用于手部康復的熱塑性聚氨酯軟體驅動器研究

劉彩霞, 潘亭亭, 孫一帆, 馬 菲, 黃 英

(1.合肥工業大學 物理學院,安徽 合肥 230601; 2.合肥工業大學 微電子學院,安徽 合肥 230601)

使用康復訓練手套已成為醫療康復領域中輔助治療手功能障礙患者的方法之一[1],傳統康復訓練手套[2]大多由剛性材料制成,與人手交互時的安全性大大限制其在醫療康復方面的應用。隨著仿生技術、新型柔性材料、3D打印技術快速發展,軟體機器人[3]應運而生,軟體康復訓練手套也成為眾多研究者關注的熱點。軟體康復訓練手套核心部件是由軟材料制作的軟體驅動器,具有剛度小、柔順性高等特點[4],可以提供比剛性康復訓練手套更安全的交互形式,使得軟體驅動器成為康復訓練手套的理想選擇[5]。

眾多研究者研制軟體驅動器時,硅橡膠是最常用的柔性材料。文獻[6]通過引入纖維增強方式研制一種可彎曲、延伸和扭轉的氣動軟體驅動器,并將其應用于手部康復訓練;文獻[7]提出一種用于手功能康復的圓環加箍型的氣動式軟體驅動器;文獻[8]提出一種嵌套結構手指康復軟體驅動器。這些軟體驅動器在驅動過程中彎曲軌跡與實際的人手運動軌跡不符。文獻[9]研制一種雙分段的軟彈性復合驅動器,并基于此制作了軟體康復訓練手套;文獻[10]提出一種內嵌氣囊式分段式氣動軟體驅動器,增加了手指與軟體驅動器之間貼合度。盡管這些軟體驅動器采用了分段式設計,但是每個關節不能獨立彎曲,靈活性有限。此外,這些軟體驅動器均采用硅橡膠材料制作而成,制作流程復雜,往往需要多步才能成型,而且硅橡膠材料相對較大的材料質量和較小的材料剛度導致軟體驅動器具有較低的輔助力,妨礙其在實際應用中的效用。

針對上述問題,本文設計了基于柔性熱塑性聚氨酯(thermoplastic polyurethane,TPU)的3種用于不同手指康復的分段式獨立驅動的氣動軟體驅動器。該分段式軟體驅動器由2種具有波紋管氣腔的軟關節(單、雙向軟關節)組成,使用低成本的桌面級熔融沉積制造(fused deposition modeling,FDM) 3D打印機和TPU直接打印而成,制作步驟簡單。通過有限元建模獲得TPU材料的最佳本構模型,仿真分析軟關節和軟體驅動器特性。對軟關節和軟體驅動器彎曲性能、運動軌跡、抓握能力等進行測試。通過集成5個軟體驅動器制作康復訓練手套,成功地帶動手指進行康復訓練,完成多個抓取任務。

1 結構設計

1.1 人手關節結構分析

人的手指主要由關節、指骨及其周圍軟組織構成,依靠肌腱屈伸驅動關節轉動。關節包括掌指關節、近端指間關節、遠端指間關節,拇指有近節、中節2節指骨,其余手指為近節、中節和遠節3節指骨。掌指關節為雙軸向關節,可實現屈伸、外展、內收運動,其余關節只可做屈伸運動,各關節運動范圍見表1所列[11],掌指關節可達到一定后伸角度,在手指運動中至關重要。因此,為達到手指康復訓練目的,不能僅依靠彎曲運動帶動手指進行康復訓練,需要設計符合人類手指結構和運動規律的軟體驅動器。

