一種穿戴式康復(fù)外骨骼機(jī)械手的設(shè)計(jì)和分析

馬文章,肖飛云,王 勇

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

衛(wèi)生部心血管病防治研究中心資料顯示,截至2017年我國(guó)腦卒中患者超過(guò)1 762.77萬(wàn),40歲以上的患病人數(shù)已達(dá)1 242萬(wàn)。在腦卒中患者中大約有80%的人患有手部運(yùn)動(dòng)功能性障礙[1],導(dǎo)致他們無(wú)法完成日常生活活動(dòng),給家庭帶來(lái)生活負(fù)擔(dān)。然而,大量的研究表明,基于大腦的可塑性理論,連續(xù)被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)(continuous passive motion,CPM)療法可以有效地阻止肌肉萎縮,促進(jìn)神經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)功能重塑,從而防止肌腱黏連以及關(guān)節(jié)僵直,促進(jìn)運(yùn)動(dòng)部位血液循環(huán),改善患者關(guān)節(jié)的康復(fù)效果[2],以達(dá)到康復(fù)患肢的目的。通過(guò)佩戴機(jī)械手,患者可以自主進(jìn)行高效的被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練。目前,康復(fù)機(jī)械手的研究已經(jīng)成為世界康復(fù)工程以及機(jī)器人學(xué)科的一個(gè)重點(diǎn)研究方向[3]。綜合國(guó)內(nèi)外的手部康復(fù)裝置,按結(jié)構(gòu)可分為指尖牽引式機(jī)械手和外骨骼式機(jī)械手兩類[4]。牽引式機(jī)械手是把手掌固定在平臺(tái)上,動(dòng)力直接驅(qū)動(dòng)手指指尖,例如杭州正大醫(yī)療器械生產(chǎn)的手部關(guān)節(jié)持續(xù)被動(dòng)活動(dòng)儀[5],該訓(xùn)練儀使用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)5個(gè)手指指尖,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能夠?qū)崿F(xiàn)五指協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng),但是無(wú)法對(duì)單指單獨(dú)訓(xùn)練,不利于各掌指關(guān)節(jié)之間的運(yùn)動(dòng)功能康復(fù);外骨骼式機(jī)械手則把手指配戴在機(jī)構(gòu)上,讓機(jī)構(gòu)帶動(dòng)手指運(yùn)動(dòng)。

外骨骼機(jī)械手又可以分為柔性外骨骼機(jī)械手[6-7]和剛性外骨骼機(jī)械手兩類。在柔性外骨骼機(jī)械手中,以套索結(jié)構(gòu)機(jī)械手為代表,其結(jié)構(gòu)尺寸較小,外形能夠很好地貼合手部;但是套索結(jié)構(gòu)只能夠提供拉力,每個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)需要2個(gè)電機(jī),整體布線比較復(fù)雜,整體質(zhì)量較重,因而制作成本較高不利于推廣。以連桿和齒輪機(jī)構(gòu)為代表的剛性外骨骼機(jī)械手,具有良好的反向驅(qū)動(dòng)性與低柔度、低慣性、較好的增力效果[8]。但目前研究的機(jī)械手結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較大、質(zhì)量較重,在實(shí)際運(yùn)用中仍然有難度。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]研制了單指具有三自由度訓(xùn)練五指的機(jī)械手,該機(jī)械手每個(gè)手指設(shè)置3個(gè)電機(jī),可以完成對(duì)手指各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng),但是整個(gè)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)龐大、成本較高;文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]研制了單指具有兩自由度的十二桿機(jī)構(gòu)機(jī)械手,可以實(shí)現(xiàn)指尖軌跡在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng),但是結(jié)構(gòu)仍較復(fù)雜且占用空間較大,不利于穿戴;文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)了單自由度七桿手指康復(fù)外骨骼機(jī)械手,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單指2個(gè)手指關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng),但手指關(guān)節(jié)與機(jī)構(gòu)不能較好地匹配;文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)的齒輪齒條式手指康復(fù)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)了手指關(guān)節(jié)中心與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中心匹配,但因其機(jī)構(gòu)較高的布置導(dǎo)致穿戴穩(wěn)定性較差,在康復(fù)訓(xùn)練的時(shí)候機(jī)構(gòu)容易發(fā)生側(cè)翻,具有潛在的安全隱患。

