一種模塊化的腕關節康復訓練器設計與仿真

石文韜，孟青云，喻洪流，郭 帥

（1.上海理工大學康復工程與技術研究所；2.上海健康醫學院；3.上海康復器械工程技術研究中心；4.民政部神經功能信息與康復工程重點實驗室；5.上海大學—上海機器人產業技術研究院，上海 200093）

0 引言

腦卒中又稱為腦中風，是一種在中老年人群中常見的多發癥，具有發病率、致殘率高的特點，會導致患者發生偏癱，出現運動功能障礙和認知功能障礙等，其中上肢功能障礙患者占大多數。從2000 年起，我國進入老齡化社會行列，60 歲、65 歲及以上人口分別占總人口的10.46% 和6.96%，這兩個數字在2010 年人口普查時上升為13.26%和8.87%，并在2015 年1%的人口抽樣調查中進一步上升至16.15%和10.47%。根據預測，中國老年人總數在2025 年將超過3 億人，2033 年將達到4 億人［1-2］。近年來，我國腦卒中患者數量不斷攀升，每年新發腦卒中病例的增速達到8.7%，但是目前我國公立醫院的康復醫學執業醫師僅占整體執業醫師的0.8%［3］。

1 腕部康復訓練器研究現狀

隨著科學技術的發展，康復訓練機器人的出現在一定程度上緩解了當前康復醫師資源不足的問題。根據已有資料顯示，一般的腕部康復訓練設備主要分為兩種：一種是單獨用于腕部的康復訓練裝置，這種設備具有很強的針對性，針對單一的腕部關節進行康復訓練，但是無法進行上肢的綜合訓練。研究發現，由腦卒中等心腦血管疾病引發運動功能障礙的患者一般會伴隨一定程度的上肢運動功能障礙，對患者進行上肢的綜合訓練可幫助患者縮短康復時間；另一種是集成在上肢康復機械臂末端的腕部康復訓練機構，這種機構一般用于配合上肢的綜合康復訓練，但是針對腕部的康復訓練，一般都設計為主動訓練模式或自由度較少的被動訓練模式，且整體結構比較復雜。臨床研究發現，復雜、龐大的康復訓練機構會對康復訓練患者造成一定的心理壓力，不利于患者的恢復進程。近年來，康復訓練機器人逐漸朝輕便化、小型化、家庭化方向發展［4］。

1.1 單獨用于腕部的康復訓練裝置研究現狀

通常情況下，腕部康復機器人包含主動訓練和被動訓練兩種訓練模式，其中被動訓練模式由機構運動帶動患者腕部進行康復訓練，適用于肌無力和肌肉力量微弱的患者。主動訓練模式適用于有一定肌力的患者進行腕部康復訓練，在該模式下，患者可根據自己的意圖完成一些比較復雜的康復訓練動作，有助于縮短患者康復訓練時間。因此，大部分腕部康復訓練機器人的設計都采用主/被動混合的康復訓練模式。

圖1 為近年來腕部康復訓練設備的部分研究成果，A是由意大利比薩圣安娜大學研發的WRES 腕部康復訓練機器人，B 是由美國明尼蘇達大學研發的Wrist robotic Device（WD）腕部康復訓練機器人，C 是由美國舊金山州立大學研發的Wrist Gimbal（WG）腕部康復訓練機器人［5］，D、F 均是由美國萊斯大學研發的Open Wrist（OW）和Rice Wrist-S（RW-S）腕部康復訓練機器人［6-7］，E 是由南非大學研發的R W-P 腕部康復訓練機器人［8］。

Fig.1 Research results in related fields圖1 相關領域研究成果

在單獨用于腕部康復訓練的設備中，近年來的研究中均已實現了腕部3 自由度的主/被動訓練，但各設備在腕部訓練中能達到的運動角度范圍有所差異，部分設備甚至不能滿足正常人腕部所能達到的運動角度范圍。表1 對幾種腕部訓練設備性能進行了詳細的比較分析。

Table 1 Performance comparison of wrist rehabilitation training equipment表1 腕部康復訓練設備性能比較

