廖斌， 黃運(yùn)鉿， 鄒翔， 李國(guó)翚

(1.天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 天津 300350； 2.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 桂林 541004; 3.天津開(kāi)發(fā)區(qū)奧金高新技術(shù)有限公司， 天津 300072)

手功能損傷以及上肢部分功能損傷在腦卒中和腦外傷幸存者中較為常見(jiàn)。目前傳統(tǒng)的康復(fù)治療主要依靠醫(yī)療康復(fù)師進(jìn)行，治療效果受到康復(fù)師經(jīng)驗(yàn)、精力等的因素影響，治療效率較低。為了提高康復(fù)治療的效率，彌補(bǔ)康復(fù)師人員不足的缺陷，降低康復(fù)師的工作強(qiáng)度，相應(yīng)的康復(fù)治療裝備也應(yīng)運(yùn)而生。外骨骼屬于可穿戴型裝備，可用于肢體的康復(fù)治療。利用外骨骼進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練已逐漸成為康復(fù)訓(xùn)練的主流[1-2]。外骨骼機(jī)器人的研究正朝著輕量化、智能化的方向發(fā)展。手部外骨骼通過(guò)固定在患者手上帶動(dòng)手指做屈伸運(yùn)動(dòng)等康復(fù)訓(xùn)練。在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中，外骨骼的輕便性、舒適性和安全性顯得尤為重要[3]。手指外骨骼是手部外骨骼的基礎(chǔ)組成模塊，也是實(shí)現(xiàn)功能的主要模塊，所以手指外骨骼設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響著手部外骨骼功能的實(shí)現(xiàn)。

外骨骼的特點(diǎn)是用夾板或仿生結(jié)構(gòu)包裹住肢體，各關(guān)節(jié)需要驅(qū)動(dòng)力矩帶動(dòng)肢體運(yùn)動(dòng)[4-5]。手部外骨骼的通常主要通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)或者線纜驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。連桿機(jī)構(gòu)常用于表面接觸連接，其優(yōu)點(diǎn)是制造相對(duì)簡(jiǎn)單，容易獲得較高的制造精度，同時(shí)連桿曲線豐富，可滿足不同運(yùn)動(dòng)的需求。目前出現(xiàn)的連桿機(jī)構(gòu)的形式有串聯(lián)機(jī)構(gòu)[6-7]。平行四邊形機(jī)構(gòu)[8]、多連桿復(fù)雜機(jī)構(gòu)[9]等。多數(shù)連桿機(jī)構(gòu)中的連桿長(zhǎng)度固定，這樣對(duì)于不同的佩戴者容易造成手指關(guān)節(jié)與外骨骼脫位的現(xiàn)象[10]。線纜驅(qū)動(dòng)模擬人體手部肌腱的驅(qū)動(dòng)方式，通常線纜驅(qū)動(dòng)外骨骼結(jié)構(gòu)較連桿機(jī)構(gòu)外骨骼簡(jiǎn)單，有助于減輕手部的負(fù)重。除了直接驅(qū)動(dòng)手指外骨骼的關(guān)節(jié)[11]，線纜可與齒輪機(jī)構(gòu)組合完成手指關(guān)節(jié)的屈伸[12-13]，也能夠驅(qū)動(dòng)無(wú)關(guān)節(jié)手指外骨骼[14]，以及剛?cè)狁詈蠙C(jī)構(gòu)的手部外骨骼[15]。但是線纜存在明顯的彈性變形，控制方法較為復(fù)雜，在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要補(bǔ)償由彈性變形引起的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)偏差。

手部外骨骼通常都是由手指外骨骼組成?，F(xiàn)首先設(shè)計(jì)好手指外骨骼,為今后設(shè)計(jì)手部外骨骼奠定基礎(chǔ)。連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式直接，便于控制，選擇以連桿驅(qū)動(dòng)方式來(lái)設(shè)計(jì)手指外骨骼。設(shè)計(jì)過(guò)程中除了需要解決好手指外骨骼的運(yùn)動(dòng)自由度問(wèn)題之外，手指外骨骼的廣泛適用性和舒適性也是需要著重考慮的問(wèn)題。

1 手指外骨骼運(yùn)動(dòng)分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 人體手指的結(jié)構(gòu)及彎曲的運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

