方藝芬，李遠(yuǎn)利，曾惠瑩，李響，胡永楠，王子喬，熊磊湖北工業(yè)大學(xué)工業(yè)設(shè)計學(xué)院

新型多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服

方藝芬，李遠(yuǎn)利，曾惠瑩，李響，胡永楠，王子喬，熊磊湖北工業(yè)大學(xué)工業(yè)設(shè)計學(xué)院

因神經(jīng)損傷導(dǎo)致肢體運動功能障礙的患者日益增多。這將給家庭和社會帶來沉重的負(fù)擔(dān)，而康復(fù)訓(xùn)練能讓癱瘓患者重新獲得日常生活自理能力。以神經(jīng)可塑性為理論依據(jù)來進(jìn)行肢體康復(fù)。本文將氣動肌肉和衣服有機(jī)組合，探索上肢智能康復(fù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)實用的新途徑。本項目擬研發(fā)的多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服。裝置采用氣動肌肉控制技術(shù)，這是目前最先進(jìn)的技術(shù)，最大的優(yōu)勢是質(zhì)量輕，柔順性好，患肢在進(jìn)行運動時不會有明顯的束縛感，而且易于穿戴。

人工氣動肌肉；肢體康復(fù)；柔性；助力

肢體康復(fù)機(jī)器人是一個新興的領(lǐng)域，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，各種康復(fù)機(jī)器人大量涌現(xiàn)。從總體上看，國外發(fā)展較國內(nèi)快。國外的肢體康復(fù)機(jī)器人在國內(nèi)醫(yī)院已被患者使用，而在國內(nèi)大多數(shù)康復(fù)機(jī)器人還在原型機(jī)階段。目前，康復(fù)機(jī)器人的驅(qū)動方式主要有電機(jī)驅(qū)動和氣動肌肉驅(qū)動，與電機(jī)驅(qū)動相比，采用氣動肌肉驅(qū)動具有成本低、質(zhì)量輕、出力大、柔順性好、安全性高、噪音低等優(yōu)點?；贾谶M(jìn)行運動時不會有明顯的束縛感，而且易于穿戴。考慮到患者患肢多較脆弱，在康復(fù)裝置設(shè)計中必須以安全性和柔順性為中心，故采用氣動肌肉做為康復(fù)裝置的驅(qū)動器更為合適。本研究設(shè)計了一種多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服，采用氣動肌肉驅(qū)動完成肩部外展、內(nèi)收，肘部屈伸等動作。

1.氣動肌肉的結(jié)構(gòu)和特點

氣動肌肉的主體結(jié)構(gòu)由橡膠管和套在外面的纖維編織網(wǎng)組成，橡膠管和編織網(wǎng)在兩端通過接頭固定在一起，接頭主要起密封固定作用，另外接頭是外負(fù)載和氣動肌肉進(jìn)行連接的地方，此外，氣動肌肉進(jìn)氣管的安裝地方也通常放置在接頭處。當(dāng)氣動肌肉充氣時，橡膠管膨脹并和纖維網(wǎng)緊緊貼緊，從而將氣體的壓力傳遞給纖維網(wǎng)轉(zhuǎn)化為拉力在編制網(wǎng)編織角度變大的同時，氣動肌肉在軸向方向收縮，從而帶動負(fù)載工作。氣動肌肉由于主題部分主要是橡膠和編制網(wǎng)等高分子材料，質(zhì)量很輕，而出力很大。

2.人體上肢運動分析

由于人體上肢運動非常復(fù)雜，自由度較多，為了肌肉服對人體運動不產(chǎn)生太大的干涉，多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服要求結(jié)構(gòu)簡單、安全便捷。因此研究上肢的各種基本運動。

動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。人體手臂共有多個自由度。人上肢日常運動涉及的多個自由度，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。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計

本多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服設(shè)計是根據(jù)人體肌肉的走向。以人機(jī)工程學(xué)、線牽引助力穿戴式裝備設(shè)計、材料學(xué)、人體運動、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價指標(biāo)。繼而基于此標(biāo)準(zhǔn)對相關(guān)因素進(jìn)行設(shè)計指導(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。肱三頭肌控制手肘屈伸，前三角肌、后三角肌肩關(guān)節(jié)外展，胸大肌控制肩關(guān)節(jié)內(nèi)旋、內(nèi)收，岡下肌控制肩關(guān)節(jié)外旋內(nèi)收，斜方肌二頭肌控制雙肩抬起和穩(wěn)定。

所設(shè)計的多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服模型如圖1、圖2、圖3所示。

整個裝置可穿戴在使用者身上，其中手臂可以實現(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肌肉收縮完成，而其相反運動通過手臂自身的重力來實現(xiàn)。該肌肉服總共安裝4根氣動肌肉，每根肌肉后端連接氣泵，前端則直接與衣服連接。設(shè)計的多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服質(zhì)量輕、穿戴方便、安全性能高、柔順性好、成本低，患肢在進(jìn)行主動運動時不會有明顯的束縛感，可實現(xiàn)對患者上肢的運動功能康復(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。這些特點使“肌肉服”對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)推廣價值。

圖1 氣動肌肉分布圖

圖2 縫在夾層衣服中

圖3 穿戴后

4.控制系統(tǒng)及基本運動

整個肌肉服控制系統(tǒng)通過簡單開關(guān)控制氣壓的大小，達(dá)到上肢運動的效果。實際測量上肢康復(fù)機(jī)器人的基本運動范圍如下：肩部外展／內(nèi)收為0°～90°；肘部屈／伸為0°～90°。

5.臨床試驗及結(jié)果

針對上述多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服，本文進(jìn)行了初步的臨床試驗來評估整個裝置的性能以及臨床應(yīng)用效果。

在整個試驗過程中，測試者穿上多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服后處于完全被動訓(xùn)練模式，上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行輔助訓(xùn)練的跟蹤結(jié)果如圖所示，臨床試驗結(jié)果驗證了所設(shè)計的多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服的可用性和有效性。

研制的多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服能輔助病人完成肩部外展／內(nèi)收，肘部屈／伸等功能運動訓(xùn)練，這種新型多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服的特點是結(jié)構(gòu)簡單，方便拆卸，柔順性好、質(zhì)量輕、成本低、適合社區(qū)及家庭使用。試驗結(jié)果證明了所設(shè)計的多自由度可穿戴柔性助力氣動肌肉服的可用性和有效性。實現(xiàn)更多的自由度，智能化運動控制技術(shù)，引入患者主動運動意識的意識觸發(fā)進(jìn)行人-康復(fù)裝置的交互控制將是今后研究的重點方向。

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