單電機線驅動多指柔性外骨骼機械手設計

摘要：

為使外骨骼機械手的作用更加柔順、靈活、輕量和低成本，設計了一款基于柔索傳遞驅動的外骨骼手，整手有10條驅動線，只采用了1臺伺服電機做動力源（單驅），通過傳動結構和電磁線圈的通斷產生的止停作用，使單一動力源的運動輸出能合理分配給5根手指的驅動線，并實時控制每根手指上的兩條驅動線，生成符合要求的行程運動，縮減了外骨骼手動力裝置的體積和重量，降低了生產成本。

關鍵詞：

外骨骼手；線驅動；單驅多指；單指多驅；電磁鐵止動

中圖分類號：

TP241.2

文獻標志碼：A

收稿日期：2023-03-21

基金項目：

山東省科技發展計劃項目（批準號：40214010075）資助。

通信作者：

王鈺，男，副教授，主要研究方向為康復機器人與打磨機器人。E-mail：ywang@qdu.edu.cn

腦卒中是造成中國中老年患者偏癱的重要因素之一，目前已有約2 876萬腦卒中患者，每年新發約394萬例，77.7%的患者面臨肢體偏癱等運動功能障礙問題，尤其手部功能障礙嚴重影響生活和康復效益［1］。為了使患者恢復到基本的健康運動水平，國內大部分傳統康復醫師根據持續性被動運動（Continuous Passive Motion，CPM）理論對偏癱患者進行一對一的人工康復運動［2］。然而國內醫師數量少，訓練效率低，康復周期長，難以保證多數患者得到有效訓練。因此基于神經可塑性原理和肌肉康復運動原理的康復機械手的研發成為了一個解決該類問題的主要方案。康復機械手是康復醫療和機械人技術結合的訓練器械，基于人體運動學和康復醫學原理，通過機械手帶動患者運動功能不完全的手指進行規范化運動，幫助患者重新塑造手部運動功能。綜合國內外的研究現狀，機械手的康復系統主要采用柔性半穿戴式，而剛性外骨骼手因多負重大、成本高、動作笨重等因素導致康復效果不佳。中科院研制的外骨骼機械手，用9個電機遠程電纜傳輸驅動5根手指，每根手指有兩個自由度，但負重大，成本高［3］。上海理工大學研制出的仿生外骨骼機械手基于三柔性鉸鏈串聯式，通過鉸鏈和柔索分別控制彎曲和伸展動作，關節靈活，輕質便攜，但結構單一，僅有執行結構，無法實時控制［4］。德克薩斯大學研發的氣動外骨骼手，用氣缸對手指外貼服的軟體氣管輸送氣體來帶動手指進行彎曲和伸展訓練，安全可靠，運動柔順，但只能實現5指同步抓握動作，康復效果不佳［5］。美國研制的一款雙纜索驅動的外骨骼上肢裝置，每根手指均由一個驅動器通過兩根纜索運動，通過實時監測電阻變化控制兩纜索速度變化，輕量安全，自由度高，但控制系統復雜，多驅動器成本較高［6］。燕山大學研制了一款基于腦肌電融合的混合控制康復機械手裝置，利用腦肌肉電信號和肌肉信號進行協調控制，但數據采集和信息識別精確率低［7］。本文根據人體生物學設計了一種輕量化、低成本、高精度控制的外骨骼康復機械手。外骨骼手根據中老年人手指運動規律，采用兩根柔性驅動鋼纜來控制1根手指上多個驅動點，并通過滾珠絲杠和皮帶輪傳動結構實現1個電機對多根手指的驅動，實現手指不同行程的彎曲運動，幫助患者進行全面的持續性手部康復訓練。

1 外骨骼手方案設計

1.1 人手指的結構與運動分析

針對中老年人的手指參數和抓握伸展運動，本文重點分析手指的指骨結構和關節轉動規律。人手主要由手部肌肉拉動指骨繞著關節旋轉實現手指的彎曲/伸展運動，除大拇指外的4指指骨連接的關節分別是遠端指間關節（Distal Inter Phalangeal joint，DIP joint）、近端指間關節（Proximal Inter Phalangeal joint，PIP joint）以及掌骨關節（Meta Carpophalangeal joint，MCP joint）。大拇指端的骨骼關節運動分別為腕掌關節（carpometacarpal joint，CM Joint）、掌指關節（Meta Carpophalangeal joint，MP joint）以及指間關節（Inter Phalangeal joint，IP joint）［8-9］。

