多段連續結構的外骨骼手指功能康復機器人

朱圣晨,李敏,2,徐光華,2,謝俊,2,何博,趙晨光,袁華

(1.西安交通大學機械工程學院,710049,西安; 2.西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室,710054,西安; 3.中國人民解放軍空軍軍醫大學(第四軍醫大學),710032,西安)

手功能健全是人能否獨立生活的主要因素[1],喪失部分或全部手指運動能力將使人無法正常完成日常生活動作,降低患者的生活質量[2],中風后手指肌無力是手功能喪失的主要表現,導致手指無法伸展[3]。研究表明,對中風患者進行持續高強度的重復訓練有助于手部運動功能的康復[4]。傳統的中風康復治療中,需要治療師與患者進行一對一的手把手式康復治療,這種方法不僅成本高、勞動量大,而且無法保證康復訓練效果和強度,缺乏康復訓練參數,導致無法對訓練參數優化來獲得最佳治療方案[5]。近年來,機器人技術越來越多地應用于康復訓練,人們期望機器人能夠提供比人工治療更好的訓練和定量的評估恢復狀態。研究表明,患者在機器人輔助下進行一定強度的重復康復訓練可以顯著改善手部運動功能[2]。康復機器人裝置除了是一種康復治療輔助手段,還可為永久性失去手功能或手功能減弱的這一部分中風患者提供幫助。

手功能康復機器人可以分為端點交互式和外骨骼式。端點交互式的裝置通常位于手掌背側,向指尖施力幫助手指運動[6]。然而,這種類型的設備無法使患者利用觸覺信息自然地與感知對象接觸[7]。外骨骼式手功能康復裝置與患者手綁定,并且具有運動耦合的特點。由于手的多功能性和復雜性,開發用于康復和輔助手運動的手部外骨骼機器人具有一定的挑戰性[1,8],如何設計出適應各種手大小的外骨骼裝置是近年來面臨的挑戰之一。目前,手指康復外骨骼已經成為康復工程及機器人學科的一個研究熱點方向[9]。

手的外骨骼裝置主要使用線驅動、連桿驅動和液壓-氣動驅動機構[10],見圖1。基于連桿的剛性機械設計廣泛應用于手的外骨骼驅動裝置[11-12],這一結構具有良好的魯棒性與可靠性[8,10]。然而在運動過程中,連桿結構的旋轉中心難以和人手指關節中心時刻保持對準,因此需加入位置補償[10]。目前的補償方式不可避免地增加了連桿機構的復雜性和冗余性[13]。另外,剛性機械設計也會引發患者的使用安全問題,使得設備的使用需要在專門的監管下進行[10]。此外,具有連桿機構的手部外骨骼驅動裝置的尺寸、質量、機械復雜度等往往會導致操作難度加大[8]。上述缺點使得這種外骨骼驅動裝置的實際應用困難重重。

圖1 多段連續結構外骨骼手功能康復機器人

軟體機器人作為機器人發展的新興領域受到越來越多的關注[14]。軟體手外骨骼多采用硅橡膠制造的液壓-氣壓驅動裝置協助手指進行屈曲或伸展運動,這樣的驅動方式使設備的結構變得簡單緊湊[10,15]。然而,氣動-液壓驅動需要氣壓源或液壓源等裝置,增加了整個系統的尺寸。此外,由于超彈性材料的非線性變形,使得控制器的設計變得異常困難[15],而且材料的膨脹問題可能會導致設備壽命周期縮短[15]。雙向驅動的手指屈曲和伸展,對于手部功能康復裝置至關重要[7,10,15],而大量現有裝置僅提供手指屈曲運動輔助。