另外,在人手康復(fù)的過(guò)程中,手部的姿態(tài)(腕部的彎曲角度和橈尺關(guān)節(jié)的姿態(tài)角度)對(duì)患者手部的舒適度以及康復(fù)的效果有很大影響[15]。在上述設(shè)計(jì)中,只對(duì)機(jī)械手手指運(yùn)動(dòng)角度進(jìn)行了設(shè)計(jì),沒(méi)有對(duì)腕關(guān)節(jié)和橈尺關(guān)節(jié)角度的考慮。

針對(duì)目前手部康復(fù)裝置存在的不足,本文采用雙平行四邊形機(jī)構(gòu)和關(guān)節(jié)對(duì)中結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕便、能與手指相容且穩(wěn)定性好的外骨骼機(jī)械手,同時(shí)增加腕關(guān)節(jié)和橈尺關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu);設(shè)計(jì)可以根據(jù)人手的具體尺寸參數(shù)數(shù)字化建模來(lái)適當(dāng)縮放機(jī)構(gòu)以適應(yīng)人手,采用3D打印的方式加工制作樣機(jī)。最后,對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 康復(fù)外骨骼機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 人手指的生物學(xué)分析

對(duì)人手指的研究是設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的一部分。除大拇指外的其余四指相對(duì)于手掌的運(yùn)動(dòng)分別由掌指關(guān)節(jié)(metacarpophalangeal joint,MCP Joint)、遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié)(distal inter phalangeal joint,DIP Joint)以及近端指間關(guān)節(jié)(proximal inter phalangeal joint,PIP Joint)決定,其中每個(gè)手指的自由度為4,掌指關(guān)節(jié)MCP Joint自由度為2,遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié)DIP Joint以及近端指間關(guān)節(jié)PIP Joint自由度均為1。大拇指的運(yùn)動(dòng)則由腕掌關(guān)節(jié)(carpometacarpal joint,CM Joint)、掌指關(guān)節(jié)(metacarpophalangeal joint,MP Joint)以及指間關(guān)節(jié)(interphalangeal joint,IP Joint)共同決定,其中大拇指的自由度為4,腕掌關(guān)節(jié)CM Joint自由度為2,掌指關(guān)節(jié)MP Joint以及指間關(guān)節(jié)IP Joint自由度均為1。人手結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 人手結(jié)構(gòu)模型

除大拇指外的四指各3個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)處于同一平面;各關(guān)節(jié)的彎曲/伸展、掌指關(guān)節(jié)MCP Joint的內(nèi)收/外展運(yùn)動(dòng)、大拇指的三關(guān)節(jié)彎曲/伸展以及腕掌關(guān)節(jié)CM Joint的內(nèi)收/外展運(yùn)動(dòng)都有一定的范圍。正常成人手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍[16]見(jiàn)表1所列。

表1 正常成人手指關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍

1.2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

人手有多個(gè)冗余的自由度,為保證必要的自由度以使外骨骼機(jī)械手輕便,采用3D打印技術(shù)制作塑料外骨骼。由于手指PIP Joint與DIP Joint在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有耦合[17],在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中對(duì)手指單獨(dú)的康復(fù)訓(xùn)練能帶動(dòng)內(nèi)收外展的肌肉群[18],對(duì)手指PIP Joint進(jìn)行設(shè)計(jì)即可。針對(duì)患者在康復(fù)的早期以及中期上肢不能夠自主伸展,特別是腕部以及橈尺關(guān)節(jié)不能夠自主運(yùn)動(dòng),設(shè)計(jì)了腕部以及橈尺關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

整個(gè)機(jī)械手主要包括5個(gè)手指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)、腕部彎曲/伸展機(jī)構(gòu)、橈尺關(guān)節(jié)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及底座?？祻?fù)外骨骼機(jī)械手樣機(jī)如圖2所示,主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)見(jiàn)表2所列。

1.手指訓(xùn)練機(jī)構(gòu) 2.腕部彎曲/伸展機(jī)構(gòu) 3.舵機(jī)控制開(kāi)發(fā)板 4.直流電源 5.橈尺關(guān)節(jié)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及底座

表2 機(jī)械手主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)

1.2.1 康復(fù)機(jī)械手手指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)

人手的5個(gè)手指結(jié)構(gòu)類似,在做彎曲伸展運(yùn)動(dòng)的時(shí)候可認(rèn)為3個(gè)關(guān)節(jié)在同一平面內(nèi),鑒于四指PIP Joint與DIP Joint的角度運(yùn)動(dòng)關(guān)系有一定的耦合,本設(shè)計(jì)僅對(duì)MCP Joint與PIP Joint驅(qū)動(dòng),大拇指僅對(duì)MP Joint與IP Joint驅(qū)動(dòng)。

