基于力反饋的手功能康復訓練系統設計

(東南大學 儀器科學與工程學院，江蘇 南京 210096)

近年來，我國因腦卒中造成的偏癱患者數量逐漸增多,醫學原理和臨床醫學證明，科學的康復訓練對于偏癱患者受損傷肢體運動功能的恢復有重要作用[1]?？祻陀柧毾到y是一種集合了康復醫學、機器人學、信息科學、計算機科學等多學科知識的康復醫療設備，以現代康復醫學理論為基礎，借助機器人輔助患者進行康復訓練來替代康復醫師對患者一對一的訓練，從而提高治療效率和降低成本[2]。機器人具有許多人類所無法比擬的優點，例如，長期、穩定地重復訓練，精確、客觀地觀測訓練與運動參數，提供實時的反饋、遠程訓練等[3]?？祻蜋C器人的應用有助于醫生更有針對性地依據患者的康復情況制定康復訓練方案，加快患者的康復進程[4]。

目前，針對上肢、下肢的康復醫療機器人已經開始在臨床廣泛使用，且效果顯著,但針對手指的康復機器裝置卻很少，其主要原因是人體手指的運動模式較為復雜[5]，自由度高且手指易受損傷。針對以上問題，本文設計了一種基于磁流變液的力反饋手功能康復訓練裝置，滿足手指康復訓練的要求。系統設計過程中，保證系統的安全性和穩定性是最基本的原則[6]。通過實驗驗證，本系統設計合理，具有可行性和可靠性，能有效幫助偏癱患者實現受損手部功能的恢復。

1 手指康復訓練系統構成

手指康復訓練系統的整體組成如圖1所示，上位機軟件通過USB通信向下位機ARM芯片發送特定格式的指令進而控制機構帶動患者手指做康復訓練，同時，上位機顯示并存儲患者手指運動位置、壓力等信息作為評估患者康復階段的依據。

圖1 手指康復訓練系統構成

在使用過程中，康復訓練裝置同時具有主、被動訓練模式，被動訓練由直流電機帶動手指進行運動，主動訓練時，患者手指主動施力，由磁流變液阻尼器提供相應的力反饋。在訓練過程中，通過編碼器、力矩傳感器等采集患者手指運動過程中的運動范圍、力等信息，幫助醫生評估患者手指的康復階段，同時為了避免訓練裝置對手指造成二次損傷，采用了有源/無源混合的力反饋交互驅動裝置對康復訓練機構進行穩定、精準地控制。

下面主要對康復訓練系統的機構和控制方法做介紹。

2 康復訓練系統機構設計

根據人體手指的生理結構特征，如圖2所示，人體手指的各種動作主要是依靠肌肉帶動指骨，進而改變關節之間的位置實現的，其中，拇指的動作主要與腕掌關節(CM)，掌指關節(MP)，指間關節(IP)有關，除拇指之外的其余四指結構相似，主要由掌指關節(MP)、近端指關節(PIP)、遠端指關節(PIP)決定其運動[7]，由此，設計如圖3所示的手功能康復訓練機構。機構主要由手指訓練機構和驅動傳感裝置兩部分組成，手指訓練結構分為拇指訓練結構和食指訓練機構，驅動傳感裝置包括光電編碼器，直流電機、磁流變液阻尼器和力矩傳感器。如圖3，拇指訓練機構由兩組驅動傳感裝置控制，分別幫助拇指完成彎曲/伸直運動和外展/內收的運動；食指訓練機構由一組驅動傳感裝置控制，實現食指的彎曲/伸直運動。下面分別對食指、拇指訓練機構進行介紹。

圖2 人體手指生理結構

圖3 手指康復訓練系統機構

2.1 食指訓練機構

根據食指的結構和運動特點，設計如圖4(a)所示的機構輔助食指實現平面內的彎曲/伸直運動，整體采用連桿機構，由4個連桿、2個指套和1個固定座組成，其中驅動桿連接驅動軸，帶動整個機構運動。在機構中，由于后端指套在前后連接桿上運動的行程很短，因此在前后連接桿上設置了光滑導槽，后端指套在導槽中作短距離滑動，在前、后指套分別安裝尼龍貼用于固定手指。當患者使用時，機構在一組驅動傳感裝置的控制下，帶動食指完成掌指關節(MP)和近端指間關節(PIP)的彎曲/伸直運動。如圖4(b)為食指使用機構時的示意圖，此外，由于相似的生理結構和動作，此機構同樣適用于中指，無名指的康復訓練。

