劉 冬 王明昊 畢 聰 水生財(cái) 叢 明 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

近年來，由中風(fēng)等疾病引起的手部功能喪失的患者人數(shù)逐年上升。對(duì)于這類患者，除一般藥物治療外，還需輔以抓、握和捏等手部運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)治療。手部康復(fù)裝置就是對(duì)手部功能障礙患者進(jìn)行康復(fù)治療和日常生活輔助的設(shè)備[1]。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)其結(jié)構(gòu)和控制等方面進(jìn)行了研究[2]，相繼提出了基于連桿傳動(dòng)[3-5]、繩索傳動(dòng)[6]等結(jié)構(gòu)的外骨骼手部康復(fù)裝置，但這類剛性手部可穿戴康復(fù)裝置柔性不足、與手指貼合性較差，容易造成患者手指發(fā)生側(cè)彎或者扭轉(zhuǎn)，造成二次傷害。

近年來，軟體手部康復(fù)裝置具有貼合性好、自由度高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)[7]受到國(guó)內(nèi)外研究人員廣泛關(guān)注。POLYGERINOS等[8]設(shè)計(jì)了一種可穿戴式手部軟體康復(fù)裝置，該裝置執(zhí)行器部分由硅膠與限制層材料粘合制成，采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，工作時(shí)頂部超彈性材料制成的空腔結(jié)構(gòu)在充氣后膨脹，而底部的限制層約束底部膨脹，導(dǎo)致整個(gè)執(zhí)行裝置產(chǎn)生彎曲的效果。ZHAO等[9]研究了一種氣動(dòng)軟體手部康復(fù)裝置，該裝置由彈性材料制成，每個(gè)手指上都有一系列相互連接的氣室，在每個(gè)手指的掌側(cè)都有一個(gè)相對(duì)不能伸展的尼龍布，在流體加壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，執(zhí)行器引起抓握運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)康復(fù)治療。IN等[10]設(shè)計(jì)了一種帶有柔軟的肌腱傳送系統(tǒng)的可穿戴的手部裝置，護(hù)套裝有執(zhí)行機(jī)構(gòu)導(dǎo)線，幫助將導(dǎo)線張力傳遞到手套，當(dāng)屈肌腱被拉動(dòng)時(shí)，背帶推動(dòng)指骨的背部和頂端，實(shí)現(xiàn)手部的康復(fù)訓(xùn)練。YAP等[11]設(shè)計(jì)了一種可穿戴式手部軟體康復(fù)機(jī)器人手套MR-Glove，該手套由軟體氣動(dòng)執(zhí)行器與手套組成，軟體氣動(dòng)執(zhí)行器由硅膠彈性體制成，氣泵將壓力氣體通過管路通入氣動(dòng)軟體執(zhí)行器，軟體執(zhí)行器產(chǎn)生彎曲運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)手指進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。趙芳[1]設(shè)計(jì)了一套軟體外骨骼式機(jī)器人系統(tǒng)，軟體執(zhí)行器內(nèi)部結(jié)構(gòu)為中空，采用尼龍作為限制層填充物內(nèi)嵌在硅膠內(nèi)。管瑞陽(yáng)等[12]設(shè)計(jì)了一種穿戴式康復(fù)機(jī)器人手指的軟體致動(dòng)器，該軟體致動(dòng)器由具集成通道的彈性材料制成，內(nèi)部為密集分布的三角形非充氣腔室和菱形充氣腔室軟體結(jié)構(gòu)。雖然軟體手部康復(fù)裝置具有柔性好、貼合性好、自由度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，但也具有驅(qū)動(dòng)力小、復(fù)雜軟體裝置不易制作等缺點(diǎn)。

本文綜合剛性裝置與軟體裝置的優(yōu)點(diǎn)，采用軟體關(guān)節(jié)與剛性指節(jié)結(jié)合的形式，設(shè)計(jì)了一種剛軟結(jié)合的可穿戴手部康復(fù)裝置。該康復(fù)裝置不僅具有比純?nèi)嵝匝b置更強(qiáng)的傳力性能和手指的貼合性，而且具有比剛性裝置更好的柔性和較高的安全性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。

