面向手功能康復(fù)訓(xùn)練的軟體機(jī)器人設(shè)計

叢 明 畢 聰 王明昊 劉 冬 杜 宇

1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，大連，1160242.大連大華中天科技有限公司，大連，116023

0 引言

由腦卒中引起的手部運動功能喪失嚴(yán)重影響一個人的正常生活，并降低其生活質(zhì)量[1]。對于這類患者，需要手部康復(fù)機(jī)器人做日常生活輔助，以及針對患者不同階段手部僵硬程度進(jìn)行相應(yīng)的整體抓握或單個手指分離運動的被動康復(fù)訓(xùn)練[2]。早期研究人員提出了穿戴在手掌掌背側(cè)的外骨骼式[3-5]以及穿戴在手掌掌心側(cè)的內(nèi)骨骼式[6]兩類剛性手部康復(fù)機(jī)器人，但剛性機(jī)器人柔性不足、與手指貼合性較差，容易造成人手的二次傷害且不易攜帶。

近年來，隨著軟體機(jī)器人和軟材料科學(xué)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，手功能康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人逐漸從剛性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝越Y(jié)構(gòu)。軟體康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人常由硅橡膠[1，7-10]、電介質(zhì)彈性體(dielectric elastomer，DE)[11]、電活性聚合物(electroactive polymer，EAP)[12]、形狀記憶合金(shape memory alloy，SMA)[13]等柔性材料制成，集成到手套中實現(xiàn)可穿戴和便攜性。硅橡膠執(zhí)行器因制備簡單、成本低而被廣泛采用。

硅橡膠制成的軟體手功能康復(fù)機(jī)器人常采用氣動網(wǎng)絡(luò)型[1，10]和纖維增強型[7-9]兩類結(jié)構(gòu)。氣動網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最早用于康復(fù)手套，由哈佛大學(xué)POLYGERINOS等[1]提出，利用充氣時上下層結(jié)構(gòu)的不同伸長率產(chǎn)生彎曲來驅(qū)動手指運動，但執(zhí)行器整體只能產(chǎn)生曲率一致的彎曲。隨后，POLYGERINOS等[7-8]又提出了纖維增強結(jié)構(gòu)，并利用纖維增強原理設(shè)計了軟體康復(fù)手套，解決了整體式彎曲結(jié)構(gòu)與人手貼合性不好的問題。以氣動網(wǎng)絡(luò)和纖維增強兩種結(jié)構(gòu)為原型，軟體康復(fù)手套又被設(shè)計為仿魚骨結(jié)構(gòu)[9]和分段式結(jié)構(gòu)[10]等，實現(xiàn)了更高的靈活性。國內(nèi)外文獻(xiàn)中所提到的大多數(shù)軟體機(jī)器人[1，7，9-13]只能驅(qū)動手指做簡單的屈伸運動，實現(xiàn)握拳或抓取的運動。生活中常有如捏取等動作，這類動作只需要兩根或三根手指的協(xié)作即可完成，并且人手各個關(guān)節(jié)彎曲角度不同，現(xiàn)有的驅(qū)動器[1-10]沒有很好地區(qū)分不同關(guān)節(jié)的彎曲角度差異，大多設(shè)計為整體彎曲式的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致與人手貼合性較差。手指掌關(guān)節(jié)不僅可以正向彎曲也可以反向?qū)崿F(xiàn)小角度的運動，具有正向彎曲和反向主動伸縮的自由度[14]，文獻(xiàn)中常缺少對反向自由度的研究與描述。

本文結(jié)合分段式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點設(shè)計一種帶有雙向彎曲模塊和伸長模塊的可穿戴的手部軟體康復(fù)機(jī)器人。分模塊對各個關(guān)節(jié)和指節(jié)進(jìn)行設(shè)計，該軟體機(jī)器人掌關(guān)節(jié)可以實現(xiàn)正反方向不同角度的彎曲，手指的各關(guān)節(jié)可以獨立或耦合運動，對手指多個自由度進(jìn)行訓(xùn)練，指節(jié)的伸長模塊可以在手彎曲時伸長13.2%，能在手指彎曲時對關(guān)節(jié)部分結(jié)構(gòu)的彎折作一定的長度補充，保證人手彎曲時執(zhí)行器與手指生物關(guān)節(jié)更好地對齊，較好地模擬人手的運動特性，提高手部康復(fù)訓(xùn)練效果。通過結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)及提供氣壓的增大，驅(qū)動力較文獻(xiàn)[15-16]中提到的4 N有了進(jìn)一步的提高。