表1 人手各關節的運動范圍

1.2 軟體驅動器結構設計

軟關節和軟體驅動器結構設計如圖1所示。

圖1 軟關節和軟體驅動器結構設計

日常生活中每根手指功能占比不同。拇指占手功能36%,食指和中指各占18%,無名指和小指各占9%[12]。因此,基于手指關節分布及運動規律,設計3種用于不同手指康復訓練的分段式獨立驅動的軟體驅動器(圖1a)。軟體驅動器Ⅰ由1個雙向軟關節和1個三波紋管單向軟關節組成,用于輔助大拇指進行康復訓練。軟體驅動器Ⅱ由1個雙向軟關節和2個三波紋管單向軟關節組成,用于輔助食指和中指屈伸。軟體驅動器Ⅲ由1個四波紋管單向軟關節和2個三波紋管單向軟關節組成,用于輔助其他2根手指。為讓軟體驅動器能夠更好貼合手指形狀采用分段設計;為增加軟體驅動器靈活性,采用獨立驅動方式,在固定段側面設置一個氣管連接口,便于獨立驅動單向軟關節彎曲(圖1a)?？紤]到后續軟體驅動器裝配到手套上,在軟體驅動器兩端各設置1個固定口便于固定魔術貼。軟體驅動器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的長度分別為102、139、147 mm。

單、雙向軟關節結構剖面圖見圖1b,雙向軟關節包括2個波紋管氣腔、中間限制層、氣管固定段和2個氣管,下層波紋管高度小于上層。單向軟關節由波紋管氣腔、底層限制層、氣管固定段和1個氣管組成。充氣時,波紋管氣腔會趨向伸直,限制層約束使軟關節彎曲。單向軟關節只可向下彎曲,而雙向軟關節可向上下2個方向彎曲,向上彎曲角度小于向下彎曲角度。

2 有限元分析

2.1 TPU材料本構模型

TPU是柔性聚氨酯材料,與橡膠有相似特性,具有高彈性、耐磨性、撕裂強度、耐化學性和廣泛溫度兼容性等[13]特點。試驗用TPU材料購于長沙易泰龍高新材料有限公司,邵氏硬度為75A。使用ZQ-990萬能試驗機(東莞市智取精密儀器有限公司)對75A TPU材料進行拉伸試驗,以100 mm/min速度拉伸獲得應力、應變數據,對75A TPU的應力、應變數據和4種(Ogden、Yeoh、Mooney-Rivlin、Neo Hooke)不同超彈性模型[13]進行擬合,在ABAQUS/CAE中建立材料模型,導入拉伸試驗獲得的數據,應用最小二乘法擬合,結果如圖2所示,選取Ogden模型作為75A TPU最佳本構模型。

圖2 75A TPU的材料本構模型擬合

2.2 有限元仿真

用Ogden模型對軟關節和軟體驅動器進行有限元仿真。對單向和雙向軟關節有限元應力與變形進行分析,仿真云圖如圖3a、圖3b所示,氣腔內施加壓力時,應變集中在波紋管氣道,波紋管氣道膨脹展開,軟體驅動器整體增長,限制層約束導致軟體驅動器彎曲。向四波紋管單向軟關節施加壓力,軟關節只向下彎曲;向雙向軟關節下波紋管氣腔施加壓力,雙向軟關節向上彎曲;向上波紋管氣腔施加壓力,雙向軟關節向下彎曲。對3種軟體驅動器進行有限元仿真,軟體驅動器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ仿真云圖如圖3c～圖3e所示,從圖3c～圖3e可以看出,3種軟體驅動器單、雙向軟關節可實現獨立驅動,在彎曲過程中運動軌跡與人手運動軌跡符合。

圖3 軟關節和軟體驅動器仿真云圖

3 軟體驅動器制作與測試應用

3.1 軟體驅動器制作

軟體驅動器使用FDM 3D打印機和柔性TPU進行直接打印,制作工藝簡單。利用3Dmax軟件建立軟關節和軟體驅動器模型,在Cura軟件中進行切片并導出.gcode文件。為解決3D打印軟體驅動器時無法使用支撐結構存在的問題,確保3D打印的軟體驅動器氣密性,對Cura軟件中3D打印參數進行多次調整,調整3D打印參數見表2所列。3D打印的軟關節如圖4a所示,在氣壓驅動下軟關節呈現不同程度彎曲,氣密性好。3D打印的軟體驅動器如圖4b所示,不同結構軟體驅動器可應用到不同手指。