根據(jù)人手抓握特性,將外骨骼機(jī)構(gòu)放置在操作者手背更為合理;為減輕訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的重量,采用輕便、體積小、扭矩大的舵機(jī)作為驅(qū)動(dòng),采用結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)準(zhǔn)確的空間四連桿結(jié)構(gòu)(RSSR)傳遞動(dòng)力。手指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)如圖3所示,其中連桿機(jī)構(gòu)ABCD即RSSR四連桿結(jié)構(gòu)。

圖3 手指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)

人手的四指MCP Joint之間有肌腱相連,為避免五指機(jī)構(gòu)的干涉,同時(shí)實(shí)現(xiàn)MCP Joint轉(zhuǎn)動(dòng)中心與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中心重合,避免造成對(duì)人手軟組織的二次損傷,采用圖3所示的雙平行四邊形遠(yuǎn)程投影中心機(jī)構(gòu)。在平行四邊形連桿EDFG中ED=GF,EG=DF,設(shè)置桿長(zhǎng)GI=FN,此時(shí),僅對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析,近節(jié)指骨擋板上的鉸接點(diǎn)I圍繞著N點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。平行四邊形連桿HJIL中HJ=GI,HG=JI,此機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)近節(jié)指骨擋板圍繞著N點(diǎn)旋轉(zhuǎn),連接近節(jié)指骨的構(gòu)件圍繞虛擬中心MCP Joint旋轉(zhuǎn)。

患者手指長(zhǎng)期處于蜷縮狀態(tài),在手指康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中,各手指之間需要有適當(dāng)?shù)慕嵌确种?。本設(shè)計(jì)采用關(guān)節(jié)對(duì)中的方式驅(qū)動(dòng)PIP Joint;在機(jī)構(gòu)上采用嫁接四連桿機(jī)構(gòu)JILMK使PIP Joint與鉸接點(diǎn)L重合,保證指關(guān)節(jié)與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)相容;如圖3所示,手指接觸的擋板覆蓋于手指的背部和兩側(cè)且設(shè)置了綁帶槽,穿戴時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)與人手緊密貼合,穿戴更加穩(wěn)定,保證了有一定的分指角度;驅(qū)動(dòng)兩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)相結(jié)合,減少了驅(qū)動(dòng)的數(shù)量,簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu),減輕了總體質(zhì)量,同時(shí)能節(jié)省手指背部的空間方便手指的運(yùn)動(dòng);設(shè)計(jì)對(duì)各個(gè)零件的尺寸參數(shù)化,并采用3D打印的方式制作樣機(jī)。對(duì)于不同手部尺寸的患者可以僅測(cè)量5個(gè)近節(jié)指骨的長(zhǎng)度,即可生成所有零件的尺寸。

1.2.2 腕部彎曲/伸展機(jī)構(gòu)

腕部彎曲/伸展機(jī)構(gòu)如圖4所示。設(shè)計(jì)的腕部彎曲/伸展機(jī)構(gòu)已調(diào)整訓(xùn)練時(shí)的舒適角度,如圖4中舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙擺桿機(jī)構(gòu);驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的擺臂完成對(duì)手腕的調(diào)整;采用鉸接中心重合的外骨骼結(jié)構(gòu)與腕關(guān)節(jié)相容。在康復(fù)訓(xùn)練后期,此機(jī)構(gòu)也可用于腕部康復(fù)訓(xùn)練。

1.2.3 橈尺關(guān)節(jié)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及底座

前臂翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及底座如圖5所示。設(shè)計(jì)了圖5中的橈尺關(guān)節(jié)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)調(diào)整橈尺關(guān)節(jié)角度方便患者穿戴,整個(gè)機(jī)構(gòu)采用舵機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。為增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性,在舵機(jī)同軸位置設(shè)置了軸承和支架,在另一側(cè)設(shè)置了擋板,此機(jī)構(gòu)也可用于橈尺關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練。

1.前臂固定外殼 2.軸承及支架 3.擋板 4.底座 5.舵機(jī)圖5 前臂翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及底座