1 功能分析及原理設(shè)計

1.1 功能分析

本設(shè)計的目標(biāo)是為處于不同階段的腦中風(fēng)患者提供被動訓(xùn)練，通過重復(fù)的運動訓(xùn)練，逐漸恢復(fù)手指的運動功能，另一目標(biāo)是做日常生活的輔助。設(shè)計軟體驅(qū)動器結(jié)構(gòu)，并集成到可穿戴軟體機(jī)器人上，以手套的形式固定在每根手指上。氣體作為驅(qū)動源，通過對驅(qū)動器加壓提供輔助力量，使患者手指完成規(guī)定的運動[1]。為此本文開發(fā)一種能夠幫助腦中風(fēng)患者完成手部康復(fù)訓(xùn)練的可穿戴機(jī)器人。遵循人手的運動特性設(shè)計面向手功能康復(fù)訓(xùn)練的軟體機(jī)器人具有如下功能：

(1)軟體驅(qū)動器在加壓時可以彎曲成近似封閉的拳頭，也可以通過掌指關(guān)節(jié)的主動伸縮，實現(xiàn)對手掌肌肉的拉伸，各手指和各關(guān)節(jié)可以耦合或獨立運動，提高手部的靈活性和力量；

(2)驅(qū)動器遵循手指的運動規(guī)律，指節(jié)具有伸長模塊，并且可以提供足夠大的驅(qū)動力；

(3)軟體機(jī)器人穿戴部分的手套質(zhì)量不超過0.5 kg[8]，執(zhí)行器的寬度和高度與成年人手尺寸相近[17]，符合便攜性要求，可以輕松地將其戴上或取下，可以在手指開閉時實現(xiàn)小范圍的尺寸可調(diào)性，符合安全性要求。

1.2 原理設(shè)計

從形態(tài)和功能仿生的角度出發(fā)，設(shè)計能盡量時刻與人手貼合的執(zhí)行器，如圖1所示。為了舒適地驅(qū)動手的彎曲和伸展，分別對各個關(guān)節(jié)和指節(jié)進(jìn)行設(shè)計，近指關(guān)節(jié)(proximal interphalangeal point，PIP)和遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)(distal interphalangeal point，DIP)采用氣動網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖1②)，掌指關(guān)節(jié)(metacarpophalangeal point，MCP)結(jié)合了快氣網(wǎng)[1]和慢氣網(wǎng)[18]結(jié)構(gòu)，指節(jié)采用中空的增強型結(jié)構(gòu)[19](圖1③)。

圖1 軟體驅(qū)動器結(jié)構(gòu)

在手指彎曲或伸展時由于關(guān)節(jié)相對關(guān)系的變化，導(dǎo)致執(zhí)行器關(guān)節(jié)與人手生物關(guān)節(jié)相對位置有所偏移，因此需要將指節(jié)模塊設(shè)計為可伸長的間隔腔型結(jié)構(gòu)，上下邊長分別為d1、d2，如圖1所示。間隔腔型結(jié)構(gòu)類似于纖維增強原理，可以限制執(zhí)行器的徑向膨脹，保證更好的軸向伸長功能。

人手掌指關(guān)節(jié)可以完成彎曲和反向主動伸縮兩個方向的運動且正反方向的運動范圍不同，根據(jù)氣動網(wǎng)絡(luò)原理[1，18]設(shè)計雙向彎曲的掌指關(guān)節(jié)模塊，運動范圍為正向0～90°，反向0～20°，上層的正向彎曲結(jié)構(gòu)采用快氣網(wǎng)(fPN)原理[1]，下層的反向彎曲結(jié)構(gòu)采用慢氣網(wǎng)(sPN)原理[18]，氣室高度為h，模塊長度為d，寬度為s，如圖1所示。所設(shè)計的掌指關(guān)節(jié)可以實現(xiàn)給上層或下層加壓相同時產(chǎn)生不同的彎曲角度，且各層的結(jié)構(gòu)互為另一層的限制層。近指關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)設(shè)計為圖1所示形狀。

1.3 關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

根據(jù)人手生物結(jié)構(gòu)和運動特性，從仿生的角度確定執(zhí)行器外觀結(jié)構(gòu)后，再通過仿真分析評價氣動網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)各幾何參數(shù)對彎曲效果的影響來確定具體參數(shù)取值。五根手指采用基本相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計，驅(qū)動器的寬s為20 mm，高h(yuǎn)為15 mm，長度尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 指節(jié)及關(guān)節(jié)長度參數(shù)

手指各關(guān)節(jié)活動范圍如下(下標(biāo)m代表大拇指)[19]：-20°≤θMCP≤90°，0°≤θPIP≤110°，0°≤θDIP≤90°；0°≤θmMCP≤70°，0°≤θmPIP≤80°，0°≤θmDIP≤90°。