圖4 3D打印的軟關節和軟體驅動器

表2 TPU(75A)的3D打印參數

3.2 特性測試

軟關節作為軟體驅動器基礎部件,直接反映軟體驅動器特性,將軟關節一端垂直固定進行特性測試,施加0～100 kPa氣壓,步長為10 kPa,在每個氣壓下,記錄其彎曲角度,結果如圖5a所示。隨著氣壓增加,軟關節彎曲角度隨之增加,四波紋管單向軟關節彎曲角度能實現0～260°變化,三波紋管單向軟關節彎曲角度能實現0～180°變化,雙向軟關節彎曲角度能實現-60°～160°變化,彎曲角度均能滿足手指彎曲所需角度。對軟關節進行握力測試,如圖5b所示。打印2個測試握力硬質支架,通過正方體支架將軟關節固定在萬能試驗機下夾具,在上夾具固定1個直徑15 mm圓柱體。逐漸向軟關節充入氣體,軟關節彎曲并夾持住圓柱體,以0.5 mm/s速度向上拉動圓柱體,測量軟關節在整個拉動過程中握力,直到其失去對圓柱體抓握。雙向軟關節握力如圖5c所示,其上波紋管和下波紋管在100 kPa時可達到最高握力,分別為4.4、3.0 N。單向軟關節握力如圖5d所示,四波紋管和三波紋管單向軟關節在100 kPa時可達到最高握力,分別為6.5、5.5 N。

圖5 軟關節特性測試結果

為測試軟體驅動器特性,在坐標紙上記錄3種軟體驅動器在不同氣壓下彎曲軌跡和末端點運動軌跡,施加0～100 kPa壓力,步長20 kPa,結果如圖6a～圖6c所示。

圖6 軟體驅動器特性測試結果

不同氣壓下,軟體驅動器表現出不同彎曲狀態,與手指彎曲軌跡類似,軟體驅動器可以很好地貼合人體手指表面。軟體驅動器運動軌跡與插圖仿真結果相同,驗證了仿真結果的正確性。使用直徑為50 mm的圓柱體對這3種軟體驅動器進行握力測試,測試方法與軟關節握力測試方法相同,結果如圖6d～圖6f所示,在100 kPa最高握力分別為9.2 N(軟體驅動器Ⅰ)、10.5 N(軟體驅動器Ⅱ)和11.5 N(軟體驅動器Ⅲ),3D打印TPU制作的軟體驅動器輔助力強,具有較強的實用性。

3.3 軟體康復訓練手套應用

軟體驅動器集成在一個織物手套上制作軟體康復訓練手套,如圖7所示。

軟體康復訓練手套可驅動拇指和食指彎曲,具有對手指進行康復訓練的能力。為觀察該軟體康復訓練手套抓取性能,實驗抓取膠帶、木塊、黑板擦等不同大小物體,質量分別為154、87、34 g。結果表明,軟體康復訓練手套可以輔助人手完成康復訓練以及常見物體抓取。

4 結 論

本文提供了一種3D打印TPU的參數,根據設計的單、雙向軟關節結構,直接3D打印TPU,制備了3種用于不同手指康復訓練的分段式軟體驅動器,簡化了軟體驅動器制作流程。軟關節和軟體驅動器彎曲能力和握力測試顯示,設計的軟體驅動器彎曲輪廓與人手彎曲相符,在100 kPa下最高握力分別為9.2 N(軟體驅動器Ⅰ)、10.5 N(軟體驅動器Ⅱ)和11.5 N(軟體驅動器Ⅲ),與硅橡膠制作的軟體驅動器相比,該軟體驅動器握力高、質量輕。將軟體驅動器用于康復訓練手套,可滿足日常生活的康復訓練和抓握需求,為手功能損傷患者提供一種更加安全有效的康復訓練設備。