1 剛軟結(jié)合手部康復(fù)裝置設(shè)計(jì)

1.1 人手生物結(jié)構(gòu)分析

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)手功能喪失患者手部的康復(fù)功能，需要研究手部的尺寸參數(shù)和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，以確定康復(fù)裝置各關(guān)節(jié)、指節(jié)的尺寸。手部運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)是由肌肉屈伸帶動(dòng)手指骨頭運(yùn)動(dòng)，改變指骨與指骨之間的相對(duì)位置來實(shí)現(xiàn)的[13]。對(duì)于人手來說，一般可以完成屈伸運(yùn)動(dòng)和開閉運(yùn)動(dòng)。屈伸運(yùn)動(dòng)就是人在握拳與展開的過程中，手指關(guān)節(jié)所完成的彎曲與展開運(yùn)動(dòng)。開閉運(yùn)動(dòng)就是手指與手掌在同一水平面上，掌指關(guān)節(jié)所完成的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。本文主要針對(duì)手指屈伸時(shí)各關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍開展可穿戴康復(fù)裝置的設(shè)計(jì)。

所設(shè)計(jì)的手部康復(fù)裝置結(jié)構(gòu)要結(jié)合人手關(guān)節(jié)、指節(jié)等參數(shù)。通過查閱正常成人手指參數(shù)模型庫(kù)[14-15]，獲得手部各指頭關(guān)節(jié)的自由度、運(yùn)動(dòng)方式及活動(dòng)范圍，如表1所示。除此之外，還須考慮手指各指節(jié)長(zhǎng)度參數(shù)。成人手部各手指指骨尺寸范圍[16]如表2所示。

表1 正常成人手指關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍[14-15]Tab.1 Joint ranges of normal adult fingers[14-15]

表2 成人各手指指骨尺寸范圍[16]Tab.2 Phalange size ranges of adult fingers[16] mm

1.2 軟體關(guān)節(jié)與剛性指節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)軟體手指執(zhí)行器是軟體康復(fù)裝置的主要部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響裝置的性能。通過對(duì)人手的生物結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)軟體手指執(zhí)行器各指節(jié)、關(guān)節(jié)的尺寸，如表3所示。

表3 軟體執(zhí)行器各指節(jié)和關(guān)節(jié)長(zhǎng)度

圖1 軟體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Soft joint structure model

根據(jù)表3參數(shù)，設(shè)計(jì)了氣動(dòng)軟體手指執(zhí)行器軟體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。為了解決PneuNets結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力過大的缺點(diǎn)，將氣動(dòng)軟體關(guān)節(jié)由多個(gè)分割式氣室改為整體氣室，將原本的矩形結(jié)構(gòu)優(yōu)化為波浪形結(jié)構(gòu)，以增加變形量、減小應(yīng)力；將原始的矩形斷面優(yōu)化為圓弧形狀，以減小應(yīng)力、增加裝置的安全性能。通過改變關(guān)節(jié)外層壁厚h和單個(gè)波浪形氣室結(jié)構(gòu)的角度θ進(jìn)行有限元仿真實(shí)驗(yàn)，確定彎曲性能最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果如表4所示。通過實(shí)驗(yàn)可得，外層厚度h越大，彎曲角度越小，但h=1 mm時(shí)徑向膨脹過大，所以本文選擇h=1.5 mm。θ對(duì)彎曲性能的影響不大，根據(jù)結(jié)構(gòu)特性選擇θ=25°，并設(shè)置波浪結(jié)構(gòu)圓弧半徑R=2 mm，便于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且手指整體彎曲角度可以滿足手部康復(fù)要求。

