基于仿生肌肉的柔性氣動上肢助力產(chǎn)品設(shè)計

劉月林 陳佳宇

引言

老年肌力受損患者由于肌力受限，在生活等方面有諸多不便，患者多采用自主恢復(fù)訓練，患肢的康復(fù)訓練方式較為單一，運動不當易對患臂產(chǎn)生二次傷害，而訓練程度不夠，患臂肌肉萎縮會加重肌力受損病情。長時間的患臂訓練不當，會影響肌力受損患者的肌力恢復(fù)進程，嚴重時會引發(fā)患者焦慮、自卑等心理疾病。市場中現(xiàn)有上肢助力產(chǎn)品多針對偏癱、老年康復(fù)等用戶，且多采用剛性外骨骼結(jié)構(gòu)訓練式或體感游戲式康復(fù)模式，缺乏針對肌力受損患者的康復(fù)產(chǎn)品。本文通過采用仿生肌肉的仿生結(jié)構(gòu)，設(shè)計一款柔性氣動上肢助力產(chǎn)品，培養(yǎng)用戶的自主恢復(fù)意識，提高其患臂的恢復(fù)效率，減輕患者病體壓力與心理壓力。

一、上肢助力產(chǎn)品設(shè)計現(xiàn)狀研究

醫(yī)院使用的訓練手部與腕部的剛性外骨骼式康復(fù)助力器械，主要利用彈簧的彈性形變牽引手部及腕部運動，從而達到訓練目的。外骨骼式助力器所設(shè)定的彈性力矩，能夠固定患肢的活動范圍，但只能使其做往復(fù)屈伸運動，訓練模式較為單一，有一定的局限性。現(xiàn)今普遍使用于康復(fù)中心、老年社區(qū)的虛擬游戲訓練系統(tǒng).建立了網(wǎng)絡(luò)手套與虛擬手的映射關(guān)系，實現(xiàn)人機交互。虛擬現(xiàn)實的上肢康復(fù)手機器人訓練系統(tǒng)，具有碰撞檢測和力反饋功能，使用戶在虛擬環(huán)境中與物體交互時感覺更加真實。

目前國外對上肢助力的產(chǎn)品與系統(tǒng)性訓練研究較多，但是對于設(shè)備的結(jié)構(gòu)輕便性設(shè)計考慮相對較少，針對特有疾病的系統(tǒng)性訓練研究層次劃分不夠明確。而國內(nèi)有關(guān)康復(fù)機器人的研發(fā)中，對于上肢功能康復(fù)訓練機器人還處于起步階段，研發(fā)者大多來自于原先工業(yè)機器人領(lǐng)域，國內(nèi)康復(fù)機器人產(chǎn)品也大都直接移植工業(yè)機器人技術(shù)。重慶大學研制的三自由度上肢運動康復(fù)助力裝置，是一種利用步進電機驅(qū)動的多自由度機械臂系統(tǒng)，能夠根據(jù)用戶的運動意圖輔助患肢完成取物等運動任務(wù)。該三自由度機械臂采用運動軌跡追蹤、運動速度一時間等參數(shù)進行了編程設(shè)計能夠根據(jù)患者的肩部、肘部、腕部關(guān)節(jié)的運動生理性質(zhì)，進行相應(yīng)的階段性控制。哈爾濱工業(yè)大學研制的五自由度外骨骼式上肢康復(fù)機器人系統(tǒng)，分別對用戶的肩部、肘部、腕部的關(guān)節(jié)屈伸、旋轉(zhuǎn)動作進行分解，再由電機控制機械臂各個關(guān)節(jié)的運動。用戶佩戴機械臂后，設(shè)備通過用戶的行為動作采集皮膚表面肌電信號，完成患臂的康復(fù)訓練。

總體上，市場中現(xiàn)有上肢助力設(shè)備主要分為兩類：第一類，外骨骼式剛性助力結(jié)構(gòu)，且均需連接設(shè)備。患者佩戴并操作助力器械時，產(chǎn)品較為笨重，輕便性不佳，操作過程也較為復(fù)雜;第二類，VR游戲沉浸及認知訓練類，但此類產(chǎn)品內(nèi)部傳感器與人體適配性”有待完善，且不適用于老年骨折、肌力受損等特殊病癥。我國針對上肢助力產(chǎn)品的研究已取得一定成果，但存在一些設(shè)計上的不足。

二、上肢生物力學分析與仿生肌肉模型

（一）上肢生物力學分析：肌力受損者常見于骨折恢復(fù)期與肌肉非炎癥性疾病。骨折分為固定期（6周）與恢復(fù)期（6周-13周）兩個時期，在恢復(fù)期間，由于骨骼固定期較長，肌肉主要表現(xiàn)為肌肉僵化，肌收縮力減退;肌肉非炎癥性疾病，主要表現(xiàn)為肌收縮力減退或消失以及肌肉萎縮等。