與連桿結構相比,線驅動機構模擬實際人類手指運動驅動,并且大大減小手部外骨骼裝置的尺寸[16-17]。然而,線驅動只能單向傳遞力,如果要具有雙向驅動的功能,結構可能會變得很復雜。為了能使線驅動機構具有雙向驅動的功能,Borboni等人提出了使用雙向驅動套索的手部外骨骼裝置,其中套索內線在伸展運動期間可線驅動工作,并且在屈曲期間看作是固定在手套遠端的彎曲柔性梁[17]。但是,線驅動機構會受到摩擦、線拉伸等問題的困擾[7-8],Arata等試圖通過具有3層滑動彈簧機構的外骨骼手來解決這些問題[8]。

為了開發輔助患者進行手指功能康復的外骨骼機器人,本文提出了一種由單層彈簧片驅動的多段連續結構的新型外骨骼手功能康復機器人,旨在協助患者在接近正常人手指運動的范圍內進行拉伸、屈曲運動,并且在手指尖產生足夠的協助力。由于多段連續體結構的固有特點,外骨骼與人手指指尖無需聯合對準,從而增強了設備的簡單性和靈活性。此外,裝置良好的柔順性使人與手部外骨骼指尖的相互作用更加安全,可以將線性運動轉化為手指關節的旋轉運動。該手部外骨骼康復機器人的特征包括:低復雜性、緊湊性、雙向制動、低成本、便攜性以及安全的人機交互。

1 結構設計

1.1 設計需求

本設計的目標用戶是無法自主進行屈曲、伸展手指運動但其他上肢關節包括手腕、肘部和肩關節功能完好的人。為了達到手部康復的目的,外骨骼應該使使用者在日常生活中獲得最小的干擾,并且能夠產生足夠的力量,以協助使用者在手指正常或稍微小的運動范圍內進行屈曲和伸展。該手功能康復外骨骼裝置用于協助患手進行連續被動運動(CPM)康復訓練。CPM理論是指在治療師或康復機器人的幫助下,在規定的時間長度內按預定順序被動地移動患者關節的一種康復訓練方法。施加在患者關節的外力不應大于生理值,并且應嚴格遵守關節自身運動的自由度(DOF)[17]。CPM理論已被證明對神經受損的病人有效[18],同時CPM康復訓練不要求高精度的運動軌跡[17]。

為了實現最小的運動干擾,外骨骼被限制在手指的背面,寬度不應超過手指寬度。在本設計中,手指背面的外骨骼的幾何尺寸被約束至20 mm。目前,手功能康復外骨骼的質量普遍在3～5 kg[10]。手功能康復系統如果要在更廣泛的中風人群中使用,減小系統的質量顯得尤其重要[19],本文外骨骼的目標設計質量需低于1 kg。

手功能康復外骨骼必須具有3個彎曲自由度來鍛煉手指的3個關節,即近指關節(PIPJ)、掌指關節(MCPJ)和遠指關節(DIPJ)。對于一些康復應用,只需覆蓋手指的運動范圍,每根手指的MCPJ、PIPJ和DIPJ都不必具有獨立的運動。大拇指、食指、中指的3指尖捏動作需要食指的MCPJ、PIPJ和DIPJ分別彎曲46°、48°和12°[16]。對于康復訓練的手指運動速度,治療師建議手指關節屈曲、伸展周期的時間低于20 s[17]。必須注意的是,應該始終避免所有這些關節的過度伸長。

手功能康復外骨骼對手指施加的力量應能夠使其進行正常的康復訓練,此外在患者指尖處產生的指尖力應達到患者操縱常用物體所需的抓握力,完成一些功能任務所需的指尖力通常低于20 N[20]。Polygerinos等人的研究表明,外骨骼在每根手指的指尖產生約7.3 N的力,可以實現握拳動作及拾取質量小于1.5 kg的物體[19]。現有的康復設備可以提供7～35 N的輸出力[16-17,19]。

