nèi)收，肘關(guān)節(jié)的屈/伸，肩部伸展和肘部的屈伸是通過氣動(dòng)肌肉收縮完成，而其相反運(yùn)動(dòng)通過手臂自身的重力來實(shí)現(xiàn)。該肌肉服總共安裝4根氣動(dòng)肌肉，每根肌肉后端連接氣泵，前端則直接與衣服連接。設(shè)計(jì)的多自由度可穿戴柔性助力氣動(dòng)肌肉服質(zhì)量輕、穿戴方便、安全性能高、柔順性好、成本低，患肢在進(jìn)行主動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)有明顯的束縛感，可實(shí)現(xiàn)對(duì)患者上肢的運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)訓(xùn)練，此外，肌肉服的制造仿生人體肌肉，然后布局合理的佩戴在精確的位置。這些特點(diǎn)使“肌肉服”對(duì)穿著者沒有精確的規(guī)定即尺寸可靈活調(diào)整。易于穿戴且易于收納這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也增大了康復(fù)系統(tǒng)的適用范圍。多自由度可穿戴柔性助力氣動(dòng)肌肉服技術(shù)成熟和功能擴(kuò)展后可應(yīng)用到醫(yī)療、健身或特戰(zhàn)裝備、軍用運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，具有良好的市場應(yīng)用前景和重大的技術(shù)推廣價(jià)值。

整個(gè)肌肉服控制系統(tǒng)框圖如圖5所示通過簡單開關(guān)控制氣壓的大小，達(dá)到上肢運(yùn)動(dòng)的效果。實(shí)際測量上肢康復(fù)機(jī)器人的基本運(yùn)動(dòng)范圍如下：肩部外展/內(nèi)收為0°～90°；肘部屈/伸為0°～90°。

6多自由度可穿戴柔性助力氣動(dòng)肌肉服的實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)裝置包括前面所介紹的肌肉服其結(jié)構(gòu)部分實(shí)物如圖下仿人肩關(guān)節(jié)所示。我們采用開關(guān)按鈕觸發(fā)，只需要手掌一握觸到手心的開關(guān)即可啟動(dòng)。與電機(jī)驅(qū)動(dòng)不同，此研究采用氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)，只需啟動(dòng)靜音空氣壓縮機(jī)，調(diào)整氣閥控制裝置即可達(dá)成氣動(dòng)肌肉收縮來達(dá)到康復(fù)助力效果。如圖7所示。

參考文獻(xiàn)：

[1]李會(huì)軍，宋愛國.上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究進(jìn)展及前景[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2006（04）：32-36.