李繼才，官龍，胡鑫，喻洪流

據統(tǒng)計，我國現有腦卒中患者約900萬人，每年新發(fā)病在200萬人以上[1]，大約75%腦卒中患者在發(fā)病后會留下不同程度的后遺癥。在眾多的后遺癥中，以偏癱發(fā)生率最高；在偏癱的康復中，又以手功能的康復最為困難?；颊叩氖衷诤笃谕蚣∪獐d攣，形成一個屈曲的半握拳姿勢。手功能康復的主要技巧是掌握好活動的力度：早期被動運動要求輕柔、緩慢，以不引起不能耐受的疼痛為宜，從而達到防止肌腱粘連和關節(jié)僵硬，并可促進血液循環(huán)，增加關節(jié)、肌肉的牽伸效果。

醫(yī)學理論和實踐證明，肢體損傷的患者為了防止肌肉廢用性萎縮[2-3]，必須要進行有效的肢體訓練以恢復其功能。由于患者手指本身已存在功能障礙，不能獨立完成訓練，需要由具有一定護理知識和體力的護士、治療師或者其他人幫助實施，增加了康復難度和護理費用。為了讓患者自主地進行康復訓練，制作一種幫助其恢復運動功能的醫(yī)療保健器械是必要的。人手康復機器人在改進康復治療手段和提高康復治療效果的同時，還能提供詳細的患者信息和治療數據[4-5]。本研究根據國內臨床康復治療中還沒有特定的、高效的手功能障礙康復訓練器械[6-7]的現狀，設計一種外骨骼式[8-9]手功能康復訓練器。

1 結構設計

1.1 總體設計

本訓練器的結構由兩個訓練模塊和一個手背貼合面板構成。兩個訓練模塊即由微型直線電機控制驅動的拇指訓練模塊和由微型旋轉電機控制驅動的四指訓練模塊；這兩個模塊都集成在貼合于被訓練患者患側手背的面板上(圖1)。其中拇指的訓練動作由微型直線電機單獨控制，其余四指的訓練動作由微型旋轉電機聯(lián)動控制。通過控制兩個電機的工作可以實現拇指的單獨訓練、四指的聯(lián)動訓練和五指的對掌訓練。本設計是穿戴式外骨骼訓練器，穿戴結構設計中均舍去各手指的遠端指骨的驅動段。在此訓練器訓練過程中，遠端指間關節(jié)均由中節(jié)指骨帶動做少量的被動訓練。這種結構既減少了機械結構的復雜性，減少了能量損失，提高了訓練器的安全性和穩(wěn)定性，又可以達到訓練的目的和效果。由于其結構緊湊、重量輕，患者可進行基于日常生活輔助的功能訓練，提高訓練效果。

1.2 手背貼合面板

這是用于佩戴在患者患側手手背的面板，其作用還包括：①固定連接拇指訓練模塊的微型直線電機和拇指驅動連桿機構；②固定連接四指訓練模塊的微型旋轉電機及減速箱和四指驅動連桿機構。其中用于安裝拇指訓練模塊的平面與用于安裝四指訓練模塊的平面成一個合適的角度(例如120°)，有助于矯正患側手到正常姿勢。

圖1 外骨骼式手功能訓練器模型

1.3 拇指訓練模塊

拇指訓練模塊(圖2)是由固定在手背貼合面板上的微型直線電機和拇指近端指骨連桿驅動結構及它們間的拇指驅動推桿構成。拇指近端指骨關節(jié)件、拇指近端指骨連接件、拇指近端指骨驅動件、拇指遠端關節(jié)連接件及它們之間的轉動連接鉚釘構成四連桿機構，當微型直線電機的推桿作伸縮的往復運動時，拇指驅動推桿使拇指近端指骨連桿驅動結構繞其機架的鉸鏈做出訓練動作。

