手指康復機器人的設(shè)計與研究

齊賀男 吳學鋒 李東亞

摘要：手指康復機器人是一種特殊的新型機器人，為臨床手功能障礙患者提供新的治療方案，可以有效幫助患者順利完成康復訓練活動。旨在設(shè)計一款手指康復機器人，用機器人來代替康復理療師的工作。通過分析人手的生理學結(jié)構(gòu)與生物機能，得到了人手的運動狀態(tài)。對手指空間機構(gòu)分析，選擇單自由度手指機械結(jié)構(gòu)。為解決手關(guān)節(jié)康復角度與垂直力的問題，引入滑塊與導軌機構(gòu)，運用Creo三維軟件完成手指康復機器人模型。通過D-H方法，分析手指康復機器人的正逆運動學，建立雅克比矩陣，完成動力學方程。選擇適當?shù)碾姍C類型與傳動方式，模塊化設(shè)計出手指康復機器人。為了提高康復過程中感知能力，設(shè)計并研究力與位置傳感器應(yīng)用范圍。實驗結(jié)果表明，該手指康復機器人可以完成患者的康復訓練活動，有利于未來醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：手指康復機器人;D-H方法;雅克比矩陣;模塊化

中圖分類號：TP24

文獻標志碼：A

文章編號：1009-9492（ 2022）02-0059-04

0 引言

隨著人口逐年增加，肢體殘疾引起的病癥越來越多，其中手指患者人數(shù)所占比例是最大的[1]，對于喪失手部運動功能給患者本人生活帶來不便，最為嚴重的是引發(fā)心理疾病[2]。因此，對于康復手功能障礙的設(shè)備需求急劇增加。然而，目前國內(nèi)外出現(xiàn)的各類手功能恢復性設(shè)備大多都存在缺點，比如結(jié)構(gòu)笨重、控制不穩(wěn)定，易造成二次損傷，因而大多數(shù)患者不愿意使用[3]。傳統(tǒng)的設(shè)計基于理論模型，缺乏實際康復效果，為避免以上問題，設(shè)計與研究新一代手指康復機器人具有重要意義。

本文以手指作為切入點，首先分析手指彎曲/伸展與偏轉(zhuǎn)的功能，通過研究生理學特性得出關(guān)節(jié)自由度所能運動的范圍，進而分析出人手康復的基本原理。為了更好地實現(xiàn)康復效果，采用圖解與分析法，設(shè)計出雙自由度與單自由度相結(jié)合的結(jié)構(gòu)類型。通過進行正逆運動學分析，確定各個關(guān)節(jié)的運動位置，從而確定了手指末端的活動范圍，進而計算出動力學方程，得到了雅可比矩陣。選取最為合理的傳動方案，以便人手關(guān)節(jié)在安全的范圍內(nèi)進行康復活動。參考人類手指三關(guān)節(jié)所能承受的力矩的范圍，計算并且確定電機型號。通過Creo三維軟件，采用模塊化設(shè)計思路，設(shè)計出整體的結(jié)構(gòu)圖紙，即整體結(jié)構(gòu)分為底座固定端與手指康復端?？紤]到手指在康復過程中需要有感知能力，以保證康復患者的安全性。本文設(shè)計并計算出新型的力的傳感器與位置傳感器，在整機完成實物后，將傳感器貼片安裝在所需監(jiān)測的位置，以便測量此處位置力與力矩的大小。最后，本文通過實驗確保了設(shè)計的合理性，能夠順利實現(xiàn)患者的康復訓練活動，并為該行業(yè)的發(fā)展提供了有力依據(jù)。

1 手指康復機器人機構(gòu)設(shè)計與分析

手指康復機器人是新型康復理療設(shè)備，它可以滿足手部患者彎曲/伸展以及偏轉(zhuǎn)的康復運動?？紤]到患者在治療過程中行動不便，為了設(shè)備便于攜帶與操作，因此，應(yīng)該盡量進行輕量化設(shè)計[4]。同時，為了避免患者二次傷害，應(yīng)該準確考慮末端執(zhí)行機構(gòu)的位置。

1.1 手指運動機理分析

人手是人類器官中相對較為復雜的部分之一[5]，為了更好地康復手關(guān)節(jié)活動，了解手部關(guān)節(jié)的運動姿態(tài)變得十分重要。人手總共21個自由度，其中，大拇指5個自由度，其余四指各有4個自由度[6]。對于單個手指而言（例如食指），其指關(guān)節(jié)由指掌關(guān)節(jié)（MP）間關(guān)節(jié)（PIP）和指端關(guān)節(jié)（DIP）組成，其中指間關(guān)節(jié)（PIP）和指端關(guān)節(jié)（DIP）存在1個自由度，指掌關(guān)節(jié)（MP）含彎曲自由度（MPl）和內(nèi)收/外展自由度（MP2）。對于指掌關(guān)節(jié)MPI與MP2而言，其MPI與MP2存在互相約束關(guān)系，即手指彎曲過程中，不會有內(nèi)收/外展運動[7]。人手指關(guān)節(jié)的運動范圍如表1所示。

