一種繩索驅動的手指康復裝置設計

鄭旸初，李美琴，王文安

（溫州理工學院 智能制造與電子工程學院，浙江 溫州 325035）

隨著人口老齡化的增長，老年人身體素質和柔韌性的下降導致了眾多疾病的產生，其中中風是典型的疾病之一。在現代醫學的幫助下，越來越多的老年人可以在中風后存活，但絕大多數中風患者都伴有不同程度的功能障礙。許多患者由于中風從而導致手指活動能力不足，手指力量缺失[1]。手指作為身體重要的感覺器官，扮演著一個非常重要的角色。因此對于此類患者，手指的康復顯得非常重要。相關研究證明手指功能受損的患者積極進行相關功能的康復訓練，可以使大腦皮層組織的相關功能進行重組，從而獲得比較好的效果。

手指康復訓練的發展經過幾個時期，自動式康復裝置的出現，使得患者可以進行持久的、可控的手部康復訓練，并可以通過傳感器技術對訓練過程中的數據進行檢測和采集，并通過數據分析來研究合理的訓練模式和評估患者的康復狀況。手指康復器主要的驅動方式有剛性結構驅動、繩索驅動、氣動驅動、記憶合金驅動等[2]，雖然各個研究機構為手指康復提供了一系列裝置，但往往結構比較復雜。因此，本文針對手指活動能力不足的患者，提出一種通過指尖驅動整個手指的手指康復器，該裝置由一個多關節指套和繩索驅動裝置組成，能夠實現手指的訓練功能。

1 整體結構設計

1.1 指套設計

人的手部結構及運動的復雜程度很高，為了設計一套合理的手指康復裝置，需要對手部進行分析，除拇指之外的四指的結構包括掌指關節、近指端關節和遠指端關節，掌指關節具有兩個自由度。通過查閱相關資料，獲得各個手指的長度和運動范圍情況[3-4]，其中食指近端指節42~51 mm，中間指節25~30 mm，遠端指節22~27 mm。手指的運動范圍一方面受到骨骼間的韌帶和肌肉間的肌腱等生理結構的約束，另一方面也受制于關節與關節之間的耦合運動，比如在手指彎曲的過程中，遠指端關節會跟隨近指端關節運動，遠指端關節和近指端關節很難單獨進行運動，而且根據個體的不同，運動情況也有所不同[5-6]，手指的運動范圍見表1。

表1 手指運動范圍

在設計中充分考慮以上兩方面的問題，將運動特性與穿戴的舒適性結合。根據手指尺寸范圍取中位數，來確定各關節指套的長度。以食指為例，指套的總尺寸為65 mm×27 mm×22 mm。結構為三段式指套，如圖1所示，近端指節、中間指節、遠端指節通過鉸鏈連接，鉸鏈處的圓盤式阻尼使運動速度更平滑，加速減速平緩。

圖1 指套結構

1.2 運動空間計算

為了計算手指的運動過程，需要根據關節的長度和關節的角度建立坐標系，從而得到指尖的工作空間信息[7-8]。首先建立一個通用模型，設近端指節長度為L1，中間指節長度為L2，遠端指節長度為L3，掌指關節角度為θ1，近指端關節角度為θ2，遠指端關節角度為θ3。如圖2所示。

圖2 手指結構和指尖運動空間

以手掌中心為坐標原點建立坐標系，其中指尖坐標為：

根據掌指關節、近指端關節和遠指端關節的角度限值以及食指的尺寸中位數，計算得到指尖的工作空間。根據工作空間的計算結果，取其中x為0~60 mm的一段曲線設計導向板，從而使手指在合理的范圍內進行運動。

1.3 驅動裝置設計

本設計采用無刷直流電機作為動力源，無刷直流電機的運轉效率、低速轉矩、轉速精度都很高，并且能夠比有刷直流電機力矩控制更加精準。設備包括底座、手腕臺和手指運動裝置，手指運動裝置包括電機支架、電機、繩索、導向板、導向桿、彈簧、指套支架、控制器、三段式指套，結構如圖3所示。電機主軸通過絞盤連接繩索，繩索的另一側連接導向板中的導向桿，導向桿固定連接在指套的端部。當電機主軸向一方向轉動時，繩索牽引導向桿移動，從而可使指套卷曲。當電機主軸向另一方向轉動時，彈簧用于提供拉力，指套在彈簧的作用下回到初始位置，從而實現往復運動。

圖3 整體結構

原型中三段式指套采用TPU材料打印制作，其余結構件采用PLA材料打印制作，指套主要考慮到手指的舒適性因此采用TPU軟質材料，實際使用時可以根據使用者的手指尺寸來進行定制。