為了滿足管路與軟體關(guān)節(jié)連接的氣密性要求，采用“硬+軟+硬”的方案結(jié)構(gòu)。為了減小裝置的質(zhì)量，同時(shí)將氣路布置在其中間以減小裝置所占空間，剛性指節(jié)由上下兩個(gè)殼體組成并采用中空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示。為了減少零件的數(shù)量，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕便，剛性指節(jié)的上下殼體的連接采用卡扣結(jié)構(gòu)，軟體關(guān)節(jié)與剛性指節(jié)接口的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果Tab.4 Structural optimization experiment designand results

圖2 剛性指節(jié)中空結(jié)構(gòu)Fig.2 Hollow structure of rigid knuckle

圖3 軟體關(guān)節(jié)與剛性指節(jié)接口Fig.3 Connector for soft joint and rigid knuckle

裝配時(shí)，先將管路接口插入軟體關(guān)節(jié)的接口內(nèi)；然后將軟體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)放入剛性指節(jié)的殼體孔內(nèi)，合上殼體；最后通過殼體上的卡扣進(jìn)行固定。由于軟體關(guān)節(jié)接口的厚度大于管路接口與剛性指節(jié)殼體孔的半徑差，所以連接的過程中軟體關(guān)節(jié)接口會(huì)發(fā)生變形，從而保證了氣密性的要求。

1.3 軟體關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)分析

該執(zhí)行器的軟體關(guān)節(jié)由硅膠材料鑄造而成。硅橡膠是典型的高分子非線性超彈性材料，目前多通過建立其應(yīng)變能密度函數(shù)W模型來分析材料的力學(xué)性能[17-18]。各向同性超彈材料的應(yīng)變能密度W可表示為張量C的3個(gè)不變量(aC,bC,cC)的函數(shù)：

WP=W(aC,bC,cC)

(1)

(2)

其中，λ1、λ2、λ3分別為x、y、z方向的主伸長(zhǎng)比[16]。本文采用的硅橡膠材料形變量相對(duì)較大，因此選用Yeoh模型[17,19-20]并將其簡(jiǎn)化，保留前兩項(xiàng)，得到應(yīng)變能密度函數(shù)：

W=C10(aC-3)+C20(aC-3)2

(3)

其中，C10、C20為材料常數(shù)。所設(shè)計(jì)的軟體關(guān)節(jié)執(zhí)行器可視作多個(gè)相同的氣囊單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)。假設(shè)每個(gè)氣囊的形變相同，且硅橡膠材料不可壓縮，每個(gè)氣囊的受力變形形式如圖4所示。

圖4 氣囊變形形式Fig.4 Airbag deformation

應(yīng)變能密度函數(shù)W對(duì)氣囊的彎曲角度θ(rad)求導(dǎo)可得

(4)

假設(shè)驅(qū)動(dòng)氣體做的功全部轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)器形變的勢(shì)能，根據(jù)虛功原理，有

pdVK+VSdW=0

(5)

其中，p為驅(qū)動(dòng)氣壓；VS為硅橡膠體積，mm3；VK為氣囊腔體體積，mm3。整理式(5)可得

(6)

其中,Vx、Vy為x、y方向兩側(cè)外壁硅橡膠的體積；Wx、Wy為應(yīng)變能密度函數(shù)在x、y方向的分量。式(6)只含p與θ兩個(gè)未知數(shù)，因此在已知驅(qū)動(dòng)氣壓p的情況下即可確認(rèn)單個(gè)氣囊的彎曲角度θ，乘以驅(qū)動(dòng)器氣囊的個(gè)數(shù)并考慮剛性指節(jié)即可獲得驅(qū)動(dòng)器整體的彎曲角度。

1.4 剛軟結(jié)合手指執(zhí)行器設(shè)計(jì)