為了滿足不同患者情況,本設計允許通過定制來適應不同的尺寸和不同的康復階段。

1.2 設計概念

根據既定的設計要求,本文設計并制造組裝了該手功能康復外骨骼。在設計中,每個手指由一個直線推桿電機驅動手指伸展和彎曲,從而使得整體結構變得緊湊。本文提出的一種具有彈簧片的多段連續結構具有良好的柔順性,可以避免運動過程中手指關節中心和傳統連桿結構中心存在偏差的問題。如圖2所示,彈簧片由直線推桿電機提供的直線運動輸入而滑動和彎曲,整體結構變形彎曲。當該外骨骼附著在手指背面時,可以協助手指進行屈曲、伸展運動,但是目前的結構并不適用于拇指內收和外展。

基于以上的機構設計,我們開發了一個手指外骨骼原型機,見圖1。本設計采用魔術貼使手功能康復外骨骼的手指驅動器與手套結合,因此醫師或者患者可以很方便地更換不同的驅動器。

多段連續結構由VisiJet Crystal材料制成,使用3D打印技術成型(3D打印機型號為3D Systems MJP3600)。電機裝載臺和固定裝置使用3D打印機(D3020,Shenzhen Sundystar Technology Co.,Ltd,中國)打印,材料為ABS樹脂。原型機整機包括手套質量為165.4 g,遠低于設計質量(1 kg)。

本設計中使用了兩種型號的直線推桿電機,參數如表1所示。彈簧片的厚度和長度分別為0.3 mm和80 mm,寬度略小于外骨骼寬度。多段連續結構的單個小塊的尺寸為12 mm×10 mm×5 mm。

圖2 多段連續體彎曲示意圖

表1 直線推桿電機參數

2 原型機特性實驗

本文測定了實驗對象佩戴該原型機后的左手食指各個關節的運動范圍及手指的指尖力,初步評估了該原型機的性能。

2.1 關節角度測試

本文實驗對象為一位24歲的男性,測試手為左手,手指關節角度定義見圖3a。為了得到進行屈曲、伸展運動時手指關節的運動范圍,本文使用了VICON運動捕捉系統記錄運動過程。該系統具有10個T40 MX攝像機,采樣頻率為500/s,將9 mm直徑的紅外標記球附著到健康的被試者的手指關節處,如圖3b所示。在主動運動環節,被試者進行主動的手指彎曲和伸展運動,彎曲和伸展運動的起點和終點均為手指與掌背平行,得到被試者主動運動時關節運動的最大范圍。在被動運動環節,被試者帶上該外骨骼原型機進行手指的彎曲和伸展運動,圖4為各關節上的紅外標記點的運動軌跡。

將單個關節的被動角度范圍與主動運動的關節角度范圍進行比較,結果如圖4、圖5以及表2所示。主動運動和被動運動實驗均進行5組,每組實驗包含10次食指屈曲、伸展運動循環。使用行程為30 mm的直線推桿電機(L12-30-100-12-I)時,遠指關節可以達到主動運動時的最大運動范圍的61.2%,近指關節可以達到最大運動范圍的46.9%,掌指關節可以達到最大運動范圍的45.5%。接著計算了被動運動達到關節最大角度時處于一個循環周期的時間位置。這3個關節的角度達到最大時分別位于一個循環周期的50.1%、48.8%和51.8%,基本處于一個循環周期的中間時刻,符合健康人手的運動規律。

使用行程為50 mm的直線推桿電機(L12-50-210-12-I)時,遠指關節可以達到主動運動時的最大運動范圍的78.1%,近指關節可以達到最大運動范圍的66.9%,掌指關節可以達到最大運動范圍的79.4%。計算發現,被動運動時這3個關節的角度達到最大時分別位于一個循環周期的51.6%、49.7%和50.1%,也基本符合健康人手的運動規律。