2 康復(fù)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

康復(fù)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析主要研究機(jī)械手MCP Joint、PIP Joint關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度、關(guān)節(jié)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)平面的軌跡。同時(shí),在本次分析中規(guī)定機(jī)械手訓(xùn)練機(jī)構(gòu)繞z軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為彎曲動(dòng)作,繞z軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為伸展動(dòng)作。

在分析手指相對(duì)于掌指關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的位姿關(guān)系時(shí),掌指關(guān)節(jié)中心N點(diǎn)相對(duì)于坐標(biāo)系原點(diǎn)F固定,兩指節(jié)在動(dòng)件CD和機(jī)構(gòu)的作用下運(yùn)動(dòng)。5個(gè)手指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)原理相同,本文只分析食指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)。

2.1 康復(fù)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

康復(fù)機(jī)械手的手指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)分為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu),其中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為空間RSSR四連桿機(jī)構(gòu)?？臻g坐標(biāo)系如圖6所示,各參數(shù)含義見(jiàn)表3所列。其中:o1x1y1z1為主動(dòng)件AB坐標(biāo)系;o3x3y3z3為從動(dòng)件CD坐標(biāo)系;o4x4y4z4為機(jī)架AD的坐標(biāo)系;桿件方向指與桿件所在的軸比較,正方向一致時(shí)為正。

圖6 空間RSSR四連桿機(jī)構(gòu)

表3 RSSR四連桿機(jī)構(gòu)各參數(shù)含義

為便于分析,取機(jī)架的z4軸與原動(dòng)件的z1軸重合;原動(dòng)件AB與從動(dòng)件DC分別為x1以及x3的軸;選取z1與z3的公垂線為x4軸的方向。

對(duì)B點(diǎn)、C點(diǎn)進(jìn)行分析。對(duì)于B點(diǎn)位置,在o1x1y1z1坐標(biāo)系下為(l1,0,0),坐標(biāo)系o1x1y1z1相對(duì)于o4x4y4z4的坐標(biāo)變換為o1x1y1z1先與o4x4y4z4重合再沿著z4軸平移s4,然后繞z4軸旋轉(zhuǎn)θ1，則有:

(1)

同理對(duì)C點(diǎn)的坐標(biāo)變化進(jìn)行分析,可得C點(diǎn)相對(duì)于坐標(biāo)系o4x4y4z4關(guān)于θ3的坐標(biāo)為:

(2)

由于在空間RSSR四連桿機(jī)構(gòu)中,桿件BC的長(zhǎng)度l2為定值,其約束方程為:

(3)

將所得的B點(diǎn)(1)式與C點(diǎn)(2)式的坐標(biāo)帶入約束方程(3),化簡(jiǎn)得到其關(guān)于θ3的標(biāo)準(zhǔn)三角方程形式:

Acosθ3+Bsinθ3+C=0

(4)

其中

B=-h/l1-cosθ1;

求解方程(4)可得θ3為:

(5)

(5)式θ3有2個(gè)值,根據(jù)圖6所在的位置以及四連桿運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性可以判定此時(shí)應(yīng)取正值。

手指執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖7所示。

圖7 手指訓(xùn)練執(zhí)行機(jī)構(gòu)

圖7中整個(gè)機(jī)構(gòu)為八桿機(jī)構(gòu):驅(qū)動(dòng)MCP Joint的為雙平行四邊形機(jī)構(gòu),驅(qū)動(dòng)PIP Joint的為平面四桿機(jī)構(gòu);以F點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),規(guī)定以繞z軸的逆時(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)檎较?。圖7中各參數(shù)含義見(jiàn)表4所列。

表4 手指訓(xùn)練執(zhí)行機(jī)構(gòu)各參數(shù)含義

在平行四邊形機(jī)構(gòu)DEGF中,l5=l71,l61=DF;平行四邊形機(jī)構(gòu)GHJI中,l72=l91,l62=l81;做出輔助線FN與IN,在雙平行四邊形機(jī)構(gòu)中,N點(diǎn)為I點(diǎn)遠(yuǎn)程虛擬運(yùn)動(dòng)中心,投影在MCP Joint上,此時(shí),剛性桁架JIL圍繞著N點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

由平行四邊形的性質(zhì)可得:

θN=θ3+α5+α93

(6)

根據(jù)雙平行四邊行的桿長(zhǎng)特性,此機(jī)構(gòu)中,平行于機(jī)架DF的所有桿件角度不變化;其余桿件的夾角變化相同,故有:

θ8=α6-α8

(7)