一般而言，人手運動所需要的驅(qū)動力并不大，且最多的運動形態(tài)便是抓取運動，手指彎曲運動模型如圖1所示。如圖所示，Leec8]研究表明，手指運動存在一定的聯(lián)系，同時學者Ciorgio與Marco對人手彎曲角度有理論研究，即手指關(guān)節(jié)DIP與PIP存在如下關(guān)系：

04=0.46×03+0.083×θ3

（1）

從上述式子中表明，單自由度整體結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)手指運動康復方案是可行的。

1.2 手指結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

手指末端以指端關(guān)節(jié)（DIP）為旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動，而繞著指間關(guān)節(jié)（PIP）做圓弧運動，因此設(shè)計一款為驅(qū)動輪一剛性連桿一滑塊驅(qū)動形式的機構(gòu)模型，由于外骨骼部分為剛性機構(gòu)，所以手指套用部分采用手套柔性形式固定，減少二次傷害。

在指端關(guān)節(jié)（DIP）和指間關(guān)節(jié)（PIP）處，采用曲柄滑塊機構(gòu)，把導軌設(shè)計成圓弧形，采用單自由度的驅(qū)動輪一剛性連桿機構(gòu)，并將兩個鉸鏈和滑塊連在另外一個連桿上，從而形成轉(zhuǎn)動副，而滑塊與導軌形成面接觸形式的低副，最終可以驅(qū)動指端關(guān)節(jié)（DIP）和指間關(guān)節(jié)（PIP）單自由度運動。該機構(gòu)的運動結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

考慮到康復運動的精準性，將彎曲導軌做成懸臂梁形式，以保證實現(xiàn)圓弧運動。在運動過程中，驅(qū)動機構(gòu)作用力始終垂直手指，從而使驅(qū)動力矩最小，減少了能量損失。

對于指掌關(guān)節(jié)（MP）位置，MP1實現(xiàn)彎曲/伸展運動，而MP2是垂直MP1的偏轉(zhuǎn)運動。MP處運動形式與兩自由度球面副不同，即MP1與MP2運動是分步進行的。因此，此處采用兩個獨立自由度空間機構(gòu)，該機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

手指康復機器人采用電機驅(qū)動方式，確保控制精準度更高，響應(yīng)速度快。對于傳動方式，三關(guān)節(jié)MP1、PIP、DIP在驅(qū)動方式上采用齒輪一鋼絲繩一連桿一滑塊的新型傳動機構(gòu)，可以實現(xiàn)理想的彎曲/伸展運動，驅(qū)動電機連接錐齒輪與標準齒輪，從而傳遞運動到齒條上，齒條經(jīng)過遠距離運輸，將運動傳給三關(guān)節(jié)上面的齒輪，所以帶有一定剛度的齒條驅(qū)動手指的彎曲/伸展得以實現(xiàn)。

1.3 手指運動與動力學分析

運動學是對整體手指的設(shè)計思路進行提煉，從而建立數(shù)學方程[9]，采用D-H方法進行坐標系的建立，完成運動學理論分析，從而得到關(guān)節(jié)于末端位置之間的運動關(guān)系式，進而得到動力學方程。

運動學包括正向和逆向運動學。一般來說，正向運動學根據(jù)手指關(guān)節(jié)的變量，進而得到末端執(zhí)行機構(gòu)的坐標系參考位置，即相對之間的映射關(guān)系。而逆向運動學是根據(jù)末端執(zhí)行器基礎(chǔ)坐標系的數(shù)值，得到直角坐標系的數(shù)值，進而可以求得不同關(guān)節(jié)的角度，即直角坐標系與末端執(zhí)行器之間的映射關(guān)系。由于逆向運動學比正向運動學更有理論含義，因此選取逆向運動學方程式計算手指康復運動的軌跡。綜上，求解的各關(guān)節(jié)角度理論值如下：

考慮到機構(gòu)關(guān)節(jié)速度與末端執(zhí)行器的操作速度之間的關(guān)系，因此可以得到位姿的變量與關(guān)節(jié)變量的旋轉(zhuǎn)與位移。該手指康復機器人的雅克比矩陣方程式為：

1.4 手指康復機器人模塊化設(shè)計

手指康復機器人需要穿戴于人手上，并直接接觸皮膚，因此設(shè)計的尺寸應(yīng)符合大部分人手尺寸。目前很多此類康復設(shè)備都是講驅(qū)動系統(tǒng)安裝在手指關(guān)節(jié)處，因此本文設(shè)計采用模塊化設(shè)計思路，將康復手指與驅(qū)動裝置分開，驅(qū)動裝置模塊負責穩(wěn)定人手并提供驅(qū)動程序，康復手指模塊作用是固定人手，手指端設(shè)計圖紙如圖4所示。

2 電機選型與傳感器方案設(shè)計

電機與傳感器作為驅(qū)動與感知系統(tǒng)，在人手康復的過程中起到極為重要的作用。通過人手關(guān)節(jié)的力矩計算得到理想的驅(qū)動電機參數(shù)，進而選取合適的電機。根據(jù)康復過程中需要監(jiān)測的位置，在適當?shù)牡胤桨仓脗鞲衅髻N片，從而獲得感知數(shù)據(jù)，以便更好地了解康復效果。