人體的手部結(jié)構(gòu)由許多肌肉、關(guān)節(jié)組合而成，具有很復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，當(dāng)進(jìn)行抓握動(dòng)作時(shí)，手部會(huì)結(jié)合大腦的感知來(lái)完成，除此之外，手還能用來(lái)表達(dá)情感?？梢?jiàn)手部的功能異常會(huì)帶來(lái)極大的不便，當(dāng)給手指功能有障礙的患者設(shè)計(jì)康復(fù)外骨骼來(lái)輔助治療時(shí)，提高外骨骼與手指運(yùn)動(dòng)軌跡的契合度，以及對(duì)手指進(jìn)行彎曲及伸直運(yùn)動(dòng)時(shí)的規(guī)律進(jìn)行分析是很有必要的一步。

1.1.1 人體手部結(jié)構(gòu)機(jī)理分析

圖1 手部骨骼示意圖Fig.1 Hand bones

圖1為手部骨骼示意圖，當(dāng)手指進(jìn)行彎曲和伸直時(shí)，遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié)(distal interphalangeal point，DIP)和近端指間關(guān)節(jié)(proximal interphalangeal point，PIP)關(guān)節(jié)均只有1個(gè)自由度。掌指關(guān)節(jié)(metacarpophalangeal point，MP)比指間關(guān)節(jié)多1個(gè)自由度?？芍梭w的手掌部分由19塊骨骼以及14個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)組成，各自有著獨(dú)立的排布，共同協(xié)作完成著復(fù)雜的動(dòng)作?；诒驹O(shè)計(jì)的目的，著重分析單個(gè)手指3個(gè)關(guān)節(jié)DIP、PIP和MP的運(yùn)動(dòng)方式。

1.1.2 手指極限彎曲角度分析

人體解剖學(xué)指出，手指指節(jié)骨塊之間的聯(lián)系由韌帶完成，韌帶除了可以連接骨骼，還能對(duì)手指的靜態(tài)極限位置進(jìn)行限制，約束手指指節(jié)骨骼間的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。而肌腱的功能是將肌肉產(chǎn)生的力傳導(dǎo)到骨骼使之進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，形成對(duì)骨骼的動(dòng)態(tài)限制。在韌帶與肌腱的協(xié)作下，關(guān)節(jié)得到了完善的限制，由圖2可知，MP與DIP關(guān)節(jié)極限屈曲角度約為90°，PIP關(guān)節(jié)的極限屈曲角度約為100°。

由于外骨骼屬于穿戴設(shè)備，所以需考慮外骨骼與手指的相對(duì)固定方式?？紤]選用魔術(shù)貼的形式使外骨骼與手指進(jìn)行固定，既方便拆裝，且材質(zhì)柔軟，對(duì)人體皮膚不會(huì)產(chǎn)生傷害，使得用戶使用感受良好。如圖3所示，當(dāng)手指彎曲時(shí)，由于魔術(shù)貼在手指彎曲前已經(jīng)緊貼手指，彎曲后肌肉的收縮導(dǎo)致該指節(jié)的橫截面積增大，對(duì)手部產(chǎn)生壓迫，所以佩戴前后手指的各個(gè)指節(jié)的極限彎曲角度并不相同。通過(guò)收集佩帶魔術(shù)貼后手指的極限彎曲角度數(shù)據(jù)，可知MP的極限角度約為45°，PIP約為90°，DIP約為45°。

