一種用于康復(fù)訓(xùn)練的人機(jī)工程機(jī)械手臂設(shè)計(jì)

◇常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 許立波 杜 茵 靳 敏

本文的目的是開發(fā)一種可用于家庭及康復(fù)中心的人機(jī)工程機(jī)械手臂。與現(xiàn)有的康復(fù)設(shè)備相比，此設(shè)備輕便、成本低、可攜帶，可為不同程度損傷的患者提供適合手部、腕部和前臂的多種治療性鍛煉。本研究不僅是康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域的熱門話題和前言，而且可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 引言

腦卒中是由急性腦血管疾病引起的持續(xù)性的大腦神經(jīng)功能缺損，全球85%的腦卒中患者患有偏癱癥狀，患者中中年人居多。腦卒中已經(jīng)成為造成中國、歐洲、美國及其他許多國家的成年人長期殘疾的主要原因，并消耗了大量的社會(huì)醫(yī)療資源。

腦卒中患者可出現(xiàn)多種神經(jīng)功能缺損癥狀，其中偏癱和運(yùn)動(dòng)障礙最為常見，而上肢殘疾患者的手功能障礙往往臨床表現(xiàn)為屈曲攣縮、肌力降低、肌張力異常、手指靈活性降低、肢體麻木、拇指運(yùn)動(dòng)范圍減小、精確抓捏、側(cè)捏、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性降低、力量協(xié)調(diào)性降低等，也會(huì)喪失一部分觸覺感知和本體感受功能，失去對運(yùn)動(dòng)的反饋感知。有報(bào)道顯示，超過70%的腦卒中患者在發(fā)病初期存在上肢功能障礙，在發(fā)病4個(gè)月后，仍有超過35%的患者存在手部精細(xì)功能下降的情況。

康復(fù)訓(xùn)練是促進(jìn)這些患者恢復(fù)的主要方法。但是由于傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練治療時(shí)間很長，并且無論是在發(fā)展中國家還是發(fā)達(dá)國家，都始終缺乏合格的治療師。因此，替代傳統(tǒng)治療方法的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的研發(fā)非常有必要。當(dāng)前的產(chǎn)品主要存在以下方面的不足：第一，目前多數(shù)的上肢康復(fù)結(jié)構(gòu)無法做到靈活控制，與人體上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)不匹配；第二，現(xiàn)有的康復(fù)機(jī)構(gòu)僅能將手操縱成簡單的拳頭屈曲，無法重現(xiàn)康治療師對患者進(jìn)行的康復(fù)訓(xùn)練效果；第三，外骨骼類型的康復(fù)機(jī)構(gòu)一般結(jié)構(gòu)龐大，而且由于不便于攜帶以及對患者不夠安全，實(shí)際上并不適合殘疾人士。

本研究的目的是開發(fā)一種可用于家庭及康復(fù)中心的人機(jī)工程機(jī)械手臂。與現(xiàn)有的康復(fù)設(shè)備相比，此設(shè)備輕便、成本低、可攜帶，可為不同程度損傷的患者提供適合手部、腕部和前臂的多種治療性鍛煉。本研究不僅是康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域的熱門話題和前言，而且可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和工程應(yīng)用價(jià)值。

2 人體康復(fù)機(jī)器人上肢運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

為了緩解和恢復(fù)病人的上肢運(yùn)動(dòng)，基于人體上肢的關(guān)節(jié)和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了建模。考慮到康復(fù)機(jī)械手臂使用者的使用安全，并在進(jìn)行日常必需的活動(dòng)（例如進(jìn)食、抓握、梳洗等）方面提供幫助，對上肢運(yùn)動(dòng)解剖范圍進(jìn)行了初步研究，為此康復(fù)機(jī)械手臂確定了合適的活動(dòng)范圍。

本文使用普通人手的基本力學(xué)行為來簡化設(shè)計(jì)，此康復(fù)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)如圖1所示，包括四個(gè)手指屈-伸運(yùn)動(dòng)，大拇指屈-伸運(yùn)動(dòng)，手腕屈-伸運(yùn)動(dòng)，手腕橈-尺偏運(yùn)動(dòng)及前臂內(nèi)翻-旋后。康復(fù)機(jī)械手臂可實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)范圍如表1所示。

圖1 上肢康復(fù)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)

表1 上肢康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍

根據(jù)典型成年人的關(guān)節(jié)和活動(dòng)范圍為模型，分析上肢的運(yùn)動(dòng)特征，建立了修正的D-H參數(shù)表，如表2所示。為了獲得DH參數(shù)，在此假設(shè)坐標(biāo)系（即在連續(xù)的旋轉(zhuǎn)軸之間映射的鏈接框架，如圖2所示）與關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸一致并且具有相同數(shù)量的階數(shù)，這些D-H參數(shù)用于獲得齊次傳遞矩陣。

圖2 鏈接框架分配

表2 修正的D-H參數(shù)

3 人體康復(fù)機(jī)器人上肢機(jī)械結(jié)構(gòu)

該設(shè)計(jì)主要有兩大部件組成，手臂康復(fù)訓(xùn)練部分（圖3）和拇指康復(fù)訓(xùn)練部分（圖4）。手臂部分包括由三個(gè)線性執(zhí)行器操作的連桿機(jī)構(gòu)，以方便手、手腕及前臂的鍛煉。使用時(shí)，柔軟的腕帶穿過前臂板1后方的兩個(gè)槽穿戴在患者前臂上，手掌板5位于患者手背位置，前臂板1通過萬向節(jié)機(jī)構(gòu)4與手掌板5浮動(dòng)連接，腕帶繞過手指板7上的槽與患者手指相連。手及腕部的鍛煉由三個(gè)線性執(zhí)行器控制，以更好地促進(jìn)康復(fù)。拇指康復(fù)訓(xùn)練部分由前關(guān)節(jié)1、后關(guān)節(jié)3、連桿機(jī)構(gòu)4、直線驅(qū)動(dòng)器5及L型聯(lián)結(jié)組成。后關(guān)節(jié)上的U型聯(lián)結(jié)2與前關(guān)節(jié)左右的側(cè)板通過U型聯(lián)結(jié)浮動(dòng)連接，前后關(guān)節(jié)組成的拇指部分通過連桿機(jī)構(gòu)4與直線執(zhí)行器5連接，整個(gè)機(jī)構(gòu)可通過L型聯(lián)結(jié)6與其他機(jī)構(gòu)連接。使用時(shí)，通過柔軟的腕帶戴在患者拇指上，機(jī)械拇指包括前關(guān)節(jié)與后關(guān)節(jié)，通過連桿相連接，并分別與拇指的前指骨、后指骨相接觸。機(jī)械拇指部分與線性執(zhí)行器浮動(dòng)連接，控制拇指在特定范圍內(nèi)的屈-伸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了拇指的鍛煉與訓(xùn)練，以更好地促進(jìn)患者康復(fù)。

圖3 可穿戴式機(jī)械手臂康復(fù)機(jī)構(gòu)

圖4 拇指康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)

4 結(jié)語

本文提出的設(shè)計(jì)新穎、輕巧、可攜帶，穿戴方便舒適，在一定范圍內(nèi)適應(yīng)了手臂及手指長度的個(gè)體差異，可為不同程度的手部/腕部/拇指損傷的患者提供治療性訓(xùn)練，不僅適用于臨床，也適用于居家康復(fù)訓(xùn)練。患者可以自行或者在康復(fù)醫(yī)師的遠(yuǎn)程幫助下進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，這將提高患者的康復(fù)率，并降低患者家庭及社會(huì)的成本。