基于氣動軟體驅動器的可穿戴手功能康復裝置

李康，畢學文，李隆飛 ，趙云偉

(1.北華大學工程訓練中心，吉林吉林 132021；2.吉林石化公司電儀中心(檢測中心)，吉林吉林 132000；3.吉林石化公司電石廠，吉林吉林 132000)

0 前言

隨著人口老齡化，由腦卒中和腦外傷引起的手部功能缺失患者逐年增加。近年來國內外學者針對家庭服務和醫療訓練的手功能康復裝置展開了廣泛研究[1-2]。手功能康復裝置多采用外骨骼結構關節拉線傳動，其驅動方式主要有電機驅動、人工肌肉驅動和記憶合金材料驅動等[3-5]。采用傳統驅動方式的手功能康復裝置，結構和控制系統較為復雜，便攜性差，難于實現手部關節自然運動[6]。

近年來新興的氣動軟體驅動器其驅動裝置與本體復合一體，氣壓下可實現連續的大角度變形[7-8]，具有較好的綜合柔性，適合作為手康復裝置的手指驅動器。相對于傳統的手部康復裝置，采用氣動柔性驅動器研制的手功能康復裝置能夠實現理想的手部關節運動，符合人體功能學，通過控制驅動器內氣壓即可實現手指屈、伸運動，可輔助手部運動功能缺失患者，適用于家庭服務和輔助康復訓練[9-10]。而且它所需氣體壓力低，主動安全性、輸出力可控，不會對人體造成傷害。

文中采用2種氣動軟體驅動器設計一種可穿戴式手功能康復裝置。研究驅動器制作工藝，建立其形變模型，并進行靜力學實驗和有限元仿真；試制康復裝置樣機和搭建實驗平臺，進行其動作位姿和實物抓取實驗。

1 康復裝置的結構與功能

基于人體工程學原理，從仿生學角度出發，采用氣動軟體驅動器仿照人手外形設計一種手功能康復裝置，其結構如圖1所示。裝置共有5根手指，具有6個自由度、1個機動度。其機械系統包含氣動軟體驅動器和織物手套。為增強康復裝置夾持力，大拇指采用雙腔驅動軟體驅動器，其余4根手指采用單腔驅動軟體驅動器。為便于穿戴，裝置外部采用彈性織物材料。柔軟體驅動器置于織物內部并位于手指上方，進氣端與指根處固定，下端由腕帶固定于手腕上。

圖1 氣動軟體康復裝置

氣壓下軟體驅動器能夠實現主動彎曲和被動恢復，它帶動手指的屈/伸運動可幫助患者恢復手指功能和康復訓練。在驅動器驅動下，各手指相互配合、協調運動，可實現人手抓、握和捏等主要功能，協助患者日常生活。

2 軟體驅動器結構與建模

2.1 驅動器結構

圖2所示為軟體驅動器，其外形為長條狀，內部為半圓形薄壁網絡結構，各個腔室彼此相互獨立，由底面(外側覆蓋紙質限制層)將各腔室連接成密閉整體，腔體底部設有通氣道。單腔驅動器僅包含1個氣腔和1個氣道；雙腔驅動器包含2個氣道，由中間隔板將氣室分成2個獨立氣腔。通入氣壓后腔室內壁膨脹變薄，在各個腔室端部產生軸向力，在限制層的約束下產生彎曲變形，帶動患者手指運動，幫助患者進行手部運動功能康復訓練。

圖2 軟體驅動器結構

驅動器以硅橡膠(Dragon skin 30)為原材料，采用模具一體注塑成形，其制作流程如圖3所示。首先，配比硅橡膠，經攪拌均勻抽真空排出氣泡后，將液態硅膠注入模具1，經固化后脫模完成驅動器氣室部分；然后，將已完成模型導入模具2，再次澆注后經固化脫模完成氣道及驅動型底部，并粘貼限制層，至此完成驅動器制作。驅動器具體結構參數如表1所示。

圖3 驅動器制作工藝過程

表1 驅動器幾何參數

2.2 變形模型

氣動網絡多氣室彎曲軟體驅動器采用超彈性硅膠材料，形變時呈現大變形、非線性?？紤]到超彈性材料的各向同性和不可壓縮性，采用兩參數Yeoh模型描述氣壓下軟體驅動器的形變[11]。其應變能密度函數為

W=C10(I1-3)+C20(I2-3)2

(1)

其中：

(2)

式中：I1、I2為變形張量不變量；λ1、λ2和λ3分別為軸向、周向和徑向主伸長比；C10、C20為基于Yeoh模型硅膠材料系數。

施加氣壓后，軟體驅動器產生類似圓弧狀的彎曲變形，如圖4所示。以驅動器底部為研究對象，當底部在外力作用下向軸向、徑向和周向3個方向拉伸變形時，其軸向變形最明顯，將該方向的拉伸比設定為λ1。由于驅動器氣室的兩側壁厚和頂端厚度較大，限制了其變形，徑向方向拉伸比λ2和周向方向拉伸比λ3相對軸向方向變化較小，故假設λ2和λ3[12]為

(3)

將式(3)代入式(2)可得：

(4)

基于應力和應變量能關系可得：

(5)

由圖4所示幾何關系可知，忽略限制層厚度影響，軸向方向拉伸比為

圖4 驅動器彎曲變形

(6)

式中：l0為驅動器底面限制層弧長；l為變形后驅動器底部上表面弧長；θ為驅動器彎曲角度；R為驅動器彎曲半徑。

驅動器各氣室結構和參數皆相同，在氣壓p的作用下，單個氣室的受力變形如圖5所示。

圖5 單個氣室形變分析

根據圖5(a)所示氣室底部所受力矩平衡可得：

(7)

