手部外骨骼康復機器人機構研究與設計

樊琛 楊振坤 高申南

摘 要：本文針對中風所致手部康復需求，研究了手部外骨骼康復機器人的整體結構、行走機構、驅動機構設計，制做了手部外骨骼康復機器人的模型，并運用Rhinoceros5.0對機構進一步優化建模。實驗驗證所設計的模型具有機構簡單、穿戴方便、控制有效等特點，能較好地實現了食指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：手部外骨骼；康復機器人；Rhinoceros5.0

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.119

1 引言

手部健康靈活是人們生活質量的重要保障。由于疾病或事故造成的手部功能障礙，使患者生活和工作受到極大影響，為其家庭帶來巨大經濟損失。傳統康復訓練主要依靠康復醫師，耗費大量人力物力，費用高、效果差，使很多患者失去康復的最佳時機[1]。近年來，隨著外骨骼機器人技術與康復工程學的不斷發展，手部外骨骼康復機器人成為研究熱點[2]。

本文基于手部解剖學，在研究手部自由度、關節運動、角度、速度、位置等相關內容基礎上，突出研究手指為代表的四指機構設計與制作；運用Pro e軟件進行實體工程建模；選取合適材料及驅動電機，制作手部外骨骼康復機器人模型，并進行實驗仿真。同時，基于工業設計和人機工學，對機構進行優化。

2 整體設計

2.1 設計思路分析

根據臨床經驗，手部康復治療主要為韌帶拉伸和關節運動[3]。以食指為例，彎曲自由度為3個，通過外骨骼機器人帶動，幫助韌帶拉伸和關節運動康復。機構設計思路如圖1所示。

2.2 整體機構設計

根據手部外骨骼康復機器人設計需求，整體機構由驅動機構，連接機構，桿架機構，手部附著機構組成，如圖2所示。驅動機構提供能源動力，同時控制機構的運行；連接機構連接手掌；桿件機構是中間過渡機構，傳遞力的同時穩定機構；手指附著機構包裹手指，保證桿架機構和手指穩定連接[4]。

3 行走機構

3.1 桿架機構

桿架機構由傳動桿、傳輸桿、小傳動桿組成，如圖3（a）所示，其中傳輸桿安裝圖如圖3（b）所示。

桿架初始位置為黑線位置。傳動桿1順時針轉動，到達垂直狀態，傳輸桿2向前移動，推動小傳動桿3的順時針轉動，直至帶動手指到達極限彎曲位置。在彎曲狀態下傳動桿1隨著電機的逆時針轉動，傳輸桿2上移，小傳動桿3后移，此時手指從彎曲狀態恢復初始狀態，如圖4所示[5]。關節連接部分采用3mm螺釘與螺母作為連接件，如圖5所示。

3.2 連接機構

連接機構包裹手掌，采用中空結構，方便患者的穿戴，如圖6所示。作為輔助機構，連接機構把驅動機構與桿架機構相連，保持機構連貫穩定[6]。同時，與舵機相連，保證桿架機構正常運行。

4 驅動機構

4.1 驅動電機選擇

根據機構設計需求，將舵機的位置放置手腕外側，選用尺寸為40×20×44mm、重量為38g舵機作為動力源，如圖7所示。帶動食指桿架機構做0～90°運動。

4.2 控制器選擇

舵機控制器通過調節輸入舵機的控制信號調節，外部信號的寬度和舵機內部周期20ms，寬度1.5ms的基準信號進行對比，獲得電壓差。電壓差的正負決定電機的正反轉。選用六路電位器舵機測試儀，將PWM線號的寬度進行調節，以控制舵機的角度，如圖8所示。

5 模型制作與運動演示

根據設計需求，設計制作模型如圖9（a）所示。

為驗證機構的合理性，進行運動演示實驗。為避免個體手型、尺寸誤差，采用假手模型進行食指0～90°運動演示。分別選取原始位姿；彎曲關節掌關節40°，近端指關節35°；遠端指關節5°和原始位姿向后拉伸15°，如圖9（b，c，d）所示。

6 機構優化

驗證運動表明，機構設計基本滿足四指康復需求，但存在手指前端易脫落，拉伸機構無法大角度轉動等不足，故進一步優化機構設計，運用Rhinoceros5.0建模 [7]，如圖10所示。

為使驅動機構運行順暢，增加電源散熱環。同時，將電源系統集中在中心手背區域，如圖11（a）所示。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，如圖11（b）所示。

7 小結

本文在分析中風患者手部康復需求的基礎上，設計手部外骨骼康復機器人機構，并制作食指為代表的手部外骨骼康復機器人模型，運用Rhinoceros5.0進一步優化建模。通過設計制作機構模型，為進一步研究手部外骨骼康復機器人奠定基礎。通過模型運動演示，驗證機構設計與控制方法基本滿足中風患者手部康復需求。

參考文獻：

[1]張楠，易子凱.外骨骼機器人結構設計與動力學仿真[D].蘇州：蘇州大學機電工程學院，2013.

[2]李慧營，張鵬軍，趙鑫等.外骨骼機器人發展趨勢研究[D].中北大學，2011.

[3]宮可想，周淑秋，常憲平.基于解剖學的人手肌肉建模技術[D].北京：首都師范大學信息工程學院.北京市豐臺區疾病預防控制中心，

2005.

[4]張勤超.手部功能康復機器人機械系統的設計與研究[D].哈爾濱工業大學，2011年11月.

[5]蔡兆云，肖湘江.外骨骼機器人技術研究綜述[D].湖南：國防科學技術大學，2007.

[6]劉宏，姜力.仿人多指靈巧手及其操作控制[M].北京：科學出版社，2010年3月.

[7]劉金國，高宏偉，駱海濤.智能機器人系統建模與仿真[M].北京：科學出版社，2014年8月.

基金項目：陜西省教育廳自然科學基金項目（項目編號：15JK2057）。

作者簡介：樊琛（1983-），女，山東濟南人，博士在讀，講師，研究方向：生機電融合及智能機器人技術。