1.4 四指訓練模塊

四指訓練模塊由兩個子模塊組成，即固定在手背貼合面板上的微型旋轉電機及其減速機構的傳遞動力模塊，和四指各指近端指骨和中節(jié)指骨連桿構成的四指驅動模塊。

傳遞動力模塊減速箱原理圖見圖3，其中1和2為等速傳動嚙合的兩個錐齒輪；2與2'、3與3'、4與4'均同一齒軸的圓柱齒輪對；3與2'嚙合傳動，4與3'嚙合傳動；5是減速箱的輸出齒輪。

主動錐齒輪1與輸出齒輪5間的傳動比i15可以表示為：

其中 Z1、Z2、Z2'、Z3、 Z3'、Z4、Z4'、Z5為對應下標齒輪的齒數；

減速箱輸出齒5的輸出轉矩T5可以表示為：

其中TM為電機M的輸出轉矩。

訓練器在訓練過程中，四指完成一次從伸直狀態(tài)到屈曲最大角度所用的時間t1(s)可以表示為：

其中α(°)為四指完成一次從伸直狀態(tài)到屈曲的最大角度范圍，nM為電機M的輸出轉速。

四指驅動模塊包括示指、中指、環(huán)指和小指的驅動機構。四手指的驅動機構原理相同，以示指的驅動機構(圖4)為例解釋四指驅動模塊的訓練原理。

減速箱輸出連接件通過其上的兩個通孔與齒輪5固定連接，其中下方的大通孔與齒輪5的轉軸同軸，即減速箱輸出連接件繞其下方的通孔與齒輪5同步轉動。示指中節(jié)指骨驅動件、示指近端指骨驅動件、示指近端指骨連接件、示指掌骨關節(jié)件及它們間的連接鉚釘組成四連桿機構，當減速箱輸出連接件轉動時，通過四指驅動推桿連接螺桿、四指驅動推桿和四指驅動推桿前端連軸的聯(lián)動使四連桿機構做出訓練動作。

2 運動學仿真分析

微型直線電機驅動拇指完成一次從伸直狀態(tài)到屈曲的最大角度所用的時間t2(s)可以表示為：

其中s(mm)為微型直線電機完成拇指訓練動作的行程，v(mm/s)是微型直線電機運行的速度。

為使訓練器實現對掌訓練功能，在Solidworks中建立訓練器結構的運動仿真模型[12]。在Motion分析

圖5 拇指MP角位移曲線

3 力學分析

分析時，微型直線電機的參數為：s=12 mm，v=8.86 mm/s，微型直線電機在設定速度下的推力F=22.5 N。經計算可得訓練器在拇指伸直時，近節(jié)指骨驅動件最遠端的驅動力約為12 N，足夠完成拇指單指的訓練動作。

微型旋轉電機的參數為：nM=800 r/min，TM=50 mNm，訓練器在四指伸直時小指驅動機構可以轉化為如圖7所示的原理圖。

其中桿件1為減速箱輸出連接件，桿件2為四指驅動推桿，桿件3為小指近端指骨連接件，桿件4為小指近端指骨驅動件，桿件5為小指中節(jié)指骨驅動件；A、B、C、D、E、F、G和H均為各鉸鏈的中心。lAB、lCD、lDG、lDF和lFH均為對應下標兩點的直線距離。F1是桿件2對桿件1的反作用力，F2是桿件1的驅(Motion分析解算器即ADAMS[13-15]的解算器)中仿真運動條件為：t1=t2；

由(3)、(4)可得：

將nM=800 r/min，α=65°，s=12 mm，v=8.86 mm/s代入(5)可得：

t1=t2=1.35 s。

通過提取仿真數據，可獲得訓練器仿真模型完成一次對掌訓練時，拇指掌指關節(jié)(MP)活動角位移數據，四指各指的MP、近側指間關節(jié)(PIP)的活動角位移數據。拇指是由微型直線電機單獨驅動控制的，其MP角位移曲線如圖5。由于四指的機械原理相同，四指在微型旋轉電機驅動同步運動時，四指的MP和PIP的角位移曲線類似，故以示指的MP和PIP角位移曲線(圖6)為例顯示四指的MP和PIP角位移的變化規(guī)律。動力，F3是桿件3受到桿件2的推力，F4是桿件3在G點的驅動力，F5是桿件5在H點的驅動力；F1～F5的方向如圖7所示。

