外骨骼式手功能康復(fù)訓(xùn)練器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)①

李繼才，官龍，胡鑫，喻洪流

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)有腦卒中患者約900萬人，每年新發(fā)病在200萬人以上[1]，大約75%腦卒中患者在發(fā)病后會留下不同程度的后遺癥。在眾多的后遺癥中，以偏癱發(fā)生率最高；在偏癱的康復(fù)中，又以手功能的康復(fù)最為困難?；颊叩氖衷诤笃谕蚣∪獐d攣，形成一個(gè)屈曲的半握拳姿勢。手功能康復(fù)的主要技巧是掌握好活動(dòng)的力度：早期被動(dòng)運(yùn)動(dòng)要求輕柔、緩慢，以不引起不能耐受的疼痛為宜，從而達(dá)到防止肌腱粘連和關(guān)節(jié)僵硬，并可促進(jìn)血液循環(huán)，增加關(guān)節(jié)、肌肉的牽伸效果。

醫(yī)學(xué)理論和實(shí)踐證明，肢體損傷的患者為了防止肌肉廢用性萎縮[2-3]，必須要進(jìn)行有效的肢體訓(xùn)練以恢復(fù)其功能。由于患者手指本身已存在功能障礙，不能獨(dú)立完成訓(xùn)練，需要由具有一定護(hù)理知識和體力的護(hù)士、治療師或者其他人幫助實(shí)施，增加了康復(fù)難度和護(hù)理費(fèi)用。為了讓患者自主地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，制作一種幫助其恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能的醫(yī)療保健器械是必要的。人手康復(fù)機(jī)器人在改進(jìn)康復(fù)治療手段和提高康復(fù)治療效果的同時(shí)，還能提供詳細(xì)的患者信息和治療數(shù)據(jù)[4-5]。本研究根據(jù)國內(nèi)臨床康復(fù)治療中還沒有特定的、高效的手功能障礙康復(fù)訓(xùn)練器械[6-7]的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一種外骨骼式[8-9]手功能康復(fù)訓(xùn)練器。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

本訓(xùn)練器的結(jié)構(gòu)由兩個(gè)訓(xùn)練模塊和一個(gè)手背貼合面板構(gòu)成。兩個(gè)訓(xùn)練模塊即由微型直線電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)的拇指訓(xùn)練模塊和由微型旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)的四指訓(xùn)練模塊；這兩個(gè)模塊都集成在貼合于被訓(xùn)練患者患側(cè)手背的面板上(圖1)。其中拇指的訓(xùn)練動(dòng)作由微型直線電機(jī)單獨(dú)控制，其余四指的訓(xùn)練動(dòng)作由微型旋轉(zhuǎn)電機(jī)聯(lián)動(dòng)控制。通過控制兩個(gè)電機(jī)的工作可以實(shí)現(xiàn)拇指的單獨(dú)訓(xùn)練、四指的聯(lián)動(dòng)訓(xùn)練和五指的對掌訓(xùn)練。本設(shè)計(jì)是穿戴式外骨骼訓(xùn)練器，穿戴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中均舍去各手指的遠(yuǎn)端指骨的驅(qū)動(dòng)段。在此訓(xùn)練器訓(xùn)練過程中，遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié)均由中節(jié)指骨帶動(dòng)做少量的被動(dòng)訓(xùn)練。這種結(jié)構(gòu)既減少了機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，減少了能量損失，提高了訓(xùn)練器的安全性和穩(wěn)定性，又可以達(dá)到訓(xùn)練的目的和效果。由于其結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，患者可進(jìn)行基于日常生活輔助的功能訓(xùn)練，提高訓(xùn)練效果。

1.2 手背貼合面板

這是用于佩戴在患者患側(cè)手手背的面板，其作用還包括：①固定連接拇指訓(xùn)練模塊的微型直線電機(jī)和拇指驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)；②固定連接四指訓(xùn)練模塊的微型旋轉(zhuǎn)電機(jī)及減速箱和四指驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)。其中用于安裝拇指訓(xùn)練模塊的平面與用于安裝四指訓(xùn)練模塊的平面成一個(gè)合適的角度(例如120°)，有助于矯正患側(cè)手到正常姿勢。