可穿戴手指康復(fù)裝置由5根與手指接觸的剛軟結(jié)合手指執(zhí)行器組成，氣動(dòng)手指執(zhí)行器通過粘接與手套連接。每根氣動(dòng)手指由3個(gè)軟體關(guān)節(jié)、3個(gè)剛性指節(jié)和軟體底板組成，通入壓力氣體時(shí)產(chǎn)生彎曲運(yùn)動(dòng)。氣動(dòng)手指執(zhí)行器上的3個(gè)氣動(dòng)軟體關(guān)節(jié)通過氣路連接，采用欠驅(qū)動(dòng)原理，當(dāng)氣路中通入壓力氣體時(shí)，3個(gè)關(guān)節(jié)同時(shí)產(chǎn)生彎曲運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)手指產(chǎn)生彎曲運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)手部抓、握、捏等功能的康復(fù)運(yùn)動(dòng)。剛?cè)峤Y(jié)合手指執(zhí)行器組成的可穿戴手指康復(fù)裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 剛軟結(jié)合手指執(zhí)行器Fig.5 Rigid and soft combined finger actuator

2 剛軟結(jié)合手指執(zhí)行器有限元分析

基于所設(shè)計(jì)的剛軟結(jié)合手指執(zhí)行器結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元應(yīng)力與變形分析。首先為各部分創(chuàng)建材料，并進(jìn)行組裝與合并，設(shè)置重力及腔室內(nèi)壁壓力載荷；然后增加結(jié)合交互以防止當(dāng)一個(gè)軟體關(guān)節(jié)足夠膨脹時(shí)相鄰的氣室壁會(huì)相互接觸；最后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。設(shè)置的關(guān)節(jié)材料參數(shù)為：密度1130 kg/m3，應(yīng)變勢(shì)能Yeoh，輸入源系數(shù)C10=0.11，C20=0.02，通過硅橡膠試樣的拉伸試驗(yàn)獲得。指節(jié)材料參數(shù)為：密度750 kg/m3，應(yīng)變勢(shì)能Yeoh，彈性模量6500 MPa，泊松比0.2。有限元仿真模型如圖6所示，其中施加重力加速度9.810 m/s2，氣體壓力0.1 MPa。圖7和圖8為采用原始PneuNet關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和本文所設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的有限元應(yīng)力云圖。

圖6 執(zhí)行器有限元模型Fig.6 Finite element model of the actuator

圖7 PneuNet結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.7 Stress nephogram of PneuNet structure

圖8 剛軟結(jié)合手指結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.8 Stress nephogram of rigid and softcombined finger structure

由圖7和圖8可知，本文改進(jìn)的軟體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)模型的應(yīng)力集中現(xiàn)象得到了改善，最大應(yīng)力由8.72 MPa降低到2.81 MPa，降低了67.8%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明改進(jìn)后的軟體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)合理，可有效減小應(yīng)力集中。對(duì)單根氣動(dòng)手指軟體關(guān)節(jié)分別施加0 MPa、0.02 MPa、0.04 MPa、0.06 MPa、0.08 MPa、0.10 MPa壓力，獲得手指執(zhí)行器在對(duì)應(yīng)壓力下的彎曲角度如圖9所示。

圖9 剛軟結(jié)合手指p-θ對(duì)應(yīng)圖Fig.9 The p-θ correspondence diagram of rigid andsoft combined finger

3 剛軟結(jié)合手部康復(fù)裝置制作

該剛軟結(jié)合手部康復(fù)裝置的每根手指執(zhí)行器由軟體關(guān)節(jié)、剛性指節(jié)、管路、接頭和底板組成。剛性指節(jié)材料為光敏樹脂，采用3D打印方法制作。軟體關(guān)節(jié)與底板為硅膠材料，采用鑄造方法獲得。氣動(dòng)軟體關(guān)節(jié)是由硅膠材料制成的中空結(jié)構(gòu)，注入壓力氣體，通過硅膠的變形以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)彎曲。制作過程需要保證氣動(dòng)軟體關(guān)節(jié)的氣密性。整個(gè)關(guān)節(jié)分成上下兩個(gè)部分分別制造，采用模型反求的原理得到模具，模具需要增加冒口以提升質(zhì)量。

