馬浩浩，姚寶珍，馮彥偉，郭泰聰，唐偉

（天水師范學(xué)院，甘肅 天水 741001）

0 引言

馬浩浩等[1]已對(duì)上肢關(guān)節(jié)輔助康復(fù)訓(xùn)練器械開展研究，提出了上肢關(guān)節(jié)個(gè)性化定制康復(fù)訓(xùn)練器械解決方案，并基于逆向工程設(shè)計(jì)了上肢胳膊、手腕等骨折、關(guān)節(jié)損傷所使用的固定護(hù)具，提出了針對(duì)指伸肌麻痹、手指及腕攣縮無(wú)力等手指功能障礙等癥狀的康復(fù)訓(xùn)練器械結(jié)構(gòu)圖。本文在此基礎(chǔ)上繼續(xù)研究手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器械，通過正、逆向求解、動(dòng)力學(xué)仿真，模擬手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的動(dòng)作，進(jìn)行手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練過程中的動(dòng)態(tài)特性分析，為手指功能恢復(fù)提供可靠的數(shù)據(jù)指標(biāo)，為手指康復(fù)訓(xùn)練器械的研發(fā)提供有力技術(shù)支持[2-3]。

1 手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文應(yīng)用逆向工程對(duì)人體上肢關(guān)節(jié)開展設(shè)計(jì)，采用三維掃描儀采集人體上肢關(guān)節(jié)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后創(chuàng)新設(shè)計(jì)出手部可穿戴護(hù)具結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 手部可穿戴護(hù)具結(jié)構(gòu)圖

2 訓(xùn)練器械結(jié)構(gòu)分析

基于Unigraphics NX軟件設(shè)計(jì)右手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器械，初步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。本文對(duì)手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器械模型簡(jiǎn)化，以右手中指為研究對(duì)象，簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其組成構(gòu)件有手部護(hù)具固定件、推拉力測(cè)力驅(qū)動(dòng)、導(dǎo)軌復(fù)合推桿、推桿、手指活動(dòng)連桿、指套等。該康復(fù)訓(xùn)練器械除驅(qū)動(dòng)構(gòu)件有3個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副（手部護(hù)具固定件與導(dǎo)軌復(fù)合推桿、推桿與手指活動(dòng)連桿），1個(gè)移動(dòng)副（導(dǎo)軌復(fù)合推桿與推桿），其平面運(yùn)動(dòng)自由度F=3n－2Pl－Ph=3×3－2×3－0=3。

圖2 手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器械設(shè)計(jì)

圖3 手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器械結(jié)構(gòu)示意圖

研究手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)械結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)其位形運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，即正向求解手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器械問題，主要涉及求解訓(xùn)練器臂的各個(gè)關(guān)節(jié)與尾端指節(jié)的位置姿態(tài)之間的關(guān)系。計(jì)算求解中選擇參考坐標(biāo)系，按照Denavit-Hartenberg約定，設(shè)定4個(gè)變量與4個(gè)基本矩陣的乘積[4]：

Ai=Rot（z,θi）Trans（z,di）Trans（x,ai）Rot（x,ai）。

建立圖3所示的坐標(biāo)系并滿足D-H約定，其中θi、αi、di、ai為 與 桿、關(guān)節(jié)相關(guān)的參數(shù)，則康復(fù)訓(xùn)練器械的D-H參數(shù)如表1所示。

表1 康復(fù)訓(xùn)練器械的D-H參數(shù)

轉(zhuǎn)化矩陣為：

其中：i11=－cos（θ1－θ3）；i12=sin（θ3－θ1）；i14=l1sin φcos θ1+d2·sin θ1－l3cos（θ3－θ1）；i21=sin（θ3－θ1）；i22=cos（θ1－θ3）；i24=l1sin φsin θ1－d2cos θ1+l3sin（θ3－θ1）。

根據(jù)轉(zhuǎn)化矩陣，可基于各關(guān)節(jié)處的變量值推導(dǎo)手指康復(fù)訓(xùn)練器械的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，探究康復(fù)訓(xùn)練過程，為器械的使用、功能擴(kuò)展提供有力數(shù)據(jù)支撐。

3 虛擬樣機(jī)仿真分析

利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS對(duì)手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器工作過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，模擬器械工作過程中的動(dòng)態(tài)特性、安全及柔順性能等，可得該方案設(shè)計(jì)的手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器各個(gè)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[5-6]。

表2 器械主要構(gòu)件參數(shù)

選取中指為研究對(duì)象（其他指與其類似）做模型簡(jiǎn)化，建立虛擬樣機(jī)模型，根據(jù)手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器手部護(hù)具固定件、推拉力測(cè)力驅(qū)動(dòng)、導(dǎo)軌復(fù)合推桿、推桿、手指活動(dòng)連桿、指套等部件的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，設(shè)置模型中各個(gè)關(guān)節(jié)的連接方式。手部護(hù)具固定件與推拉力測(cè)力驅(qū)動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，驅(qū)動(dòng)件與導(dǎo)軌復(fù)合推桿固定連接，導(dǎo)軌復(fù)合推桿沿導(dǎo)軌添加移動(dòng)副，手指活動(dòng)連桿之間轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，具體設(shè)置如圖4所示。