1.1.3 手指自由度分析及確定

為了方便設(shè)計(jì)以及便于進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，對(duì)手指的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。除了拇指之外，其余4根手指均是由3個(gè)指節(jié)骨骼組成，其中又包含了兩個(gè)指間關(guān)節(jié)DIP與PIP和一個(gè)掌指關(guān)節(jié)MP，掌指關(guān)節(jié)負(fù)責(zé)將手指與掌骨相連接。兩個(gè)指間關(guān)節(jié)均是只有1個(gè)自由度，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化可用1個(gè)鉸鏈結(jié)構(gòu)來(lái)代替。而掌指關(guān)節(jié)不但可以實(shí)現(xiàn)伸直與屈曲，還能實(shí)現(xiàn)外展和內(nèi)收，具有兩個(gè)自由度。但是外展和內(nèi)收的動(dòng)作對(duì)于手指的彎曲來(lái)說(shuō)并不是日常動(dòng)作中作為主要的運(yùn)動(dòng)，并且手指做外展和內(nèi)收動(dòng)作時(shí)，關(guān)節(jié)的擺動(dòng)幅度僅在±10°之內(nèi)。手指康復(fù)訓(xùn)練時(shí)忽略掌指外展和內(nèi)收運(yùn)動(dòng)，只考慮主要的伸曲運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而化簡(jiǎn)為單自由度關(guān)節(jié)。最后將指節(jié)骨骼簡(jiǎn)化為連桿機(jī)構(gòu)，連桿的長(zhǎng)度為手指實(shí)際的指節(jié)長(zhǎng)度，掌指骨骼作為機(jī)架。如圖4所示，該手指簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)具有3個(gè)自由度。

圖2 手指3個(gè)關(guān)節(jié)極限屈曲運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.2 The extreme bending motions of three finger joints

圖3 手指佩戴魔術(shù)貼彎曲情景圖Fig.3 Finger bending with a velcro

圖4 手指簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)Fig.4 The simplified structure of a finger

1.2 手指外骨骼運(yùn)動(dòng)分析

該手指外骨骼僅針對(duì)手指的彎曲與伸直這兩個(gè)動(dòng)作，不考慮掌指端MP的外展與內(nèi)收時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。對(duì)近掌指節(jié)來(lái)說(shuō)，其進(jìn)行彎曲動(dòng)作是圍繞MP關(guān)節(jié)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，類似一個(gè)鉸鏈結(jié)構(gòu)，而該指節(jié)可以看作一根搖桿。將從四桿機(jī)構(gòu)出發(fā)對(duì)外骨骼進(jìn)行設(shè)計(jì)，若機(jī)構(gòu)中存在搖桿，根據(jù)機(jī)架的選擇與桿長(zhǎng)的變化可組成的兩種結(jié)構(gòu)：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)。由于每個(gè)手指關(guān)節(jié)可彎曲的角度均是存在限制的，需要對(duì)搖桿的擺動(dòng)角度控制較為精準(zhǔn)才能滿足設(shè)計(jì)需要。

由于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)需要原動(dòng)件一直循環(huán)整轉(zhuǎn)才能使搖桿不斷重復(fù)來(lái)回?cái)[動(dòng)，此時(shí)搖桿結(jié)構(gòu)的角度控制難度較大。而雙搖桿機(jī)構(gòu)中作為原動(dòng)件輸出件的搖桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和被動(dòng)搖桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是一一對(duì)應(yīng)的，對(duì)原動(dòng)件的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行控制則很容易對(duì)另一搖桿進(jìn)行精準(zhǔn)控制。于是考慮通過(guò)使用雙搖桿機(jī)構(gòu)去實(shí)現(xiàn)手指外骨骼彎曲功能，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖5所示。若僅考慮外骨骼能自行彎曲，此時(shí)該外骨骼也具有3個(gè)自由度。

1、2、3為主動(dòng)搖桿;4、5、6為被動(dòng)搖桿;7、8、9為帶鉸鏈的滑塊圖5 3個(gè)自由度機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.5 The diagram of a 3-DoF mechanism

桿件1、2、3安裝在驅(qū)動(dòng)件上，當(dāng)最左側(cè)外骨骼機(jī)架上的原動(dòng)件順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，1桿件均隨著驅(qū)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)而擺動(dòng)，同時(shí)1桿在7滑塊上產(chǎn)生滑動(dòng)，因此4桿件受到向下的壓力從而實(shí)現(xiàn)彎曲。而4桿件又作為下一外骨骼關(guān)節(jié)的機(jī)架，重復(fù)最左側(cè)外骨骼關(guān)節(jié)的動(dòng)作，2桿受原動(dòng)件驅(qū)動(dòng)后擺動(dòng)，5桿也因受到壓力而進(jìn)行彎曲運(yùn)動(dòng)。最后一個(gè)關(guān)節(jié)與前兩個(gè)關(guān)節(jié)同理完成運(yùn)動(dòng)。根據(jù)上述運(yùn)動(dòng)機(jī)制，只有每個(gè)外骨骼關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)又相對(duì)獨(dú)立，均由各自關(guān)節(jié)上的原動(dòng)件決定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不受各自影響，但各個(gè)關(guān)節(jié)又能有機(jī)地聯(lián)結(jié)起來(lái)。