不考慮縱向分開和并攏動作時，每根手指的3根指骨在同一運動空間內，康復訓練的運動空間由指骨的長度和關節的旋轉角度確定。正常成年人手指的指骨長度見表1［10-11］，據調研，適合正常成年人抓握的杯子約（45～85）mm，適合攜帶的質量約（0.3～0.7） kg［12］。為保障患者進行正常的抓握力訓練，設計質量0.5 kg，50 mm水杯并懸空保持穩定，抓握運動中5根手指（因4指旋轉角度近似以食指為例）的關節旋轉角度如圖1，手指指尖運動范圍的線性行程為

Ln=∑3m=1πsnmθnm180（1）

其中，Ln為第n根手指指尖運動行程；snm為第n根手指第m指骨長度，選取長度范圍中平均數；θnm為第n根手指第m關節位置旋轉角度。

根據人手生物學運動規律，手指對物體的抓握主要由大拇指、食指和中指來實現，而無名指和小拇指起到輔助和導向作用，因此以下實驗研究針對前3指進行設計。

1.2 單指雙驅動方案設計

根據人手整體運動分析，常規的訓練僅在每個手指上設置1個驅動點進行驅動，運動僵硬且對手指不同關節的康復效果不佳。本文在1根手指上兩個指骨位置增加驅動點，以達到多點驅動效果。在4指的近節指骨、中節指骨、遠節指骨和拇指的近節指骨、遠節指骨上設置導向塊，導向塊之間靠鉸鏈連接，不考慮縱向運動情況下可實現正常彎曲和伸展運動［13］。為了便于驅動和控制，4指的驅動點設計在遠節指骨和近節指骨對應的導向塊上，拇指驅動點在近節指骨和遠節指骨對應的導向塊上，并采用兩根柔索鋼纜分別驅動（圖2）。4指的掌骨連接位置設計固定塊，確保柔索與進給運動方向和手指彎曲方向在同一橫向空間，并把每根手指的驅動模組分為單獨的組，以進行個別的康復訓練。

1.3 單驅動源傳動方案設計

機械手的驅動結構由采用了每根手指上的驅動柔索連接成的訓練模塊，以驅動每根手指康復運動，結合研究為實現1個電機驅動前3根手指運動，通常總需要6個電機，導致負重大、成本高等問題，因此設計一種單驅傳動結構。電機需要傳動3個驅動模塊運行，考慮到齒輪傳動振動和噪聲較大，鏈傳動磨損較大傳動穩定性低，選用帶傳動實現傳動［14-15］。

電機連接主動輪，多個從動輪分別與每根手指獨立的訓練模組連接。為保證柔索鋼纜在手指固導向塊上進行線性運動，用滾珠絲杠轉變皮帶輪的運動形態，產生線性推力或拉力，作用于驅動柔索。兩根柔索協同帶動手指運動中，不同驅動點的進給行程不同，在滾珠絲杠中增設電磁線圈進行止動實現一根手指兩驅動點不同程度的彎曲和拉伸（圖2）。

2 外骨骼手驅動裝置結構設計

2.1 一對多傳動機構設計

外骨骼機械手的驅動結構需實現1臺電機同時帶動多傳動手指，電機和滾珠絲杠之間的傳動選用皮帶輪傳動結構，由電機主動輪，中指從動輪，食指從動輪和拇指從動輪組成（圖3）。3指從動輪分別配對驅動1根手指的1組訓練模組，單電機旋轉運動帶動前3根指從動輪轉動，從而帶動絲杠旋轉進行運動傳遞。絲杠連接的螺母帶動推桿進行往返直線運動。皮帶選用同步帶輪，齒形選用梯形齒。

為保證前3根手指同步進給運動，根據式（1）計算得出的Ln推算主動輪與3個從動輪直接傳動比為

Ln=t×nn×lnin=n/nn（2）

i1∶i2∶i3=l1L1∶l2L2∶l3L3=1∶1.06∶1.04≈1∶1.2∶1.1（3）

其中，Ln為t時間內第n組訓練模組螺母運動直線行程；nn為第n模組絲杠轉速（r/min）；t為3組模塊1個抓握運動周期所用時間（min）；ln為第n模組中滾珠絲杠的導程，其他3組模組中絲杠均為單螺紋；in為第n模組中與主動輪傳動比；n為電機轉速（r/min）。

