齊賀男 吳學(xué)鋒 李東亞

摘要：手指康復(fù)機(jī)器人是一種特殊的新型機(jī)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(fù)訓(xùn)練活動(dòng)。旨在設(shè)計(jì)一款手指康復(fù)機(jī)器人，用機(jī)器人來(lái)代替康復(fù)理療師的工作。通過(guò)分析人手的生理學(xué)結(jié)構(gòu)與生物機(jī)能，得到了人手的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。對(duì)手指空間機(jī)構(gòu)分析，選擇單自由度手指機(jī)械結(jié)構(gòu)。為解決手關(guān)節(jié)康復(fù)角度與垂直力的問(wèn)題，引入滑塊與導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，運(yùn)用Creo三維軟件完成手指康復(fù)機(jī)器人模型。通過(guò)D-H方法，分析手指康復(fù)機(jī)器人的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，建立雅克比矩陣，完成動(dòng)力學(xué)方程。選擇適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)類型與傳動(dòng)方式，模塊化設(shè)計(jì)出手指康復(fù)機(jī)器人。為了提高康復(fù)過(guò)程中感知能力，設(shè)計(jì)并研究力與位置傳感器應(yīng)用范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該手指康復(fù)機(jī)器人可以完成患者的康復(fù)訓(xùn)練活動(dòng)，有利于未來(lái)醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：手指康復(fù)機(jī)器人;D-H方法;雅克比矩陣;模塊化

中圖分類號(hào)：TP24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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(lái)越多，其中手指患者人數(shù)所占比例是最大的[1]，對(duì)于喪失手部運(yùn)動(dòng)功能給患者本人生活帶來(lái)不便，最為嚴(yán)重的是引發(fā)心理疾病[2]。因此，對(duì)于康復(fù)手功能障礙的設(shè)備需求急劇增加。然而，目前國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)的各類手功能恢復(fù)性設(shè)備大多都存在缺點(diǎn)，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(jì)基于理論模型，缺乏實(shí)際康復(fù)效果，為避免以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)與研究新一代手指康復(fù)機(jī)器人具有重要意義。

本文以手指作為切入點(diǎn)，首先分析手指彎曲/伸展與偏轉(zhuǎn)的功能，通過(guò)研究生理學(xué)特性得出關(guān)節(jié)自由度所能運(yùn)動(dòng)的范圍，進(jìn)而分析出人手康復(fù)的基本原理。為了更好地實(shí)現(xiàn)康復(fù)效果，采用圖解與分析法，設(shè)計(jì)出雙自由度與單自由度相結(jié)合的結(jié)構(gòu)類型。通過(guò)進(jìn)行正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)位置，從而確定了手指末端的活動(dòng)范圍，進(jìn)而計(jì)算出動(dòng)力學(xué)方程，得到了雅可比矩陣。選取最為合理的傳動(dòng)方案，以便人手關(guān)節(jié)在安全的范圍內(nèi)進(jìn)行康復(fù)活動(dòng)。參考人類手指三關(guān)節(jié)所能承受的力矩的范圍，計(jì)算并且確定電機(jī)型號(hào)。通過(guò)Creo三維軟件，采用模塊化設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)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(fù)端?？紤]到手指在康復(fù)過(guò)程中需要有感知能力，以保證康復(fù)患者的安全性。本文設(shè)計(jì)并計(jì)算出新型的力的傳感器與位置傳感器，在整機(jī)完成實(shí)物后，將傳感器貼片安裝在所需監(jiān)測(cè)的位置，以便測(cè)量此處位置力與力矩的大小。最后，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)確保了設(shè)計(jì)的合理性，能夠順利實(shí)現(xiàn)患者的康復(fù)訓(xùn)練活動(dòng)，并為該行業(yè)的發(fā)展提供了有力依據(jù)。

1 手指康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

手指康復(fù)機(jī)器人是新型康復(fù)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(fù)運(yùn)動(dòng)。考慮到患者在治療過(guò)程中行動(dòng)不便，為了設(shè)備便于攜帶與操作，因此，應(yīng)該盡量進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)[4]。同時(shí)，為了避免患者二次傷害，應(yīng)該準(zhǔn)確考慮末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置。