(a)關節角度定義示意

(b)紅外標記點圖3 關節角度定義及紅外標記點示意圖

表2 實驗測試關節運動范圍

(a)30 mm電機驅動

(b)50 mm電機驅動

(c)主動運動圖4 30 mm電機驅動、50 mm電機驅動及主動運動時手指關節運動軌跡

(a)近指關節

(b)掌指關節

(c)遠指關節圖5 不同手指關節的運動范圍

雖然手指外骨骼原型機協助人手指實現的關節彎曲角度小于手指主動運動時的關節彎曲角度,但兩者的運動過程及規律一致。康復訓練必須在無痛的前提下進行,因此不必達到正常人手運動的全范圍,所以可認為本文提出的原型機采用50 mm行程的電機足以用于輔助患者進行日常生活和手指功能恢復,30 mm行程產生運動范圍輔助關節運動有些不足。

圖6 測量指尖力的實驗裝置

2.2 輸出指尖力測試

采用了手指TPS(Pressure Profile Systems,USA)系統測量手功能康復外骨骼在指尖處的輸出力,該指尖力傳感器厚度為2～3 mm,測量最大值為22.73 kg,分辨率為0.045 kg,采樣頻率為40 Hz。輸出指尖力測試的實驗裝置如圖6所示,指尖力測量結果如圖7所示。圖7結果表明,使用30 mm行程的電機所產生的最大指尖力為15.36 N,使用50 mm行程的電機所產生的最大指尖力為17.49 N。如前所述,在每根手指指尖施加約7.3 N的力,即可實現手指握拳,完成拾取小于1.5 kg的物體的動作。因此,可認為本文所提出的手功能康復外骨骼可以協助患者完成日常常用動作。

圖7 指尖力測量結果

2.3 討論

通過以上實驗數據及分析可知,本文提出的多段連續結構的外骨骼手功能康復機基本實現了預期功能,能夠協助患者進行一定角度范圍內的CPM康復訓練,并且可在指尖產生足夠的指尖力來協助患者完成日常動作,可以改善手功能障礙患者康復訓練效果。與文獻[8]中具有3層滑動彈簧機構的手功能康復外骨骼設計相比,本文提出的設計復雜度較低,同時能夠產生更大的指尖力。與文獻[17]中提出的手功能康復外骨骼設計相比,本文的設計可以避免空氣壓縮機等增大整體尺寸,基本完成了研究目標,將來需要實際應用到手指功能障礙患者的康復訓練中來進一步驗證該外骨骼康復機的性能。

3 結 論

本文提出了一種新型的使用多段連續結構的手功能康復外骨骼機,幫助患者進行手指伸展和屈曲的輔助治療和康復訓練。該原型機質量輕,易于穿戴,適用于一定范圍內不同尺寸的手,可實現定制化。實驗結果表明,協助患者運動的關節角度和產生的指尖力均滿足康復患者訓練和日常生活所需,具有實際的應用可能。

在未來的研究中,我們將對所有手指開發外骨骼機并實驗驗證,對該驅動器進行運動學建模,進一步優化多段連續結構,實現人手指關節運動的仿生軌跡規劃。將患者的運動意圖與感覺運動的反饋相關聯,促進中風患者的康復,因此后續還需將腦電信號作為未來研究手功能康復外骨骼控制的輸入指令,加入腦電控制,更好地幫助患者進行神經康復治療。

參考文獻:

[1] HEO P,GU G M,LEE S J,et al. Current hand exoskeleton technologies for rehabilitation and assistive engineering [J]. International Journal of Precision Engineering & Manufacturing,2012,13(5): 807-824.

[2] TAKAHASHI C D,DERYEGHIAIAN L,LE V,et al. Robot-based hand motor therapy after stroke [J]. Brain: A Journal of Neurology,2008,131(2): 425-437.

[3] KAMPER D G,FISCHER H C,CRUZ E G,et al. Weakness is the primary contributor to finger impairment in chronic stroke [J]. Archives of Physical Medicine & Rehabilitation,2006,87(9): 1262-1269.

[4] 陳學斌,高海鵬,劉文勇,等. 手外骨骼康復技術研究進展 [J]. 中國醫療設備,2016,31(2): 86-91.