通過各種設備之間的比較，發現大部分腕部訓練設備只能單獨用于腕關節訓練。OW 腕部康復訓練機器人采用半開闊式設計，可結合部分手部康復訓練設備對手腕進行綜合訓練；WRES 采用繩驅懸梁結構及單側支撐的設計方式，可與部分上肢康復訓練機械臂相結合進行綜合訓練，但該結構采用的將電機設置在懸臂末端的方式會對機械臂造成較大的承重負擔，而且環形滑軌也會使整個機構顯得臃腫。盡管如此，越來越多跡象表明訓練方式開始從傳統的單關節訓練轉向多關節綜合型訓練，康復設備也從傳統的一體化設計轉向模塊化設計。

1.2 集成在機械臂上的腕部康復訓練裝置研究現狀

上肢康復訓練機器人的出現逐漸替代了康復醫師的部分工作，減輕了醫師負擔，在一定程度緩解了康復資源不足的問題。在早期對上肢康復領域的研究中主要針對肩關節和肘關節的4 個自由度進行康復訓練，對于腕部的康復訓練通常采用簡單的1 個自由度進行訓練，或者直接忽略腕部的康復訓練。近年來，隨著技術的進步，上肢康復訓練機器人的機構末端逐漸增加了腕關節相關訓練設計，單一自由度的主動訓練也逐漸被電機驅動的被動訓練所替代，上肢康復訓練機器人研究人員也越來越重視對腕關節康復訓練的研究。

圖2 為近年來上肢康復訓練機器人相關研究的部分成果，其中A、B、C 為美國天主教大學研發的ARMin 系列［9-11］，D 是由美國華盛頓大學研發的CADEN-7 上肢康復訓練外骨骼［12-13］，E 是由美國西北大學研發的IntelliArm 上肢康復訓練機器人［14］，F 是由加拿大麥吉爾大學研發的MARES-5 上肢康復訓練機器人［15］。

上肢康復機器人通常具有自由度多、結構復雜等特點，具有7 自由度的上肢康復訓練機器人通常包括肩部3個自由度和腕關節3 個自由度，且3 個自由度匯聚在人體同一關節處。肩關節靠近訓練升降臺，其大部分重量直接作用于升降臺，肩部訓練機構及重量對機械臂的整體影響最小，但腕部3 自由度的訓練機構大小和重量會對整條機械臂產生很大影響，特別是上肢的前屈/后伸動作。腕部機構重量會對肩關節的旋轉位置產生巨大的扭矩，嚴重的甚至會對機構造成破壞。目前上肢康復訓練機器人通常采用一體化結構設計，近年來上肢康復機械臂末端逐漸增加了腕關節被動訓練，其目的也是為了更好地促進病人恢復健康。綜上幾種上肢康復訓練機器人，可帶動人手腕進行被動訓練的腕部結構一般比較龐大，且十分沉重，需要依靠龐大的機械臂支撐，而且部分機器人腕部采用主動訓練的方式，這種訓練方式雖然結構簡單、輕巧，但只適用于手部具有一定肌力的患者使用，對肌無力或肌力較為微弱的患者沒有康復效果。因此，在上肢康復訓練機械臂末端增加腕部被動訓練機構對患者恢復健康可具有一定的促進作用，簡化腕部機構及縮減機構重量將會是未來腕部機構設計研發的重點。

Fig.2 Performance comparison of wrist rehabilitation training equipment圖2 上肢康復機器人相關研究成果

2 腕部康復訓練器結構設計

圖3 是該腕部康復訓練裝置的三維模型，機構本體設計了2 個旋轉自由度，通過2 個旋轉自由度的配合，以滿足腕部3 個自由度的康復訓練要求，采用繩驅的結構設計實現電機后置，不但減輕了機構末端重量，而且可有效避免出現外形笨重的情況，整體顯得更加協調、緊湊及實用。

Fig.3 Wrist rehabilitation trainer model圖3 腕部康復訓練器模型

2.1 腕關節結構設計與運動特性分析

腕部作為人體上肢執行末端的連接點，腕關節的健康與靈活對于提高人們生活質量具有十分重要的意義。腕關節由橈腕關節、腕骨間關節、腕掌關節組成，其中橈腕關節是典型的橢圓關節，可以繞兩個軸運動，完成掌屈/背屈（FE）、尺屈/橈屈（AA）以及內旋/外旋（PS）的腕部動作［16］。腕部康復訓練機器人主要針對腕部的3 個自由度進行訓練，在腕部康復訓練機器人分析中，定義腕部3 個自由度如圖4 所示。