通過(guò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可知，除了機(jī)架之外，共有n=9個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，其中又包含了9個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和3個(gè)移動(dòng)副均屬于低副。自由度計(jì)算公式為

F=3n-2PL-PH

(1)

式(1)中：F為自由度；PL為低副；PH為高副；最終計(jì)算得到F=3，與所分析的結(jié)果相同。

1.3 手指外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

眾所周知，每個(gè)人的手指尺寸會(huì)有很大差異，并且同一手掌上的五指也是形態(tài)各異，對(duì)所設(shè)計(jì)的手指外骨骼既然想滿足各類人群的使用就需要考慮到外骨骼各節(jié)的長(zhǎng)度可調(diào)的問(wèn)題。并且同一根手指在伸直與彎曲狀態(tài)下肌肉的拉伸與壓縮狀態(tài)也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量尺寸的改變。如圖6所示，當(dāng)手指伸直時(shí)外側(cè)和內(nèi)側(cè)的長(zhǎng)度是大致相等的。如圖7所示，當(dāng)手指彎曲時(shí)，外側(cè)與內(nèi)側(cè)的長(zhǎng)度差距明顯，外側(cè)肌肉被拉伸，內(nèi)側(cè)肌肉被壓縮。同理可知，當(dāng)戴上手指康復(fù)外骨骼時(shí)，手指伸直與彎曲時(shí)所需外骨骼的總體長(zhǎng)度也會(huì)略微發(fā)生變化。此時(shí)如果外骨骼的整體長(zhǎng)度固定會(huì)給手指帶來(lái)不舒適感。

圖6 手指伸直示意圖Fig.6 A straight finger

圖7 手指彎曲示意圖Fig.7 A bent finger

所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)需增加可變化外骨骼指節(jié)長(zhǎng)度的結(jié)構(gòu)才能夠滿足設(shè)計(jì)要求。圖8所示為優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。該外骨骼機(jī)器人具有3對(duì)可以在外骨骼關(guān)節(jié)內(nèi)滑動(dòng)的鉸鏈，同一個(gè)外骨骼關(guān)節(jié)內(nèi)有兩個(gè)滑孔，分別位于上下兩側(cè)，可以避免相鄰關(guān)節(jié)間的鉸鏈發(fā)生干涉運(yùn)動(dòng)影響外骨骼的正常工作。伴隨著外骨骼各個(gè)關(guān)節(jié)間的間距變化，可滑動(dòng)鉸鏈根據(jù)實(shí)際情況在外骨骼的滑孔內(nèi)自由伸縮。當(dāng)桿1受原動(dòng)件驅(qū)動(dòng)后向順時(shí)針?lè)较驍[動(dòng)，帶鉸鏈的滑塊4受到向下的分力，使手指與外骨骼結(jié)合構(gòu)件13向下彎曲，此時(shí)外骨骼間的鉸鏈關(guān)節(jié)因手指彎曲時(shí)的變化特點(diǎn)而進(jìn)行滑動(dòng)，使得外骨骼間的距離變大，從而實(shí)現(xiàn)了近掌指節(jié)的彎曲運(yùn)動(dòng)。當(dāng)彎曲運(yùn)動(dòng)完畢后，原動(dòng)件開(kāi)始逆時(shí)針帶動(dòng)桿1，將構(gòu)件13向上提起，實(shí)現(xiàn)返回手指伸直功能。

1、2、3為主動(dòng)擺動(dòng)滑桿；4、5、6為鉸鏈滑塊；7、8、10、12為連桿；9、11為被動(dòng)擺動(dòng)滑桿；13、14、15為3個(gè)單節(jié)手指外骨骼與手指固定的結(jié)構(gòu)圖8 具有3個(gè)自由度的手指外骨骼機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.8 The diagram of a 3-DoF finger exoskeleton mechanism

