基于牽引療法的多關節便攜式手部康復機器人設計

劉建坤 劉明亮 梁勇楠 李攀

摘 要：本文針對手部康復訓練需求，設計了一種基于牽引療法的手部多關節便攜式康復機器人，繪制了康復機器人的三維模型，并運用 Rhinoceros5.0 對機構進一步優化建模。經過仿真分析驗證所設計的模型具有機構簡單、穿戴方便、輕量便攜等特點，能較好地實現了手指0 ～ 90°彎曲運動，滿足關節運動及韌帶拉伸的康復訓練需求。

關鍵詞：柔索牽引；手部康復；便攜式設計；醫療器械

1 引言

由中風等疾病引起的患者手部運動障礙，除了前期手術和藥物治療以外，術后科學的康復訓練對患者的恢復起至關重要的幫助。研究表面大腦皮層運動控制區域損壞后，在經過訓練后可以由其它區域代替。因此只要做相應的康復訓練，偏癱患者便能夠恢復部分或者全部運動功能。

傳統的手部康復訓練都是在醫師指導下，借助一些簡單工具進行康復訓練，這種訓練不但效率低，而且對醫師的要求也比較高，且每個醫師一次只能針對一名患者進行康復訓練的指導。醫師的數量與質量嚴重不足，導致大量患者延誤了最佳治療時間。因此，手部康復機器人成為研究熱點。

2 整體系統設計

2.1 設計思路分析

本方案設計了一種基于牽引療法的手部康復機器人，包括電機、五個指關節組、齒輪組、滑輪組、柔索牽引裝置、腕關節轉動裝置、手部固定部分及連接部分。手部康復機器人為仿人形狀，指關節部分設置五組多關節手指將機器人本體與人手緊密連接在一起，固定后可以通過各個關節的扭簧及指關節背部的柔索牽引實現指關節的屈伸，通過機器人不斷帶動人手指進行彎曲/伸展運動可以實現手部康復訓練，同時在腕關節位置放置兩組二級減速齒輪組，可以實現腕關節的轉動訓練，進而保障訓練效果。

2.2 整體機構設計

通過設置末端牽引機構搭配扭簧蓄力，可以帶動人手指及腕關節進行康復訓練，牽引力控制更加柔順。通過設置兩組二級減速齒輪可以實現康復訓練過程中腕關節的轉動，加入腕關節自由度可以大幅度提升康復治療效果，其三維模型如圖2-1所示。該手部康復機器人結構簡單，成本低廉，適用于手部殘疾患者，康復效果良好且容易實現批量生產。

3 指關節驅動設計

本方案設計的指關節驅動模型如圖3-1所示，包括五個指關節組，每個指關節組由4個指關節構成，每個指關節都根據人體生理學尺寸進行設計，并可以與人體手指緊密貼合。每兩個指關節之間通過指關節軸進行連接，每個關節外側都有孔，柔索可以穿過孔并牽引各個關節進行運動，每兩個關節內側有扭簧提供預緊力。同時各個指關節在根關節處通過鎖緊螺釘與鎖緊螺母固定在固定架上。

4 腕關節設計

本方案在機器人腕關節位置設置了齒輪組。其內置滑輪組及齒輪軸，齒輪軸上開有鍵槽，通過鍵與五個滑輪組連接。滑輪上繞有柔索并與指關節的柔索連接。齒輪軸兩側的兩個齒輪分別與一個齒輪相嚙合。當齒輪軸轉動時一方面可以驅動滑輪牽引柔索拉動指關節進行屈伸，一方面可以通過齒輪驅動腕關節連接架進行轉動。

同時在機器人腕關節位置固定有腕關節固定卡扣，可以方便地將人手腕與機器人固定到一起，同時還可以調節固定的松緊程度以滿足不同體型用戶的需求。齒輪組內側固定有腕關節套筒，腕關節套筒由柔性材料構成，一方面可以進一步緊密固定人手與康復器械，另一方面可以避免機器對人體造成傷害。

5 安全性考量

康復機器人的設計應避免對患者造成二次傷害，所以本方案不僅在關鍵位置采用柔性材料，而且在驅動上加入了三重保護機制。康復機器人正常運行時由軟件分析數據并進行控制，軟件會控制康復機器人只在固定位移范圍內運動。當軟件控制異常導致康復機器人運動超出安全范圍時，滑輪組會觸碰限位開關給電機緊急斷電，當限位開關異常導致電機未斷電時，滑輪組會觸碰機器人的機械限位阻止其繼續轉動，從而在最大限度上保障患者安全。

6機構優化

將本方案設計的三維模型根據1：1比例繪制完成后，進行運動學仿真分析。仿真驗證表明，機構設計基本滿足五指康復訓練需求，但仍存在手指前端易脫落，末端牽引機構無法大角度轉動等問題，故需進一步優化機構設計。

運用 Rhinoceros5.0 對機構進一步優化建模。為使驅動機構運行更加順暢，在齒輪組中增加兩個電源散熱環。同時，將電源系統集中在中心手背區域。每個指關節設計為獨立的U型外殼結構，且有獨立的環形內網支撐，可以在理論上解決上述問題。

7總結

本文設計了一種基于牽引療法的手部康復機器人結構，繪制了康復機器人的三維模型并以食指關節為代表進行指關節訓練的仿真驗證，運用Rhinoceros5.0軟件進行模型優化。通過仿真分析，為制作手部康復機器人實物模型奠定了基礎。該機構設計與控制方法基本滿足中風患者手部康復需求，具有機構簡單、穿戴方便、輕量便攜等特點，但其醫療作用仍需進一步驗證。

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