設(shè)計(jì)的模具如圖10所示。每個(gè)氣動(dòng)軟體關(guān)節(jié)模具由上腔頂模、上腔底模、下腔頂模和下腔底模四部分構(gòu)成。制作時(shí)上腔頂模與上腔底模合模制成氣動(dòng)軟體關(guān)節(jié)腔室上腔，下腔頂模與下腔底模合模制成氣動(dòng)軟體關(guān)節(jié)腔室下腔。上下腔室制作完成后，取下上腔底模和下腔底模，在上下腔結(jié)合處刷上硅膠混合液，然后將上腔頂模與下腔頂模進(jìn)行合鑄，最后得到氣動(dòng)軟體關(guān)節(jié)的整體腔室。圖11所示為該氣動(dòng)軟件關(guān)節(jié)的制作過程。

圖10 單個(gè)氣動(dòng)軟體關(guān)節(jié)模具Fig.10 Single pneumatic soft joint mould

(a)按比例配置硅膠混合液 (b)除去混合液中的氣泡 (c)倒入模具 (d)合上模具 (e)硅膠烤制(f)上下腔室合攏 (g)再次烤制 (h)修剪與測(cè)試圖11 氣動(dòng)軟體關(guān)節(jié)制作步驟Fig.11 Pneumatic soft joint manufacturing steps

圖12 實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)原理圖Fig.12 Schematic diagram of experimentalcontrol system

采用本文模具和制作流程制成的氣動(dòng)軟體關(guān)節(jié)氣密性好，質(zhì)量較高，氣室內(nèi)沒有氣泡，氣室壁均勻，變形良好。

4 氣動(dòng)手部軟體康復(fù)裝置實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

剛軟結(jié)合手部軟體康復(fù)裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由支架、相機(jī)及氣動(dòng)控制系統(tǒng)組成。相機(jī)用于獲取執(zhí)行器變形信息。氣動(dòng)控制系統(tǒng)由1個(gè)壓力泵、1個(gè)微型控制器、2個(gè)電磁閥、1個(gè)壓力傳感器和3個(gè)連接器組成，系統(tǒng)原理如圖12所示。工作時(shí)，向微型控制器輸入預(yù)設(shè)壓力值，微型控制器控制壓力泵工作。此時(shí)供氣電磁閥打開，排氣電磁閥關(guān)閉，壓力泵產(chǎn)生的壓力氣體通往軟體執(zhí)行器，使執(zhí)行器產(chǎn)生彎曲。壓力傳感器通過連接器與執(zhí)行器的氣路聯(lián)通，實(shí)時(shí)檢測(cè)執(zhí)行器處的壓力值，并將壓力值傳到微型傳感器處，與預(yù)設(shè)壓力值進(jìn)行比較。若檢測(cè)壓力值小于預(yù)設(shè)壓力值，則電磁閥的閉合狀態(tài)不變；若檢測(cè)壓力值大于預(yù)設(shè)壓力值，則排氣電磁閥打開，供氣電磁閥關(guān)閉，以控制軟體執(zhí)行器內(nèi)的壓力保持動(dòng)態(tài)平衡。利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行單根氣動(dòng)手指的彎曲特性和指尖力測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

4.2 單根手指彎曲測(cè)試實(shí)驗(yàn)

將氣動(dòng)手指執(zhí)行器的第一個(gè)關(guān)節(jié)一端垂直固定，使整個(gè)手指執(zhí)行器與地面平行，彎曲面垂直于地面。在手指執(zhí)行器等高處安裝相機(jī)，拍攝其在通入壓力氣體后的變形情況。對(duì)單根氣動(dòng)手指軟體關(guān)節(jié)分別施加0、0.02 MPa、0.04 MPa、0.06 MPa、0.08 MPa、0.10 MPa壓力，在每個(gè)壓力下，待被測(cè)氣動(dòng)手指變形穩(wěn)定后，用相機(jī)拍攝氣動(dòng)手指的變形情況，如圖13所示。仿真與實(shí)驗(yàn)的變形情況對(duì)比如圖14所示，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在不同壓力的情況下，單根氣動(dòng)手指彎曲變形情況與有限元分析結(jié)果大致相同。