2 控制部分設計

手指康復裝置的控制系統主要包括硬件和軟件，其中硬件包括控制器、電機驅動、觸摸屏、傳感器4個部分，控制器采用樹莓派，觸摸屏采用的是與樹莓派DSI接口適配的5英寸電容屏，電機驅動采用無刷電機驅動器，傳感器采用光纖光柵。軟件主要分為人機界面和串口通信兩部分。人機界面使用pyqt5來制作，界面中包含啟動、停止、速度控制等按鍵。界面上顯示鍛煉次數和當前的運動速度，以此實現人機交互功能。電機的驅動器以STM32作為主控，采用FOC算法驅動無刷電機，驅動器和樹莓派分別進行運動控制和人機交互的任務，運動控制頻率高，人機交互界面流暢，兩者通過USB接口的方式進行通信。驅動器的FOC算法精確地控制磁場大小與方向，使得電機的運動轉矩平穩、噪聲小、效率高，配合PID的整定，運行具有高速的動態響應，如圖4所示。

圖4 控制示意圖

串口通信需要設計通信協議，驅動器上通過ch340芯片將USB信號轉換成UART信號，為了實現穩定高效的速度控制功能，通信協議必須簡潔，因此設計為幀頭校驗無幀尾校驗的模式，驅動器上傳數據的幀頭采用星號進行校驗，因為比較特殊，可以與數字信息進行區分。之后跟上2個字節的鍛煉次數信息，之后跟著1個字節的檔位，控制器下發數據同樣用星號作為幀頭，后面設置一個字節的速度檔位信息，一個備用字節，見表2。

表2 通信協議

傳感器采用光纖光柵檢測手指彎曲信號，使用有機硅密封膠分別將2個光纖光柵粘貼在2個指套關節處。光纖光柵將光源入射的光束經由光纖送入調制器，由于光纖光柵在受到應變時，光纖的中心波長會發生變化，因此需要取得中心波長和應變之間的關系式，光纖光柵的中心波長為：

其中，γB為中心波長，neff為纖芯的有效折射率，α為光柵周期，由公式可知中心波長和有效折射率與光柵周期有關，這2個參數的值會受溫度和應變的影響。當恒定溫度時，中心波長和應變的關系式為：

其中，Pe為有效彈光系數，ε為應變，因此光纖光柵的中心波長的變化率與應變成正比。使用標準拉壓力實驗臺，施加標準壓力進行應變和中心波長的標定，因此2個光纖光柵能夠分別檢測近指端關節和遠指端關節的角度。

3 實驗測試

實驗裝置主要由計算機、手指康復裝置、穩壓電源組成，手指康復器如圖5所示，使用穩壓電源給驅動器供電，電壓為12 V，樹莓派直接使用普通5 V電源。觸摸屏能夠很好地實現人機交互功能，使用時可方便對設備的功能進行設定和調節，使用者也能夠方便地從界面上讀取鍛煉次數和速度檔位的數據。

圖5 手指康復裝置

經過測量，繩索的運動距離約為70 mm。為了實現電機轉速和距離的準確控制，用電機配置型號為AS5600的霍爾傳感器進行位置測量，霍爾傳感器作為非接觸式傳感器比較適合本設計，通過IIC接口讀取12位速度信息，并且通過PID算法實現精確位置控制。考慮到舒適度，運動過程需要避免沖擊，因此速度和加速度的變化為正弦波形式的連續波形。

設備的整體框圖如圖6所示，控制器與驅動器進行串口通信，控制器自身用于人機交互，驅動器與無刷電機、霍爾傳感器構成閉環，使用PID算法進行精準控制，無刷電機通過繩索帶動指套進行運動，實現手指康復訓練，光纖光柵檢測彎曲數據通過分析儀解調后將數據發送至電腦端進行分析。

圖6 整體框圖

4 結束語

本文針對手指活動能力不足的患者，設計了一個通過指尖驅動整個手指的手指康復器。裝置使用三段式的指套，該設計方便手指的彎曲和伸展，符合手指關節的運動特性。通過計算得到手指指尖的運動范圍，設計導向板滑槽的空間位置，引導手指進行運動，設備配置了人機交互界面，方便使用者對設備進行速度調節和鍛煉次數的查看。本設計結構簡單，同時指套3D打印個性化定制，為手指活動能力不足的患者提供了一種新的康復訓練方式。未來可以使用12 V鋰電池進行供電，方便在不同的位置使用。