θ91=θ3+α5-α7-α92

(8)

(9)

由歐拉公式展開(kāi)可得:

(10)

聯(lián)立(7)式～(9)式,消去θ10可得:

Acosθ11+Bsinθ11+C=0

(11)

其中

A=l93cosθ91-l83cosθ8;

B=l93sinθ91-l83sinθ8;

求解(11)式可得:

(12)

代入(10)式可得:

(13)

由圖7中的關(guān)系可得:

θL=θ11+α11

(14)

由(14)式和(12)式可知，PIP Joint的轉(zhuǎn)動(dòng)角是θL關(guān)于θ3的函數(shù),圖7中近節(jié)指骨與中節(jié)指骨長(zhǎng)度分別為lN、lL,可得兩指間關(guān)節(jié)所對(duì)應(yīng)的兩點(diǎn)L與O的關(guān)系式如下:

(15)

L、O點(diǎn)的位置表達(dá)式為:

(16)

L、O點(diǎn)的速度表達(dá)式為:

(17)

由(6)式～(8)式、(12)式、(14)式可知,當(dāng)桿件長(zhǎng)度和夾角一定時(shí),手指關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角均為輸入角θ3的函數(shù),表明外骨骼機(jī)械手能帶動(dòng)手指兩關(guān)節(jié)相互協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

通過(guò)以上運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,從理論上證明了機(jī)械手手指訓(xùn)練機(jī)構(gòu)使用單個(gè)輸入能夠?qū)崿F(xiàn)2個(gè)關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng),證實(shí)了簡(jiǎn)化關(guān)節(jié)自由度的可行性,同時(shí)為運(yùn)動(dòng)角度的控制奠定了理論基礎(chǔ)。

2.2 康復(fù)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

通過(guò)對(duì)手指正常彎曲伸展過(guò)程的分析可知,近端指間關(guān)節(jié)PIP Joint與遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié)DIP Joint有一定的耦合關(guān)系[17],其關(guān)系約為:

θPIP=0.5θDIP

(18)

利用SolidWorks建立外骨骼機(jī)械手的三維模型,把模型導(dǎo)入ADAMS中,按照材料實(shí)際的屬性設(shè)置相應(yīng)的質(zhì)量參數(shù)以及接觸參數(shù),并添加相應(yīng)的約束和驅(qū)動(dòng)。設(shè)定1個(gè)周期的仿真時(shí)間為4 s,舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)為階躍函數(shù),即

(19)

食指關(guān)節(jié)以及指尖點(diǎn)在平面的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖8所示;食指3個(gè)關(guān)節(jié)的角度變化曲線如圖9所示;食指關(guān)節(jié)的彎曲角速度變化曲線如圖10所示。

圖8 食指關(guān)節(jié)以及指尖點(diǎn)在平面的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖9 食指各關(guān)節(jié)的角度變化曲線

圖10 食指兩關(guān)節(jié)的彎曲角速度變化曲線

通過(guò)對(duì)手指一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的分析可知,手指3個(gè)關(guān)節(jié)的角度變化為:ΔθMCP=70°,ΔθPIP=85°,ΔθDIP=42.5°。這與設(shè)計(jì)的最大康復(fù)角度一致。

從圖9、圖10可以看出,3個(gè)關(guān)節(jié)的角度和角速度均在允許的一定范圍內(nèi)變化。

3 樣機(jī)試驗(yàn)與分析

本文對(duì)康復(fù)機(jī)械手的穿戴適應(yīng)性和機(jī)械手對(duì)手指的實(shí)際運(yùn)動(dòng)效果進(jìn)行驗(yàn)證。首先,本文對(duì)多名手型號(hào)相仿的男性志愿者的手部尺寸進(jìn)行測(cè)量,并對(duì)機(jī)械手機(jī)構(gòu)參數(shù)化建模;然后,利用3D打印技術(shù)制作出零件并裝配樣機(jī),在機(jī)械結(jié)構(gòu)與人體接觸的地方設(shè)置棉墊和彈性綁帶,搭建出實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

(1) 對(duì)機(jī)械手進(jìn)行穿戴適應(yīng)性和五指被動(dòng)訓(xùn)練的驗(yàn)證。調(diào)整腕部和橈尺關(guān)節(jié)的角度,五指分別穿戴在指骨擋板上。機(jī)械手佩戴調(diào)整過(guò)程如圖11所示。