Fig.4 Schematic diagram of three degrees of freedom of the wrist圖4 腕部3 個自由度示意圖

腕部康復訓練器機構示意圖如圖5 所示。

Fig.5 Wrist rehabilitation trainer mechanism圖5 腕部康復訓練器機構

2.2 腕關節康復訓練裝置模塊化設計

傳動機構設計如圖6 所示。

Fig.6 Transmission mechanism圖6 傳動機構

以上的機構原理圖闡明了機械傳動原理，傳動機構模型闡明了電機及傳動單元的位置關系。綜合兩圖來看，電機M2通過繩s21和繩s22傳遞至以q3為旋轉軸心的線輪盤，帶動機構對應做腕關節掌屈/背伸或尺屈/橈屈動作。電機輸出角速度ω（rad/s）與腕關節擺動角度θ（rad）之間的運動學關系可表示為：ω2R2t=θ3r3，其中θ3的角度變化范圍為掌屈/背伸：-45°/+45°，尺屈/橈屈：-30°/+30°。進一步地，為消除繩驅前一關節轉動對后面關節產生的影響，保持手柄在動作過程中處于穩定狀態，需要電機M1對此作出運動補償，補償方向與M2電機輸出線輪轉動方向一致（見圖6（a））。補償運動學關系為：ω1R1t=θ3r1，修正后的運動關系可表示為：

電機M1單獨作用可控制腕部內旋/外旋動作，電機輸出角速度ω（rad/s）與腕關節擺動角度θ（rad）之間的運動學關系可表示為：ω2R2t=θ3r3，其中θ3的角度變化范圍為內旋/外旋：-85°/+85°（“+”、“-”表示正向反向）。

腕部機構的通用連接主要包括腕部康復訓練裝置與上肢康復訓練設備的連接以及手部康復設備的連接。圖7為5 種應用場景，其中A、B 場景為腕部康復訓練裝置結合手部電刺激在上肢外骨骼及電動輪椅方面的應用，C 為單獨腕部康復訓練場景，D 為腕部康復訓練裝置在中央驅動上肢康復機器人機械臂末端的應用，E 為腕部康復訓練裝置與手部訓練設備相結合對整個前臂進行綜合訓練的場景。

Fig.7 Common interface application scenarios圖7 通用接口應用場景

3 腕部康復訓練器控制系統設計

3.1 控制系統整體設計

根據設計要求，可分離式腕部三自由度訓練機器人整體硬件電路設計包含電源模塊、主控制器模塊與動力驅動模塊［17］。各個模塊之間分工與合作如圖8 所示。

Fig.8 The overall framework of the control system圖8 控制系統整體框架

3.2 電機驅動系統硬件設計

單片機可以實現電機的換向功能，但由于單片機的IO帶負載能力較弱，而直流電機是大電流感性負載，需要功率放大器。TB6612FNG 具有大電流MOSFET-H 橋結構，雙通道電路輸出，可以同時驅動2 個電機。相比較為熟悉的L298N，該驅動器無需外加散熱片，且外圍電路簡單，只需外接電源濾波電容即可直接驅動電機，有利于減小系統尺寸［18］。電機驅動原理如圖9 所示。

Fig.9 Motor drive principle圖9 電機驅動原理

其中，VM 引腳直接接24V 電池，VCC 內部供電，一般為3.3V 或5V 均可，模塊的3 個GND 只需接1 個即可，STBY引腳置于高電平即能正常工作。

圖9 中紅色區域控制電機A，藍色電機區域控制電機B，這里只介紹其中的A 路電機控制。B 路電機控制方法相同，A01 和A02 分別接電機正極和負極，通過PWM、AIN2、AIN1 引腳控制電機。其中，PWM 接單片機定時器的PWM引腳，通過改變占空比調節電機轉速。電機真值表如表2所示。

Table 2 Truth table表2 真值表

3.3 藍牙模塊硬件電路設計

本文選用HC-05 的藍牙串口通信模塊，該模塊的無限工作頻段為2.4GHz ISM，最大發射功率為4dBm，接收靈敏度為-85dBm，可實現在較大范圍內接收信號，同時實現10m 距離通信。藍牙模塊原理如圖10 所示。