1.1 手指運(yùn)動(dòng)機(jī)理分析

人手是人類器官中相對(duì)較為復(fù)雜的部分之一[5]，為了更好地康復(fù)手關(guān)節(jié)活動(dòng)，了解手部關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變得十分重要。人手總共21個(gè)自由度，其中，大拇指5個(gè)自由度，其余四指各有4個(gè)自由度[6]。對(duì)于單個(gè)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(gè)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(duì)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(guò)程中，不會(huì)有內(nèi)收/外展運(yùn)動(dòng)[7]。人手指關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍如表1所示。

一般而言，人手運(yùn)動(dòng)所需要的驅(qū)動(dòng)力并不大，且最多的運(yùn)動(dòng)形態(tài)便是抓取運(yùn)動(dòng)，手指彎曲運(yùn)動(dòng)模型如圖1所示。如圖所示，Leec8]研究表明，手指運(yùn)動(dòng)存在一定的聯(lián)系，同時(shí)學(xué)者Ciorgio與Marco對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)手指運(yùn)動(dòng)康復(fù)方案是可行的。

1.2 手指結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

手指末端以指端關(guān)節(jié)（DIP）為旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)，而繞著指間關(guān)節(jié)（PIP）做圓弧運(yùn)動(dòng)，因此設(shè)計(jì)一款為驅(qū)動(dòng)輪一剛性連桿一滑塊驅(qū)動(dòng)形式的機(jī)構(gòu)模型，由于外骨骼部分為剛性機(jī)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(jī)構(gòu)，把導(dǎo)軌設(shè)計(jì)成圓弧形，采用單自由度的驅(qū)動(dòng)輪一剛性連桿機(jī)構(gòu)，并將兩個(gè)鉸鏈和滑塊連在另外一個(gè)連桿上，從而形成轉(zhuǎn)動(dòng)副，而滑塊與導(dǎo)軌形成面接觸形式的低副，最終可以驅(qū)動(dòng)指端關(guān)節(jié)（DIP）和指間關(guān)節(jié)（PIP）單自由度運(yùn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

考慮到康復(fù)運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)性，將彎曲導(dǎo)軌做成懸臂梁形式，以保證實(shí)現(xiàn)圓弧運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作用力始終垂直手指，從而使驅(qū)動(dòng)力矩最小，減少了能量損失。

對(duì)于指掌關(guān)節(jié)（MP）位置，MP1實(shí)現(xiàn)彎曲/伸展運(yùn)動(dòng)，而MP2是垂直MP1的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。MP處運(yùn)動(dòng)形式與兩自由度球面副不同，即MP1與MP2運(yùn)動(dòng)是分步進(jìn)行的。因此，此處采用兩個(gè)獨(dú)立自由度空間機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

手指康復(fù)機(jī)器人采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，確保控制精準(zhǔn)度更高，響應(yīng)速度快。對(duì)于傳動(dòng)方式，三關(guān)節(jié)MP1、PIP、DIP在驅(qū)動(dòng)方式上采用齒輪一鋼絲繩一連桿一滑塊的新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)理想的彎曲/伸展運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接錐齒輪與標(biāo)準(zhǔn)齒輪，從而傳遞運(yùn)動(dòng)到齒條上，齒條經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，將運(yùn)動(dòng)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(dòng)手指的彎曲/伸展得以實(shí)現(xiàn)。

1.3 手指運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)分析

運(yùn)動(dòng)學(xué)是對(duì)整體手指的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行提煉，從而建立數(shù)學(xué)方程[9]，采用D-H方法進(jìn)行坐標(biāo)系的建立，完成運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析，從而得到關(guān)節(jié)于末端位置之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系式，進(jìn)而得到動(dòng)力學(xué)方程。