鑒于滾珠絲杠選用型號較小，基于人手運動規律3組絲杠導程均選2 mm。初始3指從動輪的傳動比為1、1.06和1.04，考慮到原傳動比小速比過小，在選用同步帶輪情況下3個從動輪齒數相差過小，需調整傳動比。傳動比變動可能導致3指運動速率不合理，考慮人整體體型對手指長度影響［16］，選取身高（160～180） cm，體重（60～75） kg的人的手指長度來確定傳動比的調整范圍，最后確定調整傳動比為1∶1.2∶1.1，模數選2.5 mm，齒數為17∶21∶19，齒數足夠不會產生根切。經嚙合齒數驗證，該帶傳動運行時嚙合齒數為8，不會出現相對滑動現象［17］。

2.2 實時止動機構設計

康復機械手中每根手指的獨立訓練模組需要實現1根手指上兩個驅動點不同步的驅動，設計兩根柔索可以在運動時中斷與驅動結構的連接。在驅動結構中，每根手指的遠節指骨導向塊與上推桿導向塊通過遠節柔索連接，近節指骨導向塊與下推桿導向塊通過近節柔索相連，上推桿導向塊始終與螺母固定，下推桿導向塊不與螺母直接固定，而通過壓縮彈簧的推力和螺母擠壓實現兩者之間的固定。為保證患者手指可以更加靈活地彎曲到不同的位置或完成不同的運動，兩個驅動點需要在訓練中實現非同步運動，即上推桿連接的驅動點繼續運動，下推桿連接的驅動點停止運動。通過在特定行程中給電磁鐵通斷電，電磁鐵的頂針上下移動使螺母和下推桿擠壓接觸或者分離，實現上下推桿進行不同步運動（圖4）。

同時上推桿導向塊被嵌入到箱體上端蓋的直線凹槽中，保證在運功過程中能穩定螺母保持直線運動不會發生縱向旋轉。電磁鐵直接固定在下方的直線導軌上，允許其沿著絲杠的方向做直線運動，下推桿導向塊固定在電磁鐵上的凹槽中，隨著電磁鐵一同運動。

2.3 電磁線圈的選型

考慮到單根手指驅動結構中止動結構的運動要求，需要確保螺母和下推桿擠壓接觸和電磁體通電后與導軌固定的穩定性。電磁線圈通電時，下推桿導向塊下拉和螺母分離后，此時電磁鐵上的阻尼桿和導軌接觸固定，下推桿和電磁鐵停止移動，近節柔索不再運動。為確保下端結構固定，防止滑移，電磁鐵所需保持力Fc為

Fa≥mg/μ1Fb≥Fa/μ2Fc≥2Fb（4）

其中，Fa為單手指所需抓握力；m為水杯質量；μ1為人手表面摩擦系數［13］；Fb為下推桿導向塊和螺母同步運動時，兩平面間所需壓力；μ2為下推桿和螺母摩擦系數，兩接觸材料均選用普通碳鋼；Fc為電磁鐵所需保持力。

在滿足壓力要求和低成本的情況下，選用深圳宗泰電機有限公司的電磁鐵SDT-4964L-220A220，電壓220 V，行程設置2 mm，對應行程的保持力為29 N，在通電周期較短的情況下具有較好的保持度［18］。在患者主動康復運動中，為保證水杯不會損壞并且外骨骼機械手不對手指施加過大的壓力，系統設置電磁鐵停止運動的預設抓握壓力約為9 N。

3 外骨骼手工作過程的實現

3.1 一對多傳動的實現

康復機械手在運動過程中，所有訓練模組的康復運動都由1個電機驅動，由皮帶輪傳遞驅動力至3只手指。當患者開始進行康復運動，絲杠螺母和上下推桿都位于機箱左側，手指處于全伸展狀態，如圖5（a）。此時電磁鐵未通電，頂針受到壓縮彈簧的推力上升，使下推桿導向塊和絲杠螺母擠壓固定。

康復運動開始，電機啟動開始旋轉驅動，主動輪帶動3個從動輪轉動。由于3個從動輪具有不同的齒數和半徑，因此其轉速不同，與之相連的絲杠轉速不同，在導程相同情況下螺母的進給速率不同，導致3根手指以不同的速度彎曲運動。上推桿和下推桿開始推動兩根柔索，柔索連接手指導向塊同時推動手指指骨運動，如圖5（b），（c）。