采用氣動網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)節(jié)的彎曲變形不僅與輸入壓力有關(guān)，還與結(jié)構(gòu)本身的參數(shù)有關(guān)。輸入相同壓力時，氣室的高度越大，彎曲變形越大；氣室的個數(shù)越多，彎曲變形越大。手指的關(guān)節(jié)長度參數(shù)是確定的，因此可以通過改變氣室高度參數(shù)來確定最佳執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)。確定執(zhí)行器外壁厚2 mm、內(nèi)壁厚1.5 mm，長度d1=22 mm，d2=16 mm，高15 mm，寬20 mm。氣室高分別設(shè)定為h=6.5，7，7.5，8，8.5 mm，利用有限元仿真得到關(guān)節(jié)在最大壓力60 kPa下的彎曲角度θ，將載荷分成若干級，逐步施加到結(jié)構(gòu)上，然后按照各個階段不同的非線性性質(zhì)逐步求解得到關(guān)節(jié)壓力-角度模型，如圖2所示。

圖2 關(guān)節(jié)p-θ關(guān)系模型

根據(jù)圖2所示的壓力-角度模型，結(jié)合手指關(guān)節(jié)的運動范圍，選擇近側(cè)指間關(guān)節(jié)氣室高度h=8 mm，遠(yuǎn)側(cè)指間關(guān)節(jié)氣室高度h=7 mm。保證近側(cè)關(guān)節(jié)彎曲角度接近110°，遠(yuǎn)側(cè)關(guān)節(jié)彎曲角度接近90°，符合手指的運動特性。

2 軟體驅(qū)動器建模、分析及制造

2.1 有限元建模

該執(zhí)行器采用超彈性材料硅橡膠(M4635A)制成，超彈性材料具有不可壓縮、大變形、非線性三個特性。由于硅橡膠材料在外力作用下材料特性和幾何特性都呈非線性變化，所以通常采用應(yīng)變能密度函數(shù)來表示其力學(xué)性能[20-22]。

對于硅橡膠這種大變形行為材料，適合用Yeoh模型模擬，Yeoh模型具有用簡單的單軸拉伸試驗數(shù)據(jù)描述其他變形的力學(xué)行為的能力[20-22]，其應(yīng)變能密度函數(shù)模型為

(1)

應(yīng)變能函數(shù)為

w=C10(I-3)+C20(I-3)2

(2)

式中，J為變形后與變形前的體積比，對于不可壓縮材料，J=1；I為第一應(yīng)變張量不變量，為一常數(shù)；N、dk、C10、C20為材料常數(shù)。

通過硅橡膠試樣的拉伸試驗得到模型系數(shù)C10=0.125，C20=0.0075。本構(gòu)曲線如圖3所示。

圖3 Yeoh模型單軸拉伸試驗曲線

基于所設(shè)計的結(jié)構(gòu)，利用ABAQUS軟件對手部執(zhí)行器進(jìn)行受力和變形分析。材料是超彈性硅橡膠，選用Yeoh模型定義執(zhí)行器的材料特性，定義材料參數(shù)密度為1130 kg/m3，系數(shù)C10=0.125，C20=0.0075，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，消除重力的作用。仿真得到手指在握拳彎曲及反向主動伸縮運動時輸入的壓力與角度之間的關(guān)系。圖4所示為單根手指在壓力分別為0，11.25，19.69，30.32，40，60 kPa時的彎曲情況以及在0，50，100 kPa下反向主動伸縮手指的形態(tài)。

(a)人手正向彎曲圖 (b)彎曲建模

由圖4可知，手指在60 MPa壓力下彎曲成近似多邊形形狀，可以完成日常生活中抓取和握拳等動作；在100 MPa下反向主動伸縮可以實現(xiàn)對患者手部肌肉的拉伸，促進(jìn)手部功能的恢復(fù)。

2.2 軟體機(jī)器人制造流程

為保證軟體康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人具有靈活性和適應(yīng)性，滿足驅(qū)動力和彎曲角度的要求，本文融合硅橡膠及凱夫拉纖維線等多種柔性材料，采用模具設(shè)計、手指澆筑、驅(qū)動器成形、整體制作等多步工藝制造軟體機(jī)器人，充分利用和發(fā)揮柔性材料的柔順性，及其非線性、黏彈性和遲滯特性等在軟體康復(fù)手運動和控制中的作用，降低控制的復(fù)雜度，實現(xiàn)靈活性和良好的交互性。軟體機(jī)器人的制造流程如圖5所示。