(a)p=0 (b)p=0.02 MPa(c)p=0.04 MPa

(d)p=0.06 MPa (e)p=0.08 MPa(f)p=0.10 MPa圖13 單根氣動(dòng)手指彎曲變形Fig.13 Bending deformation of single pneumatic finger

圖14 仿真與實(shí)驗(yàn)的變形情況對(duì)比Fig.14 Deformation comparison of simulationand experiment

4.3 單根手指指尖力測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了研究氣動(dòng)手指的靜力學(xué)特征，搭建了單根手指指尖力測(cè)量的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖15所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由電腦、控制器、氣泵、連接器、壓力傳感器、支架、平臺(tái)以及電子秤(精度為0.01 g)組成。

圖15 手指指尖力測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.15 Experimental platform for fingertipforce measurement

實(shí)驗(yàn)得到指尖力與通入氣壓的關(guān)系如圖16所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，指尖力與通入氣體壓力成正比。

圖16 指尖力與氣體壓力關(guān)系Fig.16 Relationship between fingertip force andgas pressure

4.4 手部康復(fù)裝置抓取性能實(shí)驗(yàn)

手部軟體康復(fù)裝置用于手部抓握等運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)訓(xùn)練，故其帶動(dòng)手部完成簡(jiǎn)單的抓取任務(wù)是非常重要的。為觀察該剛軟結(jié)合可穿戴手部軟體康復(fù)裝置的抓取性能，實(shí)驗(yàn)中對(duì)紙盒、筆筒、木塊等不同形狀的物體從不同角度抓取，實(shí)驗(yàn)用品及相關(guān)參數(shù)如表5所示。實(shí)驗(yàn)設(shè)置分為無手掌抓取和有手掌抓取，其中有手掌表示在裝置中集成了掌指關(guān)節(jié)的約束部分。無手掌手部康復(fù)裝置和有手掌康復(fù)裝置抓取實(shí)驗(yàn)如圖17所示。食指彎曲角度和指節(jié)輸出力如圖18所示。

表5 實(shí)驗(yàn)用品及相關(guān)參數(shù)Tab.5 Experimental supplies and related parameters

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的剛軟結(jié)合可穿戴手部康復(fù)裝置能夠驅(qū)動(dòng)人手完成對(duì)筆筒、紙盒、木塊的抓取，對(duì)不同形狀物體表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性。手部康復(fù)裝置集成手掌后，在同樣壓力作用下，整個(gè)康復(fù)裝置氣動(dòng)手指執(zhí)行器的彎曲變形提高了23%，抓取力提高了11.8%，能輸出1.32 N外力，性能得到了提升。

(a)無手掌康復(fù)裝置抓取實(shí)驗(yàn)

(b)有手掌康復(fù)裝置抓取實(shí)驗(yàn)圖17 手部康復(fù)裝置抓取實(shí)驗(yàn)Fig.17 Grasping tests of hand rehabilitation device

(a)食指彎曲角度

(b)食指輸出力圖18 手部康復(fù)裝置抓取性能Fig.18 Grasping performance of handrehabilitation device

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種新型氣動(dòng)剛軟結(jié)合可穿戴手部康復(fù)裝置執(zhí)行器，在軟體關(guān)節(jié)和剛軟結(jié)合方式上均采用獨(dú)特設(shè)計(jì)，相比純?nèi)嵝詧?zhí)行器具有更強(qiáng)的傳力性能和手指貼合性，相比純剛性裝置具有更高的柔性和安全性。

(2)總結(jié)了一種制造此類形狀復(fù)雜和小壁厚的硅膠產(chǎn)品的快速、高質(zhì)量的鑄造方法。

(3)搭建了用于測(cè)試氣動(dòng)手指執(zhí)行器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成了單根手指彎曲變形和單根手指指尖力的測(cè)量實(shí)驗(yàn)。剛軟結(jié)合可穿戴手部康復(fù)裝置通過抓握不同物體的實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)了良好的抓取性能，能輸出1.32 N外力，可滿足日常生活中的抓握康復(fù)訓(xùn)練需求。