由圖8可知，一共有15個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，其中將手指結(jié)構(gòu)中的鉸鏈一并算上即轉(zhuǎn)動(dòng)副有12個(gè)，移動(dòng)副共有9個(gè)，根據(jù)自由度計(jì)算公式[式(1)]計(jì)算得到自由度為3，又結(jié)合該機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖的運(yùn)動(dòng)分析可知該方案合理。

2 手指外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 舵機(jī)輸出傳動(dòng)方式原理與分析

由于主動(dòng)桿不需要整周旋轉(zhuǎn)，并考慮到盡量簡(jiǎn)化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，減輕手指負(fù)載，故考慮采用舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。當(dāng)舵機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后，擺桿受到舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)力順時(shí)針下擺，從而將力傳導(dǎo)到外骨骼指節(jié)使其進(jìn)行彎曲。根據(jù)此思路設(shè)計(jì)如圖9所示的結(jié)構(gòu)。其中掌背舵機(jī)固定架與掌背固定架為兩個(gè)零件裝配為一體，不可相對(duì)運(yùn)動(dòng)。裝配體通過(guò)魔術(shù)貼布帶固定在手背，作為不可移動(dòng)的機(jī)架。舵機(jī)安裝在掌背舵機(jī)固定架上，使用螺釘在側(cè)面固定。舵機(jī)轉(zhuǎn)子與外骨骼擺桿固定，當(dāng)舵機(jī)順/逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度時(shí)，外骨骼擺桿也會(huì)跟隨舵機(jī)轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)。外骨骼指節(jié)側(cè)面設(shè)計(jì)有圓柱狀小懸臂，與外骨骼擺桿的槽口內(nèi)切，當(dāng)外骨骼擺桿順/逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，該圓柱狀小懸臂將會(huì)受到與切面垂直的壓力，帶動(dòng)外骨骼指節(jié)向下彎曲。手指固定環(huán)與魔術(shù)貼組合固定指節(jié)，鉸鏈用于連接零件。

1為掌背舵機(jī)固定架；2為舵機(jī)；3為舵機(jī)轉(zhuǎn)子；4為外骨骼擺桿；5為外骨骼指節(jié)；6為手指固定環(huán)；7為鉸鏈；8為掌背固定架圖9 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Transmission structure diagram

外骨骼擺桿為傳動(dòng)過(guò)程中的核心部件，起到將舵機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成為外骨骼指節(jié)動(dòng)能的作用。如圖10所示，外骨骼擺桿受到以舵機(jī)轉(zhuǎn)軸為中心的扭矩M，受到外骨骼指節(jié)側(cè)面圓柱狀懸臂梁的支持力F，該力的方向垂直于兩構(gòu)件接觸的切線方向。此時(shí)該支持力F相對(duì)于舵機(jī)轉(zhuǎn)軸圓心距離d為10 mm。假設(shè)其中M=0.02 N·m。

圖10 外骨骼擺桿受力分析圖Fig.10 Force analysis of the exoskeleton rocker

根據(jù)理論力學(xué)靜力學(xué)公式分析方法可知，系統(tǒng)總力矩為零，即

∑M=0

(2)

由圖10中受力分析可得

M=Fd

(3)

代入數(shù)值計(jì)算得到F為20 N。

2.2 外骨骼指節(jié)可伸縮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與分析

由于需要適應(yīng)不同尺寸的手指，并且手指彎曲時(shí)指節(jié)之間的長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生變化，所以在外骨骼指節(jié)內(nèi)設(shè)計(jì)兩個(gè)滑孔用于滑動(dòng)鉸鏈。如圖11所示，圓柱狀懸臂通過(guò)與外骨骼擺桿的內(nèi)槽壁相切配合，可以自由在槽口內(nèi)滑動(dòng)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步傳遞舵機(jī)的機(jī)械能。舵機(jī)固定螺紋孔將舵機(jī)安裝后避免舵機(jī)因環(huán)境震動(dòng)因素而錯(cuò)位?；瑮U可在雙滑孔內(nèi)自由進(jìn)行滑動(dòng)。手指固定環(huán)的配合孔與手指固定環(huán)為過(guò)盈配合。

如圖12所示，將各個(gè)外骨骼指節(jié)與鉸鏈裝配后，3個(gè)鉸鏈錯(cuò)位放置，避免互相干涉影響運(yùn)動(dòng)，可以有效地完成手指外骨骼指節(jié)間可自由變化長(zhǎng)度的功能。