圖1 外骨骼式手功能訓(xùn)練器模型

1.3 拇指訓(xùn)練模塊

拇指訓(xùn)練模塊(圖2)是由固定在手背貼合面板上的微型直線電機(jī)和拇指近端指骨連桿驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)及它們間的拇指驅(qū)動(dòng)推桿構(gòu)成。拇指近端指骨關(guān)節(jié)件、拇指近端指骨連接件、拇指近端指骨驅(qū)動(dòng)件、拇指遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)連接件及它們之間的轉(zhuǎn)動(dòng)連接鉚釘構(gòu)成四連桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)微型直線電機(jī)的推桿作伸縮的往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，拇指驅(qū)動(dòng)推桿使拇指近端指骨連桿驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)繞其機(jī)架的鉸鏈做出訓(xùn)練動(dòng)作。

1.4 四指訓(xùn)練模塊

四指訓(xùn)練模塊由兩個(gè)子模塊組成，即固定在手背貼合面板上的微型旋轉(zhuǎn)電機(jī)及其減速機(jī)構(gòu)的傳遞動(dòng)力模塊，和四指各指近端指骨和中節(jié)指骨連桿構(gòu)成的四指驅(qū)動(dòng)模塊。

傳遞動(dòng)力模塊減速箱原理圖見圖3，其中1和2為等速傳動(dòng)嚙合的兩個(gè)錐齒輪；2與2'、3與3'、4與4'均同一齒軸的圓柱齒輪對；3與2'嚙合傳動(dòng)，4與3'嚙合傳動(dòng)；5是減速箱的輸出齒輪。

主動(dòng)錐齒輪1與輸出齒輪5間的傳動(dòng)比i15可以表示為：

其中 Z1、Z2、Z2'、Z3、 Z3'、Z4、Z4'、Z5為對應(yīng)下標(biāo)齒輪的齒數(shù)；

減速箱輸出齒5的輸出轉(zhuǎn)矩T5可以表示為：

其中TM為電機(jī)M的輸出轉(zhuǎn)矩。

訓(xùn)練器在訓(xùn)練過程中，四指完成一次從伸直狀態(tài)到屈曲最大角度所用的時(shí)間t1(s)可以表示為：

其中α(°)為四指完成一次從伸直狀態(tài)到屈曲的最大角度范圍，nM為電機(jī)M的輸出轉(zhuǎn)速。

四指驅(qū)動(dòng)模塊包括示指、中指、環(huán)指和小指的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。四手指的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理相同，以示指的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(圖4)為例解釋四指驅(qū)動(dòng)模塊的訓(xùn)練原理。

減速箱輸出連接件通過其上的兩個(gè)通孔與齒輪5固定連接，其中下方的大通孔與齒輪5的轉(zhuǎn)軸同軸，即減速箱輸出連接件繞其下方的通孔與齒輪5同步轉(zhuǎn)動(dòng)。示指中節(jié)指骨驅(qū)動(dòng)件、示指近端指骨驅(qū)動(dòng)件、示指近端指骨連接件、示指掌骨關(guān)節(jié)件及它們間的連接鉚釘組成四連桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)減速箱輸出連接件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過四指驅(qū)動(dòng)推桿連接螺桿、四指驅(qū)動(dòng)推桿和四指驅(qū)動(dòng)推桿前端連軸的聯(lián)動(dòng)使四連桿機(jī)構(gòu)做出訓(xùn)練動(dòng)作。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

微型直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)拇指完成一次從伸直狀態(tài)到屈曲的最大角度所用的時(shí)間t2(s)可以表示為：

其中s(mm)為微型直線電機(jī)完成拇指訓(xùn)練動(dòng)作的行程，v(mm/s)是微型直線電機(jī)運(yùn)行的速度。

為使訓(xùn)練器實(shí)現(xiàn)對掌訓(xùn)練功能，在Solidworks中建立訓(xùn)練器結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真模型[12]。在Motion分析

圖5 拇指MP角位移曲線

3 力學(xué)分析

分析時(shí)，微型直線電機(jī)的參數(shù)為：s=12 mm，v=8.86 mm/s，微型直線電機(jī)在設(shè)定速度下的推力F=22.5 N。經(jīng)計(jì)算可得訓(xùn)練器在拇指伸直時(shí)，近節(jié)指骨驅(qū)動(dòng)件最遠(yuǎn)端的驅(qū)動(dòng)力約為12 N，足夠完成拇指單指的訓(xùn)練動(dòng)作。

微型旋轉(zhuǎn)電機(jī)的參數(shù)為：nM=800 r/min，TM=50 mNm，訓(xùn)練器在四指伸直時(shí)小指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以轉(zhuǎn)化為如圖7所示的原理圖。