本研究所針對的人群為上肢肌力受損者。通過對上肢骨折患者行為過程的觀察研究得出，病患在患病恢復(fù)過程中，需承受來自心理、生理的雙重壓力。從心理層面分析，患者存在焦慮、自卑、易怒、封閉等心理狀態(tài)，不利于患臂的恢復(fù);從生理層面分析，肌力受損者患臂呈現(xiàn)屈伸不順、無法承重等狀態(tài)，患者患臂應(yīng)在恢復(fù)期進行被動、主動訓練，便于患臂肌肉的機能恢復(fù)。

肩部在運動過程中，運動范圍隨手臂抬舉高度的變化而變化，肌肉組織隨肩部運動改變運動狀態(tài)。定義以旁觀者為參照，肩部逆時針旋轉(zhuǎn)為“屈”，順時針旋轉(zhuǎn)為“伸”。肩部做逆時針旋轉(zhuǎn)動作時，肌肉組織呈收縮狀態(tài);肩部做順時針旋轉(zhuǎn)動作時，肌肉組織呈拉長狀態(tài)，肩部末施力時，肌肉組織呈靜止狀態(tài)。故上肢助力器的設(shè)計過程中，應(yīng)注意患者的上肢肌肉僵直狀態(tài)，在不對其造成二次傷害的基礎(chǔ)上，帶動患者手臂做固定力范圍下的助力動作，達到鍛煉患肢、恢復(fù)患者肌力的作用。

手部承重時，手臂等同于速度杠桿，肘部為杠桿支點，肌肉肌腱末端為動力點（肌拉力點），手部承重時為阻力點（受力點）。手部承重過程中，上臂肌肉以肌拉力點支撐，施加肌力，肌力大小與手部所承重力大小相對應(yīng)。將肩部肌肉所受力為垂直方向轉(zhuǎn)動分力與水平方向加固分力，轉(zhuǎn)動分力與加固分力合成為肌拉力，肌拉力與水平夾角為拉力角。肌力正常時，轉(zhuǎn)動分力與加固分力正常合稱為肌拉力，肌力受損時，手部承重減弱，拉力角相對常量縮小，肌拉力減弱，所分解的轉(zhuǎn)動分力與加固分力縮小，肌力受損肌拉力長時間小于正常肌拉力，會導(dǎo)致患者肌肉收縮力減退.嚴重則致肌肉萎縮。而骨折恢復(fù)期及其他肌力受損患者，手部承重吃力，臂部肌肉難以較正常人進行可運作范圍內(nèi)的屈伸、回旋等動作，需對其進行外加施力助力，引導(dǎo)其患臂運動，恢復(fù)肌力，提高患者自身的康復(fù)效率，預(yù)防或減輕手臂局部的肌肉萎縮。

（二）仿生肌肉模型：（如圖1）所示，仿生肌肉是一種模仿人體肌肉的機械元件，最早的仿生肌肉模型是由物理學家Joseph L720世紀50年代提出，用于殘疾人的肢體矯正。Joseph L所提出的McKlbben型氣動肌肉，由織網(wǎng)結(jié)構(gòu)與柱狀結(jié)構(gòu)兩部分組成。織網(wǎng)結(jié)構(gòu)包裹在柱狀結(jié)構(gòu)外部，模擬人體的肌腱、肌肉纖維結(jié)構(gòu)。

人體肌肉纖維有靜止、收縮、舒張三種運動狀態(tài)，處于靜止狀態(tài)時，肌肉纖維呈間隙常態(tài)，處于收縮狀態(tài)時，肌肉纖維間隙縮小，處于舒張狀態(tài)時，肌肉纖維間隙增大，以適應(yīng)骨骼運動的變化趨勢。

仿生肌肉的驅(qū)動方式模擬人體肌肉纖維的伸縮方式，仿生肌肉模型柱狀結(jié)構(gòu)可以隨充放氣進行體積收縮變化，從而帶動助力器的組織結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生助力作用，且質(zhì)量輕便、響應(yīng)迅速、成本低廉。本研究所設(shè)計的上肢助力產(chǎn)品參考仿生肌肉結(jié)構(gòu)模型，貼合人體肌肉生理的伸縮、舒張?zhí)匦裕軌蛱岣邫C構(gòu)的柔順性、減輕機構(gòu)質(zhì)量。

三、柔性氣動上肢助力產(chǎn)品設(shè)計實踐

目的在于設(shè)計一種上肢助力產(chǎn)品，運用人體工程學，結(jié)合仿生肌肉結(jié)構(gòu)原理，簡化產(chǎn)品功能，培養(yǎng)患者的自主訓練意識，提高患者肌力的恢復(fù)效率，滿足用戶的心理需求，提升用戶體驗感。

（一）產(chǎn)品功能原理：柔性氣動上肢助力產(chǎn)品的仿生肌肉原理，采用空間彎曲柔性纖維，在維持產(chǎn)品助力所需剛性固定結(jié)構(gòu)的同時，具備良好的收縮舒張?zhí)匦浴鈩臃律嵝越Y(jié)構(gòu)，采用氣動肌肉驅(qū)動控制，利用氣壓傳動固有的柔陸特性實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的仿生柔性。

