輕型化外骨骼手功能康復訓練器穿戴式仿生結構的設計,醫學工程論文引言腦卒中(stroke)是一種突發性腦血液循環障礙疾病。根據我們國家腦卒中高危人群篩查和干涉項目的醫改重大專項中期的數據調查分析，我們國家40歲以上的腦卒中的患者約有1036萬人。在腦卒中諸多后遺癥中，偏癱占很大比例。由于人手關節數量多，動作精細程度高，因而，在各類偏癱的康復治療中，手功能康復治療最為困難。醫學理論和實踐證明，肢體損傷或偏癱的患者為了防止肌肉廢用性萎縮，必需要進行有效的肢體康復訓練，而且合理的康復訓練還有助于神經系統的重塑。為了讓手功能障礙患者自主地進行康復訓練，制作一種幫助其恢復手部運動功能的康復器械是特別必要的。隨著傳感器技術、材料技術、控制技術、仿生學技術等相關領域的發展，手指康復外骨骼訓練器的研究獲得了很大的進展。通過對手指康復訓練器的發展現在狀況進行研究可知，國內唯一構成比擬成熟產品的是香港理工大學的肌動機械手機器人，但該產品體積和重量大，無法實現便攜式穿戴。國外的相關研究工作開展得比擬早，技術比擬成熟并構成產品的代表有意大利IDＲOGENET公司的智能手功能康復訓練機器人Gloreha和德國FESTO開發的基于腦電信號控制的外骨骼手機器人ExoHand。上述國內外的3個代表性的產品都屬于中大型康復設備，其外設模塊體形都比擬大，另外它們的價格都普遍偏高，不合適家庭購買使用。為克制現存產品的整體呈中大型設備和價格較高的問題，并能夠結合日常生活輔助來提高手功能康復訓練效果，本研究提出并設計一款用于腦卒中患者日常生活輔助使用的輕型化外骨骼式手功能訓練器。本研究的目的是研制一款輕便型外骨骼手功能康復訓練器，主要適用的對象是具有手功能障礙的腦卒中患者，該類患者穿戴所設計的輕型化外骨骼手功能訓練器能夠隨時隨地進行手部康復訓練，進而到達手功能部分或全部恢復的效果。外骨骼手功能訓練器在知足合適患者手穿戴訓練功能的前提下，通過優化構造、選用適宜材料等手段盡可能的減輕機械構造的整體重量，進而減輕患者佩戴訓練時的承重負擔。本研究主要對輕型化外骨骼手功能康復訓練器的穿戴式仿生構造進行設計，并完成手指仿生構造的運動仿真分析，以及在實驗樣機上進行正常人的穿戴實驗與關節活動度實驗。1手指運動仿生機構設計所研究的輕型化外骨骼手功能康復訓練器，其機械機構最基本的功能是能完成驅動手指各關節在一定活動范圍內進行屈伸運動，在這里基礎上外骨骼手功能訓練器還要合適患者穿戴進行康復訓練。為簡化構造及降低手功能訓練器整體的重量，將設計的輕型化外骨骼手功能訓練器將分為拇指運動仿生機構和四指運動仿生機構，華而不實拇指運動仿生機構通過一個電機單獨驅動拇指進行康復訓練，四指運動仿生機構通過另外一個電機驅動四指同步進行康復訓練。對于拇指掌骨關節和四根手指的近端指間關節，其康復訓練均采用指背式的滑槽仿生機構實現該處關節的屈伸運動，如此圖1所示。同時設計近節指骨驅動件與近節指骨的指背貼合并由柔性帶連接，中節指骨驅動件與中指指骨的指背貼合也由柔性帶連接，以保證患者手指良好的隨動性。對于拇指運動仿生機構，僅需一個電機與一個關節仿生機構相連，實現拇指掌骨關節的屈伸運動。對于四指運動仿生機構，采用擬合直線的方式方法取一條近似通過四指各掌指關節轉動中心的直線作為四指掌指關節的共同轉軸，該機構的轉軸與四指掌指關節的擬合轉軸同軸。同時，將四指近節指骨驅動件與4個關節仿生機構相連，實現4根手指的掌指關節與近端指間關節的同步聯動屈伸運動。因此對于四指運動仿生機構，只需一個電機就能驅動四個手指實現屈伸運動，大大降低了設計的輕型化外骨骼手功能訓練器的重量和體積。