如圖13所示，當(dāng)手指穿戴上外骨骼后，外骨骼受到來(lái)自手指本身現(xiàn)有狀態(tài)下的支持力F，方向豎直向上。來(lái)自舵機(jī)通過(guò)外骨骼擺桿傳遞而來(lái)的F′與外骨骼擺桿所受的F共同組成一對(duì)作用力與反作用力，因此F在平衡狀態(tài)的值為20 N。在該外骨骼指節(jié)靜力學(xué)系統(tǒng)中，僅受到兩個(gè)力矩的作用。根據(jù)理論力學(xué)靜力學(xué)分析可知，在保持平衡狀態(tài)下的物體合外力與合外力矩相等，若手指提供的支持力大于或等于舵機(jī)傳動(dòng)而來(lái)的壓力，則手指外骨骼將無(wú)法帶動(dòng)外骨骼指節(jié)進(jìn)行彎曲運(yùn)動(dòng)，即在初始力矩較小的情況下系統(tǒng)將會(huì)保持靜止?fàn)顟B(tài)。

由于鉸鏈可在外骨骼指節(jié)內(nèi)的滑孔自由滑動(dòng)，在舵機(jī)帶動(dòng)擺桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，由擺桿傳遞F′到圓柱狀懸臂，將F′分解為豎直向下及水平向右的兩個(gè)分力，此時(shí)若F′豎直向下的力大于F，外骨骼指節(jié)實(shí)現(xiàn)以鉸鏈為圓心的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)F′的水平向右的力使外骨骼指節(jié)沿水平方向做直線運(yùn)動(dòng)。這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡的合成共同構(gòu)成了外骨骼指節(jié)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)。

1為圓柱狀懸臂；2為舵機(jī)固定螺紋孔；3為雙滑孔；4為手指固定環(huán)的配合孔圖11 外骨骼指節(jié)結(jié)構(gòu)Fig.11 The structure of the exoskeleton knuckle

圖12 外骨骼指節(jié)可伸縮機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.12 The structure of the scalable mechanism

圖13 外骨骼指節(jié)受力分析示意圖Fig.13 Force analysis of the exoskeleton knuckle

2.3 手指固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與分析

如果使用圓環(huán)狀的指環(huán)套入手指指節(jié)中間，每根手指3個(gè)指節(jié)的大小是遞減的，根據(jù)手指各指節(jié)相應(yīng)的橫截面參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)特定的圓環(huán)，這樣的方案將會(huì)導(dǎo)致不同人群都要定制特殊尺寸的圓環(huán)，因此該方案不可行。于是考慮采用魔術(shù)貼來(lái)適應(yīng)指節(jié)尺寸的變化。設(shè)計(jì)方案為使用魔術(shù)貼配合機(jī)械零件共同組成一個(gè)指環(huán)，魔術(shù)貼通過(guò)針線縫合，可以很容易調(diào)節(jié)指環(huán)的大小，并且魔術(shù)貼具有材質(zhì)柔軟、彎曲性能與韌性強(qiáng)、耐用的特點(diǎn)，很適合作為手指固定指環(huán)的組成材料。圖14所示為指環(huán)的設(shè)計(jì)示意圖，其中手指固定架的上端工字形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用于與外骨骼指節(jié)配合。

1為手指固定架；2為魔術(shù)貼圖14 外骨骼指環(huán)結(jié)構(gòu)Fig.14 The structure of the exoskeleton ring

3 手指外骨骼機(jī)器人整體機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖15所示為手指外骨骼機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖。外骨骼電子控制系統(tǒng)通過(guò)控制該機(jī)械機(jī)構(gòu)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)，每個(gè)關(guān)節(jié)的彎曲或伸展運(yùn)動(dòng)均可同時(shí)進(jìn)行，幫助患者實(shí)現(xiàn)受傷手指的康復(fù)訓(xùn)練。根據(jù)普通人手指指長(zhǎng)在6～10 cm，指寬在1.5～3 cm合理設(shè)計(jì)各零件尺寸。在該機(jī)械結(jié)構(gòu)中，3個(gè)魔術(shù)貼指環(huán)可以方便快捷地將手指進(jìn)行固定，3個(gè)外骨骼指節(jié)的尺寸與人體指節(jié)尺寸相當(dāng)，其中使用3個(gè)舵機(jī)通過(guò)連桿將扭力直接傳遞到手指上，避免了多級(jí)傳動(dòng)過(guò)程中的能量損耗，并且該手指外骨骼整體結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間不大，在日常不使用時(shí)便于收納。手指外骨骼機(jī)器人的主要機(jī)械原件使用3D打印的方法加工，加工過(guò)程綠色、環(huán)保，所加工的零件精度高，成本低。