運(yùn)動(dòng)學(xué)包括正向和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)。一般來(lái)說(shuō)，正向運(yùn)動(dòng)學(xué)根據(jù)手指關(guān)節(jié)的變量，進(jìn)而得到末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)系參考位置，即相對(duì)之間的映射關(guān)系。而逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)是根據(jù)末端執(zhí)行器基礎(chǔ)坐標(biāo)系的數(shù)值，得到直角坐標(biāo)系的數(shù)值，進(jìn)而可以求得不同關(guān)節(jié)的角度，即直角坐標(biāo)系與末端執(zhí)行器之間的映射關(guān)系。由于逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)比正向運(yùn)動(dòng)學(xué)更有理論含義，因此選取逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程式計(jì)算手指康復(fù)運(yùn)動(dòng)的軌跡。綜上，求解的各關(guān)節(jié)角度理論值如下：

考慮到機(jī)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(fù)機(jī)器人的雅克比矩陣方程式為：

1.4 手指康復(fù)機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)

手指康復(fù)機(jī)器人需要穿戴于人手上，并直接接觸皮膚，因此設(shè)計(jì)的尺寸應(yīng)符合大部分人手尺寸。目前很多此類康復(fù)設(shè)備都是講驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安裝在手指關(guān)節(jié)處，因此本文設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，將康復(fù)手指與驅(qū)動(dòng)裝置分開(kāi)，驅(qū)動(dòng)裝置模塊負(fù)責(zé)穩(wěn)定人手并提供驅(qū)動(dòng)程序，康復(fù)手指模塊作用是固定人手，手指端設(shè)計(jì)圖紙如圖4所示。

2 電機(jī)選型與傳感器方案設(shè)計(jì)

電機(jī)與傳感器作為驅(qū)動(dòng)與感知系統(tǒng)，在人手康復(fù)的過(guò)程中起到極為重要的作用。通過(guò)人手關(guān)節(jié)的力矩計(jì)算得到理想的驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)，進(jìn)而選取合適的電機(jī)。根據(jù)康復(fù)過(guò)程中需要監(jiān)測(cè)的位置，在適當(dāng)?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(fù)效果。

2.1 電機(jī)選型方案設(shè)計(jì)

根據(jù)手指康復(fù)要求，選取直流伺服電機(jī)為驅(qū)動(dòng)源，伺服電機(jī)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(diǎn)，同時(shí)也便于操控，從而可以達(dá)到安全可靠的效果。人手關(guān)節(jié)康復(fù)的力矩最大不能超過(guò)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(jì)算，得到理想的驅(qū)動(dòng)電機(jī)[11]。因此綜上所述，選取的電機(jī)重要參數(shù)：質(zhì)量為13.4 9;電壓4.8 -6 V;電機(jī)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(jì)

為了更好的獲得康復(fù)評(píng)價(jià)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(hào)，從而更好的將傳感器彈性體與手指康復(fù)本體結(jié)合起來(lái)。本體采用硬質(zhì)鋁合金7075-T651做成，彈性體實(shí)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(shí)，選擇聚酯樹(shù)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(fù)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

手指康復(fù)機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建主要有以下幾部分：手指機(jī)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(jī)軟件系統(tǒng)。手指的本體結(jié)構(gòu)是按照標(biāo)準(zhǔn)成年人手指長(zhǎng)度設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)上位機(jī)軟件，將需要康復(fù)的效果輸入手指康復(fù)機(jī)器人內(nèi)，可以很好地實(shí)現(xiàn)患者的康復(fù)活動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了手指康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及其運(yùn)動(dòng)原理，根據(jù)手指的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，選取了合適的電機(jī)型號(hào)，有效地解決手指康復(fù)中動(dòng)力不足的影響，同時(shí)也能很好地保護(hù)手指免受損害。通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用低電壓穩(wěn)壓源控制，可以實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練效果。本文介紹了第一代手指康復(fù)樣機(jī)，在設(shè)計(jì)思路方面對(duì)康復(fù)醫(yī)療行業(yè)方面具有指導(dǎo)性作用，目前在這一代樣機(jī)基礎(chǔ)上增加傳感功能，提升智能化，增加多指聯(lián)動(dòng)，提高康復(fù)效果，現(xiàn)階段手指康復(fù)機(jī)器人的發(fā)展仍比較緩慢，未來(lái)還有很長(zhǎng)的路要走。

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