將式(7)代入式(5)可得：

(8)

式中：S為氣室膨脹后端面面積。

施加氣壓后，氣室向兩側呈弧形膨脹鼓包，如圖5(b)所示。假設其膨脹變形后為球面，忽略膨脹后壁厚影響，則S為

(9)

其中：

(10)

式中：r為氣室變形后端面變形后球面半徑；b為氣室內腔長度；δ為氣室膨脹高度；n為氣室數目;K為比例協調系數。

基于式(8)可以推導出驅動器彎曲角度θ與輸入氣體壓力值p之間的關系:

θ=θ(p)

(11)

3 實驗與分析

3.1 驅動器形變

驅動器靜力學實驗系統如圖6所示。由安裝在驅動器端部的陀螺儀和測力計進行彎曲角度和輸出力實驗。實驗中采用的硅膠材料為Dragon 30，其材料常數為C10=0.059 1、C20=0.011 3[13]。

圖6 驅動器靜力學實驗系統

應用ABAQUS軟件進行驅動器有限元仿真分析，結果如圖7所示，氣壓下驅動器變形后呈圓弧狀。不同氣壓下驅動器的彎曲變形如圖8所示?？芍浩鋸澢冃坞S著氣壓的增加而增大。仿真和形變實驗結果表明，驅動器在氣壓下產生類似指狀彎曲變形且具有較好的柔順性，適合作為康復裝置的手指驅動器。

圖7 有限元仿真結果

圖8 驅動器彎曲變形隨氣壓的變化(單位為MPa)

單、雙驅動器比例調節系數K分別為4.9和2.2，將表1中驅動器各參數代入式(11)可得柔性驅動器彎曲角度與氣壓的關系，如圖9所示?？梢钥吹剑候寗悠鲝澢嵌入S著氣壓的增加而增大。經比較理論計算結果與實驗數據和仿真結果趨勢一致，吻合性較好。由于雙腔驅動器兩個腔體之間存在隔板限制其彎曲變形，彎曲角度明顯小于單腔驅動器。

圖9 彎曲角度隨氣壓變化 圖10 正壓力隨氣壓變化

測試40歲健康男性左手大拇指和其余四指指端極限彎曲角度分別為130°和265°。氣壓下測試2種驅動器最大彎曲角度分別為185°和272°，均滿足手指彎曲運動的需要。

圖10所示為軟體驅動器端部正壓力與氣壓關系?？梢钥吹剑候寗悠鞫瞬空龎毫﹄S著氣壓的增加呈非線性增加，表明通過增加驅動器腔室內的氣體壓力可以控制和提升患手指的輸出力。在通入氣壓為0.1 MPa之前，兩種驅動器輸出正壓力幾乎相當；當通入氣壓高于0.1 MPa后，隨著氣壓的增加，雙腔驅動器產生的正壓力明顯高于單腔驅動器。單腔驅動器指端0.18 MPa氣壓下產生正壓力為4.2 N，雙腔驅動器指端0.2 MPa氣壓下產生正壓力可達到6.6 N，大拇指采用雙腔驅動器可增加患者手部的抓持能力，以滿足日常物品的抓取。

由上述驅動器形變實驗和仿真可知，較低氣壓下驅動器即可產生自由連續、大幅彎曲變形，具有主動安全性，其彎曲角度和輸出力均滿足手指康復訓練和日常生活需求。

3.2 位姿與抓取

圖11所示為手功能康復裝置實驗平臺。該平臺主要由氣源、控制系統和康復裝置組成，通過控制系統發出指令，調節放置于織物手套內部手指上方的驅動器內通入氣體壓力使之產生彎曲變形，帶動患者手部運動完成康復訓練和物品抓取。實驗中抓取物品參數如表2所示。

圖11 康復裝置實驗平臺

表2 實驗物品參數

圖12所示為氣壓下康復裝置手指動作與位姿。將驅動器固定在模型手單根手指上方，施加氣壓后，可見模型手指在驅動器帶動下產生彎曲運動，將它放置于織物手套內同樣可驅動模型手指完成手指康復訓練所需動作。通過驅動器的相互配合，可驅動手指實現ok、蘭花指和握拳等動作，可見康復裝置動作靈活、柔順，能夠輔助患者手部進行康復訓練，實現抓、握和捏等基本功能。

圖12 手指動作與位姿

圖13所示為患者穿戴康復裝置對物品進行抓取。未進行穿戴(空置時)，氣壓下裝置可自行完成物品抓取，如圖13(a)(b)所示。在氣壓為0.1 MPa時，即可穩定抓取直徑為83 mm的蘋果和質量為517 g的水杯。當患者穿戴以后，在裝置的輔助下，可以穩定抓取日常物品，如拾取水果和端水杯等。

圖13 物品抓取

實驗結果表明，文中采用氣動軟體設計的手功能康復裝置具有較好的柔順性、動作靈活和安全可靠，可用于輔助患者手功能康復訓練，實現包括抓、握和捏等手部基本運動功能。

4 結論

基于2種氣動軟體驅動器設計了手功能康復裝置,研究了驅動器制作工藝并獲得了其氣壓下形變規律。通過控制驅動器氣腔內氣體壓力，即可驅動手指完成屈、伸運動，輔助患者進行康復訓練和實現手部基本運動功能。進行了驅動器靜力學、裝置位姿和不同物品抓取實驗。經驗證，該康復裝置柔順靈活、控制簡單、安全可靠，其指端的彎曲角度和輸出力均滿足患者康復訓練和日常生活需要，可穩定抓取直徑為83 mm的蘋果和質量為517 g的水杯。