其中桿件1為減速箱輸出連接件，桿件2為四指驅(qū)動(dòng)推桿，桿件3為小指近端指骨連接件，桿件4為小指近端指骨驅(qū)動(dòng)件，桿件5為小指中節(jié)指骨驅(qū)動(dòng)件；A、B、C、D、E、F、G和H均為各鉸鏈的中心。lAB、lCD、lDG、lDF和lFH均為對應(yīng)下標(biāo)兩點(diǎn)的直線距離。F1是桿件2對桿件1的反作用力，F(xiàn)2是桿件1的驅(qū)(Motion分析解算器即ADAMS[13-15]的解算器)中仿真運(yùn)動(dòng)條件為：t1=t2；

由(3)、(4)可得：

將nM=800 r/min，α=65°，s=12 mm，v=8.86 mm/s代入(5)可得：

t1=t2=1.35 s。

通過提取仿真數(shù)據(jù)，可獲得訓(xùn)練器仿真模型完成一次對掌訓(xùn)練時(shí)，拇指掌指關(guān)節(jié)(MP)活動(dòng)角位移數(shù)據(jù)，四指各指的MP、近側(cè)指間關(guān)節(jié)(PIP)的活動(dòng)角位移數(shù)據(jù)。拇指是由微型直線電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)控制的，其MP角位移曲線如圖5。由于四指的機(jī)械原理相同，四指在微型旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步運(yùn)動(dòng)時(shí)，四指的MP和PIP的角位移曲線類似，故以示指的MP和PIP角位移曲線(圖6)為例顯示四指的MP和PIP角位移的變化規(guī)律。動(dòng)力，F(xiàn)3是桿件3受到桿件2的推力，F(xiàn)4是桿件3在G點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)5是桿件5在H點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)力；F1～F5的方向如圖7所示。

圖6 示指MP、PIP角位移曲線

圖7 小指結(jié)構(gòu)原理圖

對桿件1在B點(diǎn)進(jìn)行受力分析可得：

其中θ1、θ2是圖7所示的夾角。

桿件3與其余三根手指平分桿件2傳來的動(dòng)力，故對桿件3進(jìn)行受力分析可得：

桿件3是繞D點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的杠桿，由杠桿原理可得：

桿件5是繞F點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的杠桿，由杠桿原理可得：

將小指結(jié)構(gòu)原理圖和對仿真模型的尺寸測量得到的數(shù)據(jù)代入(6)～(10)式，可以得到如下數(shù)據(jù)：F2=312.5 N，F(xiàn)1=201.32 N，F(xiàn)3=50.33 N，F(xiàn)4=23.42 N，F(xiàn)5=2.56 N。

4 結(jié)論

本文提出一種外骨骼式手功能訓(xùn)練器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。當(dāng)患側(cè)手佩戴訓(xùn)練器時(shí)，拇指插入拇指近端指骨驅(qū)動(dòng)件，柔性繃帶固定，與拇指近端指骨驅(qū)動(dòng)件貼合；四指插入對應(yīng)的訓(xùn)練結(jié)構(gòu)，柔性繃帶固定，貼合在對應(yīng)的指骨驅(qū)動(dòng)件上。設(shè)各手指伸直時(shí)為各手指關(guān)節(jié)角位移的0位，當(dāng)控制微型直線電機(jī)和微型旋轉(zhuǎn)電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行，使各手指從0位運(yùn)動(dòng)到關(guān)節(jié)最大角位移時(shí)，患側(cè)手達(dá)到對掌位置。

本訓(xùn)練器訓(xùn)練時(shí)，各手指關(guān)節(jié)的角位移活動(dòng)范圍如表1所示，與正常人手指活動(dòng)范圍(表2)[10]對比，可見各手指的MP和PIP角位移最大值約為正常人手指活動(dòng)范圍最大值的一半。結(jié)合由示指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的MP和PIP角位移變化曲線規(guī)律，可判斷此機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)學(xué)上可基本實(shí)現(xiàn)對掌訓(xùn)練動(dòng)作。另外，力學(xué)分析的數(shù)據(jù)可判斷該訓(xùn)練器的各個(gè)手指驅(qū)動(dòng)件，均有足夠的驅(qū)動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)患側(cè)手進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

表1 訓(xùn)練器訓(xùn)練關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍(°)

表2 正常成人手指活動(dòng)范圍(°)

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