四指掌骨關節訓練仿生機構如此圖2所示。由圖2能夠看出，由于四指運動仿生機構均與四指近節指骨驅動件相連，因此4根手指運動的構造及范圍完全一樣。為確定單個手指運動的穩定性，以驅動食指運動的仿生關節構造為例來計算其自由度。食指運動仿生構造的構造簡圖如此圖3所示。在圖3中，CD構件為電機減速機構的輸出件，CD是繞C點在平面內旋轉的構件。該機構中活動構件數為7個，低副數為10個，高副數為0個。計算食指運動仿生機構的自由度的表示出式為:F=3n－2PL－PH=37－210=1式中，F為平面機構自由度，n為平面機構中活動構件的數量，PL為平面機構中低副的數量，PH為平面機構中高副的數量。通過計算可知，食指運動仿生機構只要一個自由度，具有穩定的運動，因此五根手指在兩個電機的驅動下均有穩定的運動。2手指仿生機構運動仿真分析為驗證所設計的輕型化外骨骼手功能訓練器的抓握運動符合正常人手抓握運動規律，利用SolidWorks中的motion模塊，進行手功能訓練器抓握運動的運動仿真。運動仿真分析以食指運動仿生機構作為研究對象，提取機構中食指掌指關節和近節指間關節的運動仿真曲線，并同擺線運動規律表示的角位移曲線和3－4－5多項式運動規律表示的角位移曲線作比照，進而驗證其構造的高度仿生性設計。由于每個人手指長短不同，研究手指標記點的運動軌跡并不能代表大部分人手指的運動規律，因此仿真分析合理的采用了食指的掌骨關節和近端指間關節的角位移作為比擬對象。設定食指近節指骨長度為L1，中節指骨長度為L2，遠節指骨長度為L3，掌指關節的轉角為1、近端指間關節的轉角為2，遠端指間關節的轉角為3，并建立了食指運動分析模型，如此圖4所示。擺線運動規律研究角位移方式方法和3－4－5多項式運動規律研究角位移方式方法具有的共同特征是兩者所表示的角位移軌跡均為隨時間周期的從0開場以0結束、無剛性沖擊和柔性沖擊的連續無突變曲線。這兩種運動規律與人類手指關節屈伸運動的特征基本一致，是當前研究手指運動規律普遍認可的對照規律。角位移按擺線運動規律隨時間變化表示為【1】角位移按3－4－5多項式運動規律隨時間變化表示為【2】式中，0為關節運動的最大角度，t為時間變量，t0為角位移完成一次從0到最大角位移0的時間。將食指運動仿生機構簡化模型在SolidWorksmotion中進行仿真分析，設定t0=2.5s。得到對應食指仿真分析模型中掌指關節角位移1和近端指間關節角位移2的時間－角位移曲線。根據仿真數據，食指在t=0s時，1=10.18，2=0.12，因而，式(1)和式(2)相應的調整為【3-6】式中，a和b為分別按角位移按擺線運動規律和3－4－5多項式運動規律得到的掌指關節運動角度，a和b為分別按角位移按擺線運動規律和3－4－5多項式運動規律得到的近端指間關節運動角度。將仿真分析得到的掌指關節時間t－角位移1曲線與式(3)表示的擺線運動規律曲線和式(4)表示的多項式運動規律曲線進行比照，得到如此圖5所示比照圖;將近端指間關節時間t－角位移2曲線與式(5)表示的擺線運動規律曲線和式(6)表示的多項式運動規律曲線進行比照，得到如此圖6所示的比照圖。由圖5、6能夠看出，食指運動仿生機構的掌指關節和近端指間關節的角位移曲線與擺線運動規律曲線，以及3－4－5多項式運動規律曲線吻合度較好。因而，本文設計的手指運動仿生機構能很好的模擬人類抓握動作經過的關節運動規律，該機構具有良好的穿戴式外骨骼仿生性。