2.1 電機選型方案設(shè)計

根據(jù)手指康復要求，選取直流伺服電機為驅(qū)動源，伺服電機有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快速且平穩(wěn)性好的優(yōu)點，同時也便于操控，從而可以達到安全可靠的效果。人手關(guān)節(jié)康復的力矩最大不能超過理論力矩的15%[10]，則有：

查閱相關(guān)資料了解成年人的手關(guān)節(jié)各部分最大的力矩均值，從而以15%比例計算，得到理想的驅(qū)動電機[11]。因此綜上所述，選取的電機重要參數(shù)：質(zhì)量為13.4 9;電壓4.8 -6 V;電機的外部形狀尺寸為12.2 mmx22.8 mmx28.5 mm;減速比為154;額定轉(zhuǎn)矩為5.8 N-mm;最大轉(zhuǎn)速為11 000 r/min;效率為0.7。

2.2 傳感器方案設(shè)計

為了更好的獲得康復評價效果，在彎曲關(guān)節(jié)處增加帶有貼片形式的傳感器，采用A/D轉(zhuǎn)換輸出信號，從而更好的將傳感器彈性體與手指康復本體結(jié)合起來。本體采用硬質(zhì)鋁合金7075-T651做成，彈性體實質(zhì)上是一應(yīng)變片裝置，基底材料選取的是改性酚醛材質(zhì)，選擇康銅箔片制成的柵絲[12]，與此同時，選擇聚酯樹脂粘合劑作為黏貼應(yīng)變片的粘合材料。力的傳感器的本體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 手指康復機器人實驗驗證

手指康復機器人的實驗平臺的搭建主要有以下幾部分：手指機器人的本體結(jié)構(gòu)、帶有電源系統(tǒng)的控制板底座、上位機軟件系統(tǒng)。手指的本體結(jié)構(gòu)是按照標準成年人手指長度設(shè)計，實驗平臺如圖6所示。實驗過程中發(fā)現(xiàn)，通過上位機軟件，將需要康復的效果輸入手指康復機器人內(nèi)，可以很好地實現(xiàn)患者的康復活動。

4 結(jié)束語

本文介紹了手指康復機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及其運動原理，根據(jù)手指的運動狀態(tài)，選取了合適的電機型號，有效地解決手指康復中動力不足的影響，同時也能很好地保護手指免受損害。通過搭建實驗平臺，采用低電壓穩(wěn)壓源控制，可以實現(xiàn)康復訓練效果。本文介紹了第一代手指康復樣機，在設(shè)計思路方面對康復醫(yī)療行業(yè)方面具有指導性作用，目前在這一代樣機基礎(chǔ)上增加傳感功能，提升智能化，增加多指聯(lián)動，提高康復效果，現(xiàn)階段手指康復機器人的發(fā)展仍比較緩慢，未來還有很長的路要走。

參考文獻：

[1]陳光，許曉嗚.我國殘疾人用品生產(chǎn)供應(yīng)概況及發(fā)展[J].中國康復理論與實踐。2002（8）：63-65.

[2]邱卓英，李欣，李沁燚，等.中國殘疾人康復需求與發(fā)展研究[J].中國康復理論與實踐，2017，23（8）：869-874.

[3]陳燕才，余斌，馬云飛，等.指導前臂截肢者康復訓練的單自由度肌電假手與真肢對比分析[J].中國矯形外科雜志，2017，25（19）：1767-1770.

[4]朱純煜，李素姣，喻洪流.穿戴式上肢外骨骼康復機器人發(fā)展現(xiàn)狀分析[J/OL].生物醫(yī)學工程與臨床：1-6[2021-05-08].https：//doi.org/10.1333 9/j .cnki.sglc.2021 0423.001.

[5]人體解剖學編寫組，人體解剖學[M].北京：高等教育出版社，1982.

[6]張付祥，王樹國.創(chuàng)傷手指康復機械手嵌入式控制系統(tǒng)[J].河北科技大學學報，2008，29（4）：299-304.

[7]魯澤華.上肢助力外骨骼設(shè)計與研究[D].南京：南京理工大學，2017.

[8]J W Lee，K Rim. Maximum Finger Force Prediction Using a Pla-nar Simulation of the Middle Finger. Proceedings of Instrumenta-tion Mechanical Engineering[J]. 1990（204）：1 60-178.

[9]于美麗，基于ADAMS外骨骼康復機械手的設(shè)計和仿真分析[D].青島：青島大學，2012.

[10]陳楠，劉正士，楊巖江，等.一種單電機驅(qū)動外骨骼康復機械手的機構(gòu)設(shè)計與運動分析[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2019.42（11）：1446-1454.

[11]方思中，袁銳波.外骨骼康復機械手的機構(gòu)設(shè)計與仿真[J].價值工程。2018，37（25）：160-162.

[12]車仁煒，呂廣明，孫立寧.五自由度康復機械手臂的設(shè)計[J].機械設(shè)計。2005（4）：18-21.