一種手指關節康復訓練器械的設計與動力學仿真分析

馬浩浩，姚寶珍，馮彥偉，郭泰聰，唐偉

（天水師范學院，甘肅 天水 741001）

0 引言

馬浩浩等[1]已對上肢關節輔助康復訓練器械開展研究，提出了上肢關節個性化定制康復訓練器械解決方案，并基于逆向工程設計了上肢胳膊、手腕等骨折、關節損傷所使用的固定護具，提出了針對指伸肌麻痹、手指及腕攣縮無力等手指功能障礙等癥狀的康復訓練器械結構圖。本文在此基礎上繼續研究手指關節康復訓練器械，通過正、逆向求解、動力學仿真，模擬手指關節康復訓練的動作，進行手指關節康復訓練過程中的動態特性分析，為手指功能恢復提供可靠的數據指標，為手指康復訓練器械的研發提供有力技術支持[2-3]。

1 手指關節康復訓練機構設計

本文應用逆向工程對人體上肢關節開展設計，采用三維掃描儀采集人體上肢關節點云數據，然后創新設計出手部可穿戴護具結構圖，如圖1所示。

圖1 手部可穿戴護具結構圖

2 訓練器械結構分析

基于Unigraphics NX軟件設計右手指關節康復訓練器械，初步設計結構如圖2所示。本文對手指關節康復訓練器械模型簡化，以右手中指為研究對象，簡化后的結構如圖3所示，其組成構件有手部護具固定件、推拉力測力驅動、導軌復合推桿、推桿、手指活動連桿、指套等。該康復訓練器械除驅動構件有3個活動構件，2個轉動副（手部護具固定件與導軌復合推桿、推桿與手指活動連桿），1個移動副（導軌復合推桿與推桿），其平面運動自由度F=3n－2Pl－Ph=3×3－2×3－0=3。

圖2 手指關節康復訓練器械設計

圖3 手指關節康復訓練器械結構示意圖

研究手指關節康復訓練機械結構，推導其位形運動學方程，即正向求解手指關節康復訓練器械問題，主要涉及求解訓練器臂的各個關節與尾端指節的位置姿態之間的關系。計算求解中選擇參考坐標系，按照Denavit-Hartenberg約定，設定4個變量與4個基本矩陣的乘積[4]：

Ai=Rot（z,θi）Trans（z,di）Trans（x,ai）Rot（x,ai）。

建立圖3所示的坐標系并滿足D-H約定，其中θi、αi、di、ai為 與 桿、關節相關的參數，則康復訓練器械的D-H參數如表1所示。

表1 康復訓練器械的D-H參數

轉化矩陣為：

其中：i11=－cos（θ1－θ3）；i12=sin（θ3－θ1）；i14=l1sin φcos θ1+d2·sin θ1－l3cos（θ3－θ1）；i21=sin（θ3－θ1）；i22=cos（θ1－θ3）；i24=l1sin φsin θ1－d2cos θ1+l3sin（θ3－θ1）。

根據轉化矩陣，可基于各關節處的變量值推導手指康復訓練器械的運動姿態，探究康復訓練過程，為器械的使用、功能擴展提供有力數據支撐。

3 虛擬樣機仿真分析

利用多體動力學仿真軟件ADAMS對手指關節康復訓練器工作過程進行動力學仿真，模擬器械工作過程中的動態特性、安全及柔順性能等，可得該方案設計的手指關節康復訓練器各個構件的運動規律[5-6]。

表2 器械主要構件參數

選取中指為研究對象（其他指與其類似）做模型簡化，建立虛擬樣機模型，根據手指關節康復訓練器手部護具固定件、推拉力測力驅動、導軌復合推桿、推桿、手指活動連桿、指套等部件的實際運動，設置模型中各個關節的連接方式。手部護具固定件與推拉力測力驅動件轉動副連接，驅動件與導軌復合推桿固定連接，導軌復合推桿沿導軌添加移動副，手指活動連桿之間轉動副連接，具體設置如圖4所示。

圖4 手指關節康復訓練器建模

根據手指中指關節實際運動驅動訓練器運動，設定仿真時間與步長，初始狀態為圖4所示的手指伸直狀態，訓練過程運動學模擬如圖5所示。圖5（a）為手指握回一半狀態時各關節運動情況，圖5（b）為手指全部握回為拳頭狀態時各關節運動情況，指根關節（.finger1）指尖關節（.finger2）質心的運動軌跡如圖5中的曲線所示。本運動仿真較好地再現了手指關節的康復訓練手指握回過程，運動平滑，為訓練器械動力學求解提高了良好的虛擬樣機，正確有效。

圖5 手指關節康復訓練過程模擬

參照動力學仿真得到的結果對該手指關節康復訓練器的機構進行優化，修定手指關節康復訓練器手部護具固定件、推拉力測力驅動、導軌復合推桿、推桿、手指活動連桿、指套等部件結構尺寸。手指關節康復訓練過程中推桿.slide2的位移、速度及加速度仿真曲線如圖6所示，可以看出驅動件位移趨近于直線但非直線，驅動速度呈凹拋物線型，驅動較為理想，運動較為平緩，可作為康復訓練指標數據對比評估康復狀態使用。

圖6 推桿.slide2的運動仿真曲線

指根關節.finger1與指尖關節.finger2的x方向運動仿真曲線分別如圖7與圖8所示，x正方向為手指彎曲指向手腕方向，通過對比表面兩指彎曲曲線平緩，表征動力學參數在手指訓練活動中更為舒適，結合手指關節康復訓練器的動力學仿真，良好地表征手指關節康復訓練器動力學參數。通過對比正常手關節運動位移、速度、加速度等數據，便可對康復情況做出評價。

圖7 指根關節. finger1的x方向運動仿真曲線

圖8 指尖關節. finger2的x方向運動仿真曲線

通過使用多體動力學仿真軟件ADAMS建立手指關節康復訓練器械虛擬樣機，對該執行機構的路徑及其機構運動進行仿真，證明本文所設計的手指關節康復訓練器械尺寸結構合理，運動原理正確，為后續開展運動控制與智能監測提供了有力的參考依據[7]。

4 物理樣機制作與實驗驗證

本文選用FDM型3D打印成型技術制作手指關節康復訓練器械物理樣機，打印文件采用.STL文件格式。充分考慮打印精度、護具強度、打印效率，設定打印工藝參數，分件打印，對單件后處理后完成樣機裝配[8]。

對該方案設計的手指關節康復訓練器械物理樣機進行實驗驗證，圖9所示為穿戴該物理樣機設備進行手指關節康復訓練過程。圖9（a）為手指自由狀態下該物理樣機的穿戴使用展示，圖9（b）為手指彎曲狀態下該物理樣機的穿戴使用展示。通過穿戴使用對比，體驗該設備較為良好的使用性能，手指的彎曲及伸展過程流暢，未發現卡頓，彎曲過程有可控彎曲阻尼，連接推拉力測力驅動件可對阻力進行量化分析。

圖9 3D打印上肢康復護具與手指訓練器械

5 結論

本文設計了一種手指關節康復訓練器械，基于逆向工程個性化定制確定結構參數；開展了正、逆向求解，基于ADAMS軟件進行手指關節康復訓練器械動力學仿真分析，探究手指關節康復訓練過程，驗證了手指康復訓練器械模型的正確性；并利用3D打印制作出物理樣機，通過試驗測試、優化設計，所設計的手指關節康復訓練器械能夠達到康復訓練要求，為康復器械的使用、功能擴展提供有力數據支撐。