所設(shè)計(jì)的手指外骨骼可以適應(yīng)不同人群和不同手指長(zhǎng)度。由于同一手掌上的食指與中指的總長(zhǎng)度一般是不相同的，而且每個(gè)對(duì)應(yīng)指節(jié)長(zhǎng)度也均有不同，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行了穿戴實(shí)驗(yàn)。選擇右手的食指和中指進(jìn)行手指外骨骼機(jī)器人的穿戴實(shí)驗(yàn)。穿戴實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖16所示，可以明顯地看到，外骨骼機(jī)器人與手指契合度高，沒(méi)有零件間的干涉影響。

除了驗(yàn)證穿戴功能外，還需要驗(yàn)證手指外骨骼在電子控制驅(qū)動(dòng)下手指彎曲的效果，通過(guò)控制電機(jī)，觀察到手指外骨骼可以完成帶動(dòng)手指彎曲與伸直的功能，符合預(yù)期的效果，具有幫助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的能力。由圖17看出，在彎曲到極限角度后，手指與外骨骼共同組成的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無(wú)安全隱患。

圖15 手指外骨骼整體結(jié)構(gòu)Fig.15 The structure of the finger exoskeleton

圖16 食指與中指伸直穿戴效果圖Fig.16 Application effects of the straight forefinger and the straight middle finger

4 實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)樣機(jī)的佩戴實(shí)驗(yàn)，測(cè)量各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度，如表1所示，除MP部分與預(yù)計(jì)運(yùn)動(dòng)角度有偏差外，PIP及DIP部分均可滿足預(yù)期運(yùn)動(dòng)角度，可滿足康復(fù)運(yùn)動(dòng)的角度要求；如圖18所示，在抓握實(shí)驗(yàn)中，可以正常滿足生活中大部分場(chǎng)景的運(yùn)動(dòng)要求，如抓握水杯、抓握水果等。

由于中指部分掌背舵機(jī)固定架與掌背固定架位置相對(duì)固定，因此在外骨骼運(yùn)動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)中指的MP部分角度相對(duì)較小的現(xiàn)象，后續(xù)工作會(huì)對(duì)掌背舵機(jī)固定架與掌背固定架進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

圖17 食指與中指彎曲穿戴效果圖Fig.17 Application effects of the bent forefinger and the bent middle finger

表1 手部外骨骼運(yùn)動(dòng)角度表Table 1 Angle of exoskeleton movement of hand

5 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)手指的康復(fù)訓(xùn)練，從簡(jiǎn)單的雙搖桿機(jī)構(gòu)出發(fā)對(duì)手指外骨骼進(jìn)行設(shè)計(jì)。3個(gè)雙搖桿機(jī)構(gòu)的組合能夠滿足手指三自由度的康復(fù)訓(xùn)練需求?？紤]到手指外骨骼的廣泛適用性，將雙搖桿機(jī)構(gòu)組合的定長(zhǎng)連桿改用被動(dòng)滑動(dòng)模塊，解決了不同尺寸手指都能舒適佩戴的問(wèn)題。手指外骨骼采用3D打印制作，該制作過(guò)程綠色、環(huán)保、成本低，并且3D打印材料質(zhì)量輕，不會(huì)對(duì)手指造成過(guò)重負(fù)擔(dān)。最后通過(guò)樣機(jī)的佩戴實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的手指外骨骼與手指的運(yùn)動(dòng)配合度高，為后續(xù)的康復(fù)實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。下一步研究工作將圍繞手指外骨骼的控制系統(tǒng)進(jìn)行。

圖18 手部外骨骼抓握實(shí)驗(yàn)圖Fig.18 Hand exoskeleton grasping experiment