圖5 軟體機(jī)器人制造流程

手功能康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的每根驅(qū)動器由三個關(guān)節(jié)和三段指節(jié)組成，利用模型求反的原理設(shè)計模具。為保證更多的自由度、實現(xiàn)對各個關(guān)節(jié)和指節(jié)的獨立控制，將管路接口均設(shè)置在上方，以實現(xiàn)對康復(fù)機(jī)器人的單個單元控制或者多個單元協(xié)同控制。

驅(qū)動器由邵氏硬度為37HA的硅橡膠制成，加壓時關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)由于上下層不同的變形產(chǎn)生彎曲，指節(jié)結(jié)構(gòu)會有一定程度的伸長，保證與人手指更好的貼合效果。以10∶1比例混合均勻硅膠A和B，真空脫氣；采用壓鑄一體式的模具，恒溫箱加速固化后，用原硅膠混合液粘在一起制成單根手指，指節(jié)部分外側(cè)纏繞凱夫拉纖維線[8]，繞線的間距為3.5 mm，角度為±6°，限制徑向膨脹，保證伸長效果并提供足夠大的驅(qū)動力。利用氣管連接氣動控制系統(tǒng)和執(zhí)行器的各個氣室，通過調(diào)節(jié)氣壓大小及管路的開閉實現(xiàn)對各個關(guān)節(jié)彎曲角度的控制和對各個指節(jié)伸長率的控制。

采用3D打印技術(shù)制成手掌，所設(shè)計的手掌由大手掌、小手掌和可調(diào)連接部分組成，其中可調(diào)連接部分為硅膠材料，可實現(xiàn)一定程度的調(diào)節(jié)以更好地適應(yīng)人手。彎曲傳感器固定在手掌的五根手指對應(yīng)位置，澆筑五根氣動手指并集成在手掌上制成康復(fù)手套，整個康復(fù)手套的質(zhì)量約為400 g，符合便攜性的要求，患者可以通過佩戴手套進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

3 運動行為控制實驗

3.1 實驗平臺

手部康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人實驗平臺由支架及控制系統(tǒng)組成。氣動控制系統(tǒng)由壓力泵、微型控制器、減壓閥、節(jié)流閥、兩個兩位三通電磁閥、壓力傳感器和連接器組成。向微型控制器輸入預(yù)設(shè)壓力值，由微型控制器控制壓力泵工作，氣體通往執(zhí)行器所連通的氣室，使關(guān)節(jié)和指節(jié)實現(xiàn)彎曲或伸長。實驗平臺如圖6所示。

圖6 實驗平臺

控制系統(tǒng)單片機(jī)處理單元采用Arduino控制整個氣路，并通過安裝在手掌上的彎曲角度傳感器對軟體康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的彎曲特性進(jìn)行角度定位及角度跟隨的精確控制。驅(qū)動器由柔性材料硅橡膠制成，在內(nèi)部氣壓變化下實現(xiàn)連續(xù)的彎曲變形。由于材料的非線性，在驅(qū)動器手指下側(cè)黏附彎曲傳感器來監(jiān)測彎曲情況，利用電阻式角度彎曲傳感器Flex Sensor4.5獲取手部動作實時角度信息。對彎曲傳感器進(jìn)行標(biāo)定，并結(jié)合氣壓傳感器擬合氣壓與彎曲角度之間的關(guān)系，保證輸入氣壓與手指彎曲角度值的準(zhǔn)確對應(yīng)，通過預(yù)先設(shè)定具體氣壓值來實現(xiàn)對各個手指彎曲運動的精確控制。

3.2 單根手指實驗

對氣動手指關(guān)節(jié)分別施加0，20，30，40，50，60 kPa的壓力，待被測手指穩(wěn)定后測量手指的變形情況，如圖7所示。以掌指關(guān)節(jié)端的中心為原點(0，0)，由掌指關(guān)節(jié)指向指尖的方向為X軸正方向，垂直向上的方向為Y軸正方向，對手指末端軌跡的(x，y)坐標(biāo)進(jìn)行跟蹤，并對比有限元和實驗，結(jié)果如圖8所示。手指在受到氣壓驅(qū)動時會發(fā)生圖7所示的向下彎曲，符合人手握拳時的運動特性，逐漸彎曲成類似的多邊形拳頭狀。隨著氣壓增大，手指末端的坐標(biāo)位置變化規(guī)律為：x坐標(biāo)逐漸變小，y坐標(biāo)先變小后逐漸變大。實驗曲線與仿真結(jié)果基本一致，均符合人手握拳時指尖相對掌關(guān)節(jié)位置的運動規(guī)律，具體坐標(biāo)值如表2所示。