2.2 拇指訓練機構

人手的拇指和其他4個手指在生理結構上有所不同，在于拇指只有一個指間關節(IP)，但是腕掌關節(CM)的運動更加靈活，可以配合其他手指完成拿、捏等動作，因此拇指訓練機構的設計不同于其他手指?？紤]到拇指指間關節活動范圍小，本設計中拇指訓練機構只提供掌指關節(MP)的彎曲/伸直運動和腕掌關節的外展/內收運動，其中腕掌關節的外展/內收的動作在日常生活中的使用尤為頻繁，可以想象此動作軌跡類似與頂點位于手腕處的圓錐面，因此設計如圖5(a)所示的拇指運動機構，采用兩組驅動傳感裝置分別實現兩種運動。其中，驅動T1帶動拇指訓練機構在兩塊擋板之間實現彎曲/伸直運動，驅動T2與T1相配合帶動拇指頂部做圓錐運動，從而實現外展/內收的動作?？紤]到拇指關節不能旋轉，因此在做外展/內收運動時需要一個輔助的萬向節機構，如圖5所示。

圖4 食指訓練機構

圖5 拇指訓練機構

3 控制系統設計

3.1 控制電路總體結構設計

康復訓練系統下位機控制電路采用模塊化設計，包括主控制器模塊、通信模塊、驅動控制模塊、傳感器數據采集模塊和電源管理模塊，如圖6所示。其中，主控制器模塊使用CORTEX-M3內核的LPC1700系列ARM芯片，該芯片具有豐富的外設接口，滿足康復訓練系統的需要。

圖6 下位機控制電路

3.2 驅動傳感裝置選型及設計

3.2.1 力矩傳感器

為了使下位機控制系統能夠實時采集到患者使用康復訓練裝置時手指受力信息，本系統采用SY-8414-D型電阻應變式靜態扭矩傳感器測量輸出軸力矩，其參數如表1所示，傳感器信號通過SY-BSQ-3型的變送器，轉換為0～5 V的標準電壓通過A/D轉換輸入到ARM芯片進行處理。由采集到的力矩信息和機構尺寸信息，計算得到患者使用過程中的手指受力。

表1 力矩傳感器參數

3.2.2 光電編碼器

手指康復訓練系統使用型號為E40S6的增量式光電編碼器，根據旋轉方向對編碼器轉軸轉動時輸出的脈沖信號進行計數，檢測患者使用過程中手指的位置和手指運動的速度等信息。

3.2.3 磁流變液阻尼器

本系統使用圓盤式磁流變液阻尼器作為力反饋執行裝置的無源執行器，在患者主動施加力時，產生相應的阻力。其結構圖和實物圖如圖7所示。阻尼器主要由轉子(旋轉盤)、定子(固定盤)、絕磁環、線圈、軸、密封圈和外殼等部分組成。其中，線圈緊繞在絕磁環上，殼體內充滿了磁流變液，在軸孔處和殼體的密封處各設有密封圈以防止磁流變液漏出，殼體、線圈、轉子以及各部分間隙內的磁流變液共同組成了一個磁路[8]。殼體中充滿的磁流變液由易磁化微粒、載液和穩定劑組成，線圈不通電時，殼體內沒有磁場，磁流變液呈現牛頓流體狀態，當線圈通電時，隨著電流的增大，殼體內磁場增強，液體的粘度也會隨之增大并最終失去流動性變為固態，在此過程中阻尼器的輸出力矩也會逐漸變大，因此可以通過控制流入磁流變液阻尼器中線圈的電流大小調節其輸出力矩，從而在患者使用時，能夠產生相應的力反饋。

圖7 磁流變液阻尼器裝配圖與實物圖

3.2.4 直流電機

在進行手指訓練時，需要主動型驅動執行器來牽引手指機構的運動，主要考慮以下幾個因素：① 能夠長時間工作在低速或者是堵轉的狀態下；② 能夠提供滿足條件的轉矩，且易于控制、穩定性好；③ 安全可靠且使用壽命長。