3樣機實驗結果在完成手指運動仿生機構設計和仿真驗證后，根據對18～26歲的正常成年人手指測量實驗并結合GB正常成年人手部尺寸，研制了輕型化外骨骼手功能訓練器實驗樣機，該實驗樣機適用于90%的由腦卒中導致的手功能障礙患者。實驗樣機整體重量僅約為450g，非常輕便。為了防止機械構造對患者手部造成摩擦或者其它因素損傷，設計采用一層生物相容性材料內襯墊間接使訓練器與患者手部相連，同時設計有彈性的棉質綁帶將訓練器固定在手功能障礙患者的手上。利用該樣機在正常人手上進行穿戴實驗和關節活動度測量實驗來驗證其可穿戴性和仿生性。(1)穿戴實驗手指穿戴實驗是研究所設計的外骨骼式手功能康復訓練器的實驗樣機對人手的適應性，主要研究外骨骼手功能訓練器在伸直狀態和握緊狀態兩個極限位置時，5根手指對輕型化外骨骼手功能訓練器的適應性。圖7為實驗者的手指伸直/握緊狀態圖。(2)關節活動度測量實驗關節活動度測量實驗主要是為了得到患者穿戴該訓練器后，手指的掌指關節和近端指間關節能到達的最大角度。由于拇指運動仿生機構和四指運動仿生機構均是通過關節仿生機構來實現，且四指運動仿生機構具有同步聯動性，因此選用能方便觀察的食指運動仿生關節作為測量對象。在外骨骼手功能訓練器的食指側連接鉸鏈、四指近節指骨驅動件連接件、食指近節指骨驅動件和食指中節指骨驅動件四個零件的對應位置上做了紅色標記線，來獲得食指掌指關節最大屈曲角度和食指近端指間關節最大屈曲角的角度值，圖8是訓練器上標記線位置及測量角凝視圖。實驗者穿戴外骨骼手功能訓練器進行5次抓握運動，利用照相機拍取每次運動四指屈曲最大位置的圖片。通過圖片處理，能夠得到實驗者5次屈伸運動和的角度值，如表1所示。【表1】4討論和結論由手指穿戴實驗能夠看出，所設計的輕型化外骨骼手功能訓練器具有良好的仿生性和可穿戴性。內襯墊和可調節松緊程度的彈性棉質綁帶既保證了訓練器穿戴方便可靠，又使佩戴更具舒適性。適宜寬度、厚度和松緊程度的彈性棉質綁帶保證了佩戴的松緊度且對手指康復訓練負面影響很小，使得各個手指能夠靈敏轉動。手指也不會由于彈性棉質綁帶繃緊影響手指血液循環。整個外骨骼手功能訓練器通過彈性棉質材料與人手連接，在佩戴時既能夠知足患者對舒適性的要求，也不會由于金屬材料與人手皮膚接觸造成皮膚損傷，很好解決了外骨骼手功能訓練器與人手的穿戴配合。根據人體生理學參數可知，人體手指掌指關節和食指近端指間關節的最大屈曲角度約為90。由手指抓握運動學仿真分析得到食指運動仿生機構的掌指關節的最大屈曲角度為68.5，近端指間關節最大屈曲角度為65。由關節活動度測量實驗得到的表1可知，佩戴輕型化外骨骼手功能訓練器的實驗者，其食指運動仿生機構的掌指關節最大屈曲角度和食指近端指間關節最大屈曲角度，與運動仿真數據特別接近且在理論范圍之內，驗證了所設計的輕型化外骨骼手功能訓練器的可行性及合理性。本研究通過對手指運動仿生機構設計，實現了對輕型化外骨骼式手功能訓練器的構造設計，并試制了實驗樣機。對手指運動仿生機構的抓握運動進行仿真分析，驗證了本文設計得輕型化外骨骼手功能訓練器的運動符合正常人手抓握運動規律。在實驗樣機上進行穿戴實驗和關節活動度測量實驗，結果表示清楚，本文研制的輕型化外骨骼手功能訓練器具有很強的仿生性，安全可靠，合適手功能障礙患者穿戴進行手部康復訓練。本研究還將在樣機的基礎上，進一步進行電氣方面軟、硬件設計，實現其自動控制，并盡早投入臨床實驗，為更好的幫助手功能障礙患者完成手部的康復做出奉獻。【圖略】以下為參考文獻［1］匡桂梅．腦卒中后偏癱患者的綜合治療［J］．中國當代藥物應用，2018，5(10):125－125．［2］賈曉宏．40