圖7 單根氣動手指彎曲變形

圖8 指尖軌跡

表2 指尖坐標(biāo)

對氣動手指指節(jié)施加60 kPa的壓力，指節(jié)可以伸長13.2%，保證在手彎曲時執(zhí)行器與人手的生物關(guān)節(jié)對齊；掌關(guān)節(jié)具有雙向彎曲模塊，可以反向主動伸縮，保證對手掌肌肉的拉伸，達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練效果。指節(jié)軸向伸長及掌關(guān)節(jié)反向彎曲效果如圖9所示，掌關(guān)節(jié)下層的慢氣網(wǎng)結(jié)構(gòu)在施加60 kPa壓力時會有反向主動伸縮效果；指節(jié)在不加壓時約為38 mm，施加60 kPa壓力長度約為43 mm。

圖9 指節(jié)伸長及掌關(guān)節(jié)反向彎曲效果

驅(qū)動器除了要符合人手運動特性外，也要提供人手日常所需的驅(qū)動力。對驅(qū)動器施加壓力，測量不同氣壓下指尖力的大小，測量結(jié)果如圖10所示，在80 kPa下指尖力可以達(dá)到5.1 N，滿足人手日常生活的需求。

圖10 指尖力結(jié)果

3.3 康復(fù)訓(xùn)練實驗

處于不同階段的腦中風(fēng)患者手部僵硬程度有所不同，需要根據(jù)每個階段的特點進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。早期階段，手指較僵硬應(yīng)采用抓握訓(xùn)練；恢復(fù)中期需要進(jìn)行小范圍的手指康復(fù)運動，對每個手指進(jìn)行分離運動并逐步增大手指康復(fù)運動的范圍；訓(xùn)練后期患者手指具有一定的自主伸縮能力，可以進(jìn)行一些特定的手勢訓(xùn)練提高手指的靈活性[23]。拇指與其他指尖的相對接觸即對指運動需要拇指的每一個自由度和對側(cè)手指關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)，對指運動可以體現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練后期手指運動功能的恢復(fù)[24]。為驗證軟體機(jī)器人的康復(fù)訓(xùn)練效果，進(jìn)行了抓取實驗、單指和對指運動實驗及手勢訓(xùn)練實驗，如圖11～圖13所示。

圖11 抓取實驗

(a)單指運動

圖13 手勢訓(xùn)練實驗

圖11中軟體康復(fù)手對圓柱形、球形和方形物體從不同角度進(jìn)行抓取，并實現(xiàn)抓握和捏兩種方式。圖12完成單指運動和對指運動，圖13完成兩種手勢運動，驗證手指獨立和耦合運動的靈活性。圖11～圖13的實驗表明所設(shè)計的軟體康復(fù)機(jī)器人能滿足患者手指不同階段僵硬程度的康復(fù)訓(xùn)練。

所設(shè)計的軟體康復(fù)手符合人手運動和力的要求，加壓時可近似彎曲成多邊形形狀，指尖力可達(dá)到5.1 N。其中掌關(guān)節(jié)可實現(xiàn)雙向彎曲運動，對手掌內(nèi)側(cè)肌肉進(jìn)行拉伸；指節(jié)可實現(xiàn)伸長效果，保證與人手生物關(guān)節(jié)對齊，更好地貼合人手。

4 結(jié)論

本文基于氣動網(wǎng)絡(luò)原理設(shè)計了一種分段式結(jié)構(gòu)的可穿戴軟體康復(fù)機(jī)器人，掌關(guān)節(jié)結(jié)合快氣網(wǎng)和慢氣網(wǎng)設(shè)計成雙層結(jié)構(gòu)，指節(jié)采用增強型結(jié)構(gòu)。該裝置可以實現(xiàn)掌指關(guān)節(jié)彎曲及主動伸縮雙向運動、單個手指和多根手指的獨立和耦合運動，輔助日常生活中抓、握、捏等動作，并完成特定手勢動作，裝置具有伸長模塊，60 kPa下可伸長13.2%，保證與人手生物關(guān)節(jié)的對齊；采用多材料集成，保證執(zhí)行器能提供足夠大的驅(qū)動力，80 kPa下指尖力達(dá)到5.1 N；基于傳感器感知信息，對執(zhí)行器的彎曲特性進(jìn)行角度定位及角度跟隨的精確控制。運動和力的實驗結(jié)果與仿真結(jié)果相近，驗證了手功能康復(fù)訓(xùn)練軟體機(jī)器人的可行性，雙向彎曲模塊及伸長模塊的設(shè)計保證了康復(fù)訓(xùn)練的效果。