本設(shè)計中采用的仿生肌肉結(jié)構(gòu)，采用彈性氣囊結(jié)構(gòu)與網(wǎng)狀纖維材料組成。彈性氣囊結(jié)構(gòu)柔順性、輕便性較強，網(wǎng)狀纖維結(jié)構(gòu)能夠保持產(chǎn)品的剛性特性，可對患者患臂起到良好的支撐與保護作用，可助力患肢做屈伸運動，避免二次傷害。

（二）產(chǎn)品功能設(shè)計：本研究設(shè)計的上肢助力產(chǎn)品，包含被動訓練與主動訓練兩種訓練模式。被動訓練適用于骨折恢復(fù)期與肌力受損患者，產(chǎn)品模式根據(jù)患者患臂情況定制模式難易進度，從簡單到復(fù)雜，助力逐漸疢復(fù)患者患臂肌力;主動訓練適用于骨折康復(fù)期與肌力受損患者，根據(jù)患者主觀意識選擇訓練模式，對患肢進行走制訓練，培養(yǎng)患者的自主恢復(fù)意識。

上肢助力產(chǎn)品包含雙臂訓練，平衡與協(xié)調(diào)患者雙臂的康復(fù)狀況，使患者能夠及時比對左右手臂恢復(fù)情況，推進患者康復(fù)進度。

（三）人機工程學原理：（如圖2）所示，人體肩、肘、腕部活動范圍不同。在垂直方向，肩、腕部可做回旋、屈伸動作，肘部可做屈伸動作，在水平方向，肩、肘、腕部可做舒張動作。而骨折、肌力受損的患者，在臂力恢復(fù)期間，可佩戴帶上肢助力設(shè)備，對肩、肘、腕部恢復(fù)過程進行干涉，上肢的運動狀況可由僵直逐漸恢復(fù)到正常狀態(tài)，上肢助力產(chǎn)品的關(guān)節(jié)活動范圍均可通過編程等方式進行預(yù)設(shè)。

（四）產(chǎn)品設(shè)計方案：本研究采用仿生設(shè)計中結(jié)構(gòu)仿生與功能仿生的設(shè)計方法，探究了肌肉的纖維組織結(jié)構(gòu)，參考氣動肌肉的結(jié)構(gòu)原理，模擬設(shè)計充氣氣囊式纖維結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具備仿生肌肉的收縮、舒張性能，能夠完整包裹患臂，分段助力。

根據(jù)上述人體上肢肌肉受力分析及人體測量肩、肘、腕部運動范圍分析，上肢助力機器人設(shè)計點重點分為兩部分：第一，根據(jù)肩肘腕部運動軌跡，設(shè)計助力器的施力大小、可運動方向及造型;第二，根據(jù)腕、肘、肩部運動范圍與患臂各恢復(fù)階段的運動需求，設(shè)走助力產(chǎn)品的不同訓練模式。

本設(shè)計的產(chǎn)品所屬類別為醫(yī)療設(shè)備，除去氣囊結(jié)構(gòu)的特定灰色組織色彩之外，仍需滿足醫(yī)療設(shè)備的白色、藍色等器械色彩需求。考慮到產(chǎn)品的情感化、人性化設(shè)計原則，將其設(shè)定為氣囊彈取結(jié)構(gòu)，操作簡便、功能簡易，增強產(chǎn)品的趣味性與輕便性，減弱醫(yī)療設(shè)備的繁重感，從而減輕用戶在產(chǎn)品佩戴過程中的心理壓力。

產(chǎn)品效果圖及使用過程圖（如圖3）所示，按壓設(shè)備表面開關(guān)按鈕，設(shè)備左右兩側(cè)彈出纖維氣囊結(jié)構(gòu)，氣囊舒張完畢后，用戶可對結(jié)構(gòu)從左向右進行套取穿戴，隨后將設(shè)備表面束帶結(jié)構(gòu)包裹患肢上臂與大臂，用于設(shè)備的結(jié)構(gòu)固定。用戶在佩戴運動過程中，設(shè)備可根據(jù)用戶自身的施力大小啟動助力模式，同時，產(chǎn)品能夠?qū)τ脩羧梭w信號進行肌電信號采集，生成運動、力量、肌肉活動、心率等相關(guān)訓練數(shù)據(jù)，以滿足患者的特定需求。

結(jié)論

仿生設(shè)計、柔性氣動結(jié)構(gòu)在助力設(shè)備中應(yīng)用為本研究的上肢助力產(chǎn)品提供了諸多參考。柔性氣動結(jié)構(gòu)能夠滿足用戶對助力產(chǎn)品的柔性需求與結(jié)構(gòu)的剛性依托。后續(xù)研究將繼續(xù)深入探索產(chǎn)品設(shè)計過程中的人機友好性、功能具體實施方式、對比所用材料的柔性特征與所依托的肌電信號采集技術(shù)，以為柔性氣動上肢助力產(chǎn)品設(shè)計提供理論支持。