圖11 佩戴調(diào)整過(guò)程

通過(guò)對(duì)志愿者佩戴和調(diào)整外骨骼機(jī)械手時(shí)的反應(yīng)和觀察,志愿者手部均能較好地貼合在機(jī)械手上,手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中心和機(jī)構(gòu)投影中心能夠同軸,訓(xùn)練過(guò)程中手指與機(jī)構(gòu)未發(fā)生側(cè)翻和卡頓。

(2) 對(duì)手指2個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角和轉(zhuǎn)動(dòng)角速度進(jìn)行測(cè)量,驗(yàn)證康復(fù)機(jī)械手對(duì)手指的實(shí)際運(yùn)動(dòng)效果。試驗(yàn)采用彎曲角度傳感器Flex Sensor 2.2測(cè)量實(shí)際彎曲角度,該傳感器形為帶狀,質(zhì)地柔軟,能夠很好地貼合在手指背部。在舵機(jī)控制板上寫(xiě)入與仿真相同的驅(qū)動(dòng)函數(shù),通過(guò)stm32f107的AD模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采樣頻率為100 Hz,并將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊傳輸至上位機(jī);通過(guò)軟件Matlab對(duì)角度信號(hào)進(jìn)行處理。試驗(yàn)平臺(tái)如圖12所示。

1.電源 2.舵機(jī)控制開(kāi)發(fā)板 3.面包板 4.數(shù)據(jù)采集裝置 5.電源 6.藍(lán)牙發(fā)送模塊 7.機(jī)械手 8.彎曲角度傳感器

本試驗(yàn)對(duì)8組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理,食指各關(guān)節(jié)的角度變化和角速度變化如圖13所示。

圖13 食指各關(guān)節(jié)的角度和角速度變化

由圖13a可知,MCP Joint最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度的平均值為82.3°,PIP Joint的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度的平均值為69.2°,實(shí)際角度與理論角度之間的誤差分別為3.1%、1.1%,重復(fù)性誤差均小于5%。由圖13b可知:由于裝置裝配難免有間隙,在0.3 s和3.7 s左右食指的關(guān)節(jié)角速度有突變,此時(shí)關(guān)節(jié)的角度處于接近0°的位置,此時(shí)角速度較小且手關(guān)節(jié)本身就有緩沖沖擊的特點(diǎn)[16](見(jiàn)圖11),采用彈性綁帶固定手指,在關(guān)節(jié)速度突變時(shí)起到一定的保護(hù)作用,使得機(jī)械手對(duì)人體的安全性得到保證;2個(gè)關(guān)節(jié)角速度的極值分別為70°/s、65.5°/s,且角速度的曲線走勢(shì)與仿真所得的曲線一致。

綜上分析可知,機(jī)械手耦合手指關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度能夠滿足設(shè)計(jì)要求,關(guān)節(jié)的角速度在仿真所允許的范圍之內(nèi),能夠達(dá)到腦卒中患者手部康復(fù)訓(xùn)練的要求。

4 結(jié) 論

(1) 本文針對(duì)目前手部康復(fù)訓(xùn)練裝置價(jià)格昂貴、相容性差、受力不合理的現(xiàn)狀,基于人手生物學(xué)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種適用于腦卒中偏癱患者手部康復(fù)的機(jī)械手。該機(jī)械手手指采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng),利用雙平行四邊形投影機(jī)構(gòu)和軸線重合的結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式帶動(dòng)患指,具有較好的相容性。

(2) 根據(jù)實(shí)際穿戴需求,設(shè)計(jì)了腕關(guān)節(jié)和橈尺關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)。建立了機(jī)械手手指?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,推出機(jī)械手與手指運(yùn)動(dòng)理論運(yùn)動(dòng)學(xué)函數(shù),并仿真得出結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果證明,手指運(yùn)動(dòng)角度重復(fù)性誤差小于5%,運(yùn)動(dòng)角速度與仿真結(jié)果一致,驗(yàn)證了機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的可靠性,表明該機(jī)械手能夠滿足手部康復(fù)訓(xùn)練的要求。

(3) 通過(guò)樣機(jī)的試驗(yàn)和理論證明初步驗(yàn)證了本文機(jī)械手設(shè)計(jì)的可行性,對(duì)手部康復(fù)訓(xùn)練有一定的促進(jìn)作用。但是由于試驗(yàn)樣本容量較少,其康復(fù)的有效性需要做進(jìn)一步驗(yàn)證。