Fig.10 Bluetooth module principle圖10 藍牙模塊原理

3.4 腕部康復訓練控制系統設計

人體腕關節包含3 個自由度，且自由度之間可以單獨活動。因此，本文采用單獨的按鍵控制腕關節的1 個自由度訓練，實現以簡單的控制方式實現訓練要求［19］。

Fig.11 Training mode program framework圖11 訓練模式程序框架

3.4.1 腕部掌屈/背屈模式程序設計

首先在上電之后，對各個節點狀態進行初始化，運動通過直接按鍵或上位機按鍵選擇電機處于腕關節屈伸模式訓練狀態，并設置電機A、B 的參數；接著給定電機A、B運動的目標位置，啟動電機；電機A 靜止不動，電機B 開始正轉，同時檢測串口輸出電機運轉速度和圈數，上傳到上位機用于反饋調節；到達目標位置之后電機開始反轉，反轉到初始位置后電機正轉，在設定的訓練周期里如此反復進行運動訓練。掌屈/背屈模式程序框架如圖12 所示。

3.4.2 腕部尺屈/橈屈模式程序設計

首先在上電之后，對各個節點狀態進行初始化，運動時通過直接按鍵或上位機按鍵選擇電機處于腕關節內收外展模式訓練狀態，并設置電機A、B 的參數；接著給定電機B 運動的目標位置，啟動電機，電機A 先轉動90°，然后停止，之后電機B 開始正轉，檢測串口輸出電機運轉速度和圈數，上傳到上位機用于反饋調節；到達目標位置之后電機B反轉，反轉到初始位置后開始正轉，在設定的訓練周期里如此反復進行運動訓練。尺屈/橈屈模式程序框架如圖13所示。

3.4.3 腕部內旋/外旋模式程序設計

首先在上電之后，對各個節點狀態進行初始化，運動時通過直接按鍵或上位機按鍵選擇電機處于腕關節屈伸模式訓練狀態，并設置電機A、B 的參數；接著給定電機A、B運動的目標位置，啟動電機，電機A 開始正轉，電機B 處于初始化停止狀態，檢測串口輸出電機運轉速度和圈數，上傳到上位機用于反饋調節；到達目標位置之后，電機A 反轉，反轉到初始位置后開始正轉，在設定的訓練周期里如此反復進行運動訓練。內旋/外旋模式程序框架如圖14 所示。

Fig.12 FE mode program framework圖12 掌屈/背屈模式程序框架

Fig.13 AA mode program framework圖13 尺屈/橈屈模式程序框架

Fig.14 SP hand bend/back bend mode program framework圖14 內旋/外旋模式程序框架

4 腕部康復訓練器實驗數據分析

4.1 數據采集

本文采用JY901 型姿態角度傳感器對這款腕部康復訓練器的運動范圍進行實驗，將姿態角度傳感器安裝在訓練旋轉軸上［20-21］，安裝位置如圖15 所示。

Fig.15 Sensor location installation drawing圖15 傳感器安裝位置

通過USB 轉串口模塊連接電腦，打開上位機，通過配套的上位機軟件采集所需的角度數據，如圖16 所示。

Fig.16 Sensor upper computer interface圖16 傳感器上位機界面

4.2 數據分析

由于人體腕部訓練運動范圍在不同文獻資料中的定義不同，且考慮到患者活動范圍小于健康人體的活動范圍，所以設置掌屈/背伸的運動角度范圍不大于±45°，尺屈/橈屈的運動角度范圍不大于±30°，內旋/外旋的運動角度范圍不大于±85°［22］。通過姿態角度傳感器對這款腕部康復訓練器的實驗數據進行采集，得到機構運行角度數據，對采集的數據進行處理后得到可視化結果如圖17 所示。

Fig.17 Experimental data processing results圖17 實驗數據處理結果

從實驗結果可以看出，這種基于模塊化理念的腕關節康復訓練器設計指標適合人體腕部運動范圍，能夠滿足患者需求。

5 結語

傳統研究對于腕部的康復訓練只針對單個關節，難以配合其他關節進行復雜的康復訓練，本文通過簡化機構，以及在執行末端添加通用接口的方式實現了與其他設備的互聯；以往的腕部康復訓練器存在體積過大的問題，本文通過繩驅設計實現了電機的位置轉移，縮小了設備體積；采用藍牙通訊的方式可更方便患者進行自主訓練，為接下來的語音交互功能與可視化操作界面設計打下基礎。樣機實驗結果表明，該腕關節康復訓練裝置機構運行流暢，能實現基本功能，但后續還需要進一步完善。