根據以上要求，本設計選用的是LYX系列55LYX04稀土永磁直流力矩電機，電機相關參數如表2所示，它可以長時間工作在低轉速甚至是堵轉的狀態下，不需要經過齒輪減速而直接帶動負載，并且能提供足夠大的扭矩。

表2 直流電機參數

3.3 康復訓練模式

本康復訓練裝置采用有源/無源混合的力反饋交互驅動裝置，將電機與磁流變液阻尼器相結合，康復訓練系統主要有兩種訓練模式，被動訓練模式和主動訓練模式。在被動模式下，直流電機作為有源執行器，當電機帶動手指進行運動時，由于電機的超調特性，在接近目標位置時，使用磁流變液阻尼器輔助其停止，使患者在使用過程中手指的運動更加穩定、安全[9]。同時利用光電編碼器和力矩傳感器實時測量機構運動速度和患者手指受力情況，防止患者手指由于運動速度過快造成損傷。被動訓練設置控制流程圖如圖8所示。

圖8 被動訓練控制流程圖

在主動訓練中，上位機通過與下位機ARM通信，控制流入磁流變液阻尼器電流大小，完成對阻力的設置?；颊呤种傅挚棺枇υ谝欢ǚ秶鷥茸鱿鄳挠柧殑幼?，為了提高患者訓練積極性，在主動模式下，設計不同的小游戲用于提高患者的使用體驗。相應的主動訓練模式流程圖如圖9所示。兩種訓練模式相互結合，有助于患者更加科學、有效地完成康復療程。

4 實驗

為了測試手功能康復訓練系統的有效性，在完成系統調試后，進行了實驗驗證，通過光電編碼器記錄在被動訓練一個周期內手指運動機構的轉動角速度，并用力矩傳感器記錄主動模式下手指往返一周期的受力信息，以食指為例，其曲線圖分別如圖10(a)、圖10(b)所示。從圖中可以看出，在進行被動訓練時，手指訓練機構的轉動速度曲線平滑，患者手指受力。由此可見，加入了磁流變液阻尼器的主被動混合力反饋交互驅動裝置，不僅使得運動更加平穩，更大大提高了系統的安全性，在主動訓練中，通過對流入磁流變液阻尼器電流的控制，使得患者可以感受到穩定的力反饋。

圖9 被動訓練控制流程圖

圖10 手指運動機構的轉動角速度

在進行連續被動訓練實驗時，對食指訓練機構的驅動軸轉動角度與人手關節轉動角度進行了測量與分析，如圖11所示。從圖中可以看出，食指驅動軸在0～90°范圍轉動時，掌指關節和近端指間關節活動范圍可分別達到0～87°和0～108°。

圖11 被動訓練食指關節轉動角度

在進行拇指被動訓練時，通過測量驅動軸T1、T2轉動角度，得到拇指的掌指關節活動范圍為0～76°，腕掌關節活動范圍為0～83°，滿足了手指關節轉動的需要。

在保證系統的可靠性與穩定性的基礎上，本項目以一名偏癱患者為實驗對象，對系統的有效性進行相關的實驗研究。該患者手指不能進行主動的運動且手指關節呈現僵硬、攣縮等癥狀，按照臨床上康復訓練的強度，本次實驗為期15 d，每天上、下午讓患者使用本系統進行45 min的被動訓練，如圖12所示；記錄患者每天食指、拇指所能承受的最大運動范圍，實驗數據如圖13所示?？梢娀颊咴谑褂帽鞠到y進行訓練后，手指關節的運動范圍呈現明顯增大趨勢，說明本系統能夠有效地幫助患者恢復手指運動功能。

圖12 偏癱患者進行康復訓練

5 結論

本文設計了一種基于力反饋的用于偏癱患者手功能康復的訓練系統。詳細描述了康復訓練系統的組成，并對設計的訓練機構進行運動學分析。為了實現訓練過程的穩定性和安全性，采用了主被動混合力反饋交互驅動的控制方法。對系統進行了實驗驗證，結果表明設計的手功能康復訓練系統具有可行性和可靠性。

圖13 偏癱患者手指關節運動范圍