圖4 手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器建模

根據(jù)手指中指關(guān)節(jié)實(shí)際運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)訓(xùn)練器運(yùn)動(dòng)，設(shè)定仿真時(shí)間與步長(zhǎng)，初始狀態(tài)為圖4所示的手指伸直狀態(tài)，訓(xùn)練過程運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬如圖5所示。圖5（a）為手指握回一半狀態(tài)時(shí)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)情況，圖5（b）為手指全部握回為拳頭狀態(tài)時(shí)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)情況，指根關(guān)節(jié)（.finger1）指尖關(guān)節(jié)（.finger2）質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5中的曲線所示。本運(yùn)動(dòng)仿真較好地再現(xiàn)了手指關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練手指握回過程，運(yùn)動(dòng)平滑，為訓(xùn)練器械動(dòng)力學(xué)求解提高了良好的虛擬樣機(jī)，正確有效。

圖5 手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練過程模擬

參照動(dòng)力學(xué)仿真得到的結(jié)果對(duì)該手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器的機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，修定手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器手部護(hù)具固定件、推拉力測(cè)力驅(qū)動(dòng)、導(dǎo)軌復(fù)合推桿、推桿、手指活動(dòng)連桿、指套等部件結(jié)構(gòu)尺寸。手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練過程中推桿.slide2的位移、速度及加速度仿真曲線如圖6所示，可以看出驅(qū)動(dòng)件位移趨近于直線但非直線，驅(qū)動(dòng)速度呈凹拋物線型，驅(qū)動(dòng)較為理想，運(yùn)動(dòng)較為平緩，可作為康復(fù)訓(xùn)練指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比評(píng)估康復(fù)狀態(tài)使用。

圖6 推桿.slide2的運(yùn)動(dòng)仿真曲線

指根關(guān)節(jié).finger1與指尖關(guān)節(jié).finger2的x方向運(yùn)動(dòng)仿真曲線分別如圖7與圖8所示，x正方向?yàn)槭种笍澢赶蚴滞蠓较颍ㄟ^對(duì)比表面兩指彎曲曲線平緩，表征動(dòng)力學(xué)參數(shù)在手指訓(xùn)練活動(dòng)中更為舒適，結(jié)合手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器的動(dòng)力學(xué)仿真，良好地表征手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器動(dòng)力學(xué)參數(shù)。通過對(duì)比正常手關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)位移、速度、加速度等數(shù)據(jù)，便可對(duì)康復(fù)情況做出評(píng)價(jià)。

圖7 指根關(guān)節(jié). finger1的x方向運(yùn)動(dòng)仿真曲線

圖8 指尖關(guān)節(jié). finger2的x方向運(yùn)動(dòng)仿真曲線

通過使用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器械虛擬樣機(jī)，對(duì)該執(zhí)行機(jī)構(gòu)的路徑及其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，證明本文所設(shè)計(jì)的手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器械尺寸結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)動(dòng)原理正確，為后續(xù)開展運(yùn)動(dòng)控制與智能監(jiān)測(cè)提供了有力的參考依據(jù)[7]。

4 物理樣機(jī)制作與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文選用FDM型3D打印成型技術(shù)制作手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器械物理樣機(jī)，打印文件采用.STL文件格式。充分考慮打印精度、護(hù)具強(qiáng)度、打印效率，設(shè)定打印工藝參數(shù)，分件打印，對(duì)單件后處理后完成樣機(jī)裝配[8]。

對(duì)該方案設(shè)計(jì)的手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器械物理樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，圖9所示為穿戴該物理樣機(jī)設(shè)備進(jìn)行手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練過程。圖9（a）為手指自由狀態(tài)下該物理樣機(jī)的穿戴使用展示，圖9（b）為手指彎曲狀態(tài)下該物理樣機(jī)的穿戴使用展示。通過穿戴使用對(duì)比，體驗(yàn)該設(shè)備較為良好的使用性能，手指的彎曲及伸展過程流暢，未發(fā)現(xiàn)卡頓，彎曲過程有可控彎曲阻尼，連接推拉力測(cè)力驅(qū)動(dòng)件可對(duì)阻力進(jìn)行量化分析。

圖9 3D打印上肢康復(fù)護(hù)具與手指訓(xùn)練器械

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器械，基于逆向工程個(gè)性化定制確定結(jié)構(gòu)參數(shù)；開展了正、逆向求解，基于ADAMS軟件進(jìn)行手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器械動(dòng)力學(xué)仿真分析，探究手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練過程，驗(yàn)證了手指康復(fù)訓(xùn)練器械模型的正確性；并利用3D打印制作出物理樣機(jī)，通過試驗(yàn)測(cè)試、優(yōu)化設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的手指關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練器械能夠達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練要求，為康復(fù)器械的使用、功能擴(kuò)展提供有力數(shù)據(jù)支撐。