CHEN Xuebin,GAO Haipeng,LIU Wenyong,et al. Research on the development of hand exoskeleton as a rehabilitation technology [J]. China Medical Equipment,2016,31(2): 86-91.

[5] 郭曉輝,王晶,楊揚,等. 基于虛擬現實的下肢主被動康復訓練系統研究 [J]. 西安交通大學學報,2016,50(2): 124-131.

GUO Xiaohui,WANG Jing,YANG Yang,et al. Active and passive training system of lower limb rehabilitation based on virtual reality [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University,2016,50(2): 124-131.

[6] MERIANS A S,JACK D,BOIAN R,et al. Virtual reality-augmented rehabilitation for patients following stroke [J]. Physical Therapy,2002,82(9): 898-915.

[7] IQBAL J,KHAN H,TSAGARAKIS N G,et al. A novel exoskeleton robotic system for hand rehabilitation: conceptualization to prototyping [J]. Biocybernetics & Biomedical Engineering,2014,34(2): 79-89.

[8] ARATA J,OHMOTO K,GASSERT R,et al. A new hand exoskeleton device for rehabilitation using a three-layered sliding spring mechanism [C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation. Piscataway,NJ,USA: IEEE,2013: 3902-3907.

[9] 胡鑫,張穎,李繼才,等. 一種外骨骼式手功能康復訓練器的研究 [J]. 生物醫學工程學雜志,2016(1): 23-30.

HU Xin,ZHANG Yin,LI Jicai,et al. Study on an exoskeleton hand function training device [J]. Journal of Biomedical Engineering,2016(1): 23-30.

[10] POLYGERINOS P,WANG Z,GALLOWAY K C,et al. Soft robotic glove for combined assistance and at-home rehabilitation [J]. Robotics & Autonomous Systems,2015,73(C): 135-143.

[11] TONG K Y,HO S K,PANG P M K,et al. An intention driven hand functions task training robotic system [C]//2010 Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society. Piscataway,NJ,USA: IEEE,2010: 3406-3409.

[12] CUI L,PHAN A,ALLISON G. Design and fabrication of a three dimensional printable non-assembly articulated hand exoskeleton for rehabilitation [C]//Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society. Piscataway,NJ,USA: IEEE,2015: 4627-4630.

[13] HO N S,TONG K Y,HU X L,et al. An EMG-driven exoskeleton hand robotic training device on chronic stroke subjects: task training system for stroke rehabilitation [C]//IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics. Piscataway,NJ,USA: IEEE,2011: 5975340.

[14] RUS D,TOLLEY M T. Design,fabrication and control of soft robots [J]. Nature,2015,521(7553): 467-475.

[15] HONG K Y,LIM J H,NASRALLAH F,et al. A soft exoskeleton for hand assistive and rehabilitation application using pneumatic actuators with variable stiffness [C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation. Piscataway,NJ,USA: IEEE,2015: 4967-4972.

[16] IN H,KANG B B,SIN M K,et al. Exo-glove: a

wearable robot for the hand with a soft tendon routing system [J]. IEEE Robotics & Automation Magazine,2015,22(1): 97-105.

[17] BORBONI A,MOR M,FAGLIA R. Gloreha-hand robotic rehabilitation: design,mechanical model and experiments [J]. Journal of Dynamic Systems Measurement & Control,2016,138(11): 111003.

[18] HU X L,TONG K Y,SONG R,et al. A comparison between electromyography-driven robot and passive motion device on wrist rehabilitation for chronic stroke [J]. Neurorehabilitation & Neural Repair,2009,23(8): 837-846.

[19] POLYGERINOS P,GALLOWAY K C,SAVAGE E,et al. Soft robotic glove for hand rehabilitation and task specific training [C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation. Piscataway,NJ,USA: IEEE,2015: 2913-2919.

[20] SMABY N,JOHANSON M E,BAKER B,et al. Identification of key pinch forces required to complete functional tasks [J]. Journal of Rehabilitation Research & Development,2004,41(2): 215-224.