圖6 示指MP、PIP角位移曲線

圖7 小指結構原理圖

對桿件1在B點進行受力分析可得：

其中θ1、θ2是圖7所示的夾角。

桿件3與其余三根手指平分桿件2傳來的動力，故對桿件3進行受力分析可得：

桿件3是繞D點轉動的杠桿，由杠桿原理可得：

桿件5是繞F點轉動的杠桿，由杠桿原理可得：

將小指結構原理圖和對仿真模型的尺寸測量得到的數據代入(6)～(10)式，可以得到如下數據：F2=312.5 N，F1=201.32 N，F3=50.33 N，F4=23.42 N，F5=2.56 N。

4 結論

本文提出一種外骨骼式手功能訓練器的結構設計。當患側手佩戴訓練器時，拇指插入拇指近端指骨驅動件，柔性繃帶固定，與拇指近端指骨驅動件貼合；四指插入對應的訓練結構，柔性繃帶固定，貼合在對應的指骨驅動件上。設各手指伸直時為各手指關節(jié)角位移的0位，當控制微型直線電機和微型旋轉電機協(xié)調運行，使各手指從0位運動到關節(jié)最大角位移時，患側手達到對掌位置。

本訓練器訓練時，各手指關節(jié)的角位移活動范圍如表1所示，與正常人手指活動范圍(表2)[10]對比，可見各手指的MP和PIP角位移最大值約為正常人手指活動范圍最大值的一半。結合由示指驅動機構的MP和PIP角位移變化曲線規(guī)律，可判斷此機構在運動學上可基本實現對掌訓練動作。另外，力學分析的數據可判斷該訓練器的各個手指驅動件，均有足夠的驅動力來驅動患側手進行康復訓練。

表1 訓練器訓練關節(jié)活動范圍(°)

表2 正常成人手指活動范圍(°)

[1]簡卓,易金花,顧余輝,等.索控式三自由度上肢康復訓練機器人[J].中國康復理論與實踐,2013,19(1)：82-85.

[2]張楠楠,李世昌.廢用性肌萎縮的治療方法綜述[J].遼寧體育科技,2009,31(2)：46-47.

[3]黃苑芬,韓穎,張志娟,等.持續(xù)被動運動在預防截癱患者膝關節(jié)僵硬和肌肉萎縮中的作用[J].現代臨床護理,2011,10(12)：31-32.

[4]楊延硯,周謀望,黃東鋒.最大握力和捏力檢測用于腦卒中患者上肢功能評定的研究[J].中國康復醫(yī)學雜志,2008,23(5)：395.

[5]唐強,吳云鵬.偏癱的上肢評定方法及應用[J].中國康復醫(yī)學雜志,2009,24(6)：576.

[6]Fu YL,Wang P,Wang SG.Design and development of a portable exoskeleton based CPM machine for rehabilitation of hand injuries[C].Italy：International Conference on Robotics and Biomimetrics,2007：1476-1481.

[7]Hasegawa Y,Mikami Y,Watanabe K.Five-fingered assistive hand with mechanical compliance of human finger[C].USA：International Conference on Robotics and Automation,2008：718-724.

[8]Chiri A,Giovacchini F,Vitiello N,et al.HANDEXOS：towards an exoskeleton device for the rehabilitation of the hand[C].USA：the 2009 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems,2009：1106-1111.

[9]Fontana M,Dettori A,Salsedo F,et al.Mechanical design of a novel Hand Exoskeleton for accurate force displaying[C].Japan：International Conference on Robotics and Automation,2009：1704-1709.

[10]刑科新.手功能康復機器人系統(tǒng)若干關鍵技術研究[D].武漢：華中科技大學,2010.