3.2 實時止動及后續運動的實現

正常訓練運動中，患者的手指抓握力較大，兩個驅動線正常運行止動結構未啟動時，電磁線圈與螺母受彈簧壓力接觸固定，如圖6（a）。當患者需要進行具體關節的鍛煉運動或者肌肉萎靡部分關節無法抓握時，伺服系統產生電信號至電磁線圈。電磁線圈通電后，頂針下移，壓縮彈簧，導致下推桿導向塊和絲杠螺母分離，與其連接的阻尼桿下移固定在導軌上產生水平阻力，使電磁線圈和下推桿導向塊停止運動。同時手指的近節柔索不再進給，對應的近節指骨不再繼續彎曲轉動。此時，手指的遠端指間關節和近端指間關節（拇指為指間關節）繼續轉動，上推桿和遠節柔索繼續直線運動，而下推桿和近節柔索靜止，1根手指的兩個驅動點通過止動結構分別驅動手指進行不同程度彎曲，實現康復效果，如圖6（b）所示。

3.3 位置控制和力度控制的實現

在康復訓練運動中，包括一對多康復運動和止動運動都需要位置數據采集控制和壓力數據采集控制。定位數據控制通過PC上位機后臺實時采集絲杠的旋轉圈數和角度，通過主動輪和3個從動輪的傳動比和3組絲杠的導程實時采集單個訓練模組中兩個不同驅動點的進給位置，上位機再輸出電流信號實時控制。壓力數據控制通過雙驅動點連接的兩個單獨的橫向安裝的壓力傳感器，分別安裝在螺母和下端的電磁體固定端，并通過上下推桿與驅動點連接，保證上位機實時接收所有驅動點的壓力信號并實施控制。

4 結論

本文根據中老年人手部運動規律和康復需求，設計了一款輕量化，低成本，力度控制和位置控制精度較高的康復機械手，由單個電機同時驅動多個手指的不同關節。該機械手根據中老年人手部康復運動的特點，采用了3指指骨連接結構和1根手指上雙柔索雙驅動點的結構，采用滾珠絲杠和同步帶輪的驅動系統，并建立了機械手和手指運動的運動學模型，解決了單一驅動點導致康復運動僵硬和多手指必須多電機導致高成本的問題。

參考文獻

［1］王隴德， 劉建民， 楊弋， 等. 我國腦卒中防治仍面臨巨大挑戰：《中國腦卒中防治報告2022》概要［J］. 中國循環雜志， 2022， 35（2）： 105-119.

［2］李海濤， 王鈺， 佟河亭. 外骨骼肩關節仿生運動的實現研究［J］. 青島大學學報（工程技術版）， 2015， 30（4）： 91-95.

［3］CHENG L， CHEN M， LI Z W. Design and control of a wearable hand rehabilitation robot［J］. IEEE Access， 2019， 6： 74039-74050.

［4］田啟磊，王鈺.利用慣性傳感器數據實時示教下肢外骨骼步態的研究［J］.青島大學學報（自然科學版），2023，36（1）：54-59.

［5］HAGHSHENAS-JARYANI M， PATTERSON R M， BUGNARIU N， et al. A pilot study on the design and validation of a hybrid exoskeleton robotic device for hand rehabilitation［J］. Journal of Hand Therapy， 2020， 33（2）： 198-208.

［6］SHU W P， YU C P， JEN Y C. Decoupling finger joint motion in an fxoskeletal hand： A design for robot-assisted rehabilitation［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2020， 67：686-697.

［7］杜正. 基于腦肌電融合的康復機械手控制［D］.秦皇島：燕山大學，2022.

［8］孟巧玲， 沈志家， 陳忠哲. 基于柔性鉸鏈的仿生外骨骼機械手設計研究［J］. 中國生物醫學工程學報， 2020， 39（5）： 557-565.

［9］胡旭輝， 王鈺. 基于慣性傳感器遙控示教康復系統的研究［J］. 青島大學學報（自然科學版）， 2022， 35（1）： 66-72.

［10］ 劉自文， 趙亮， 于鵬. 柔性外骨骼手的抓取力控制方法［J］. 機器人， 2019， 41（4）： 483-492.

［11］ 國家技術監督局， 中國國家標準化管理委員會. 成年人手部型號［S］： GB/T 16252—1996. 北京：中國標準出版社， 1996.

［12］ 孫靜. 基于用戶體驗的智能水杯產品設計研究［D］. 大慶：東北石油大學， 2022.

［13］ 馬文章， 肖飛云， 王勇.一種穿戴式康復外骨骼機械手的設計和分析［J］. 合肥工業大學學報（自然科學版）， 2022， 45（3）： 307-314.

［14］ 陳逗逗. 帶式輸送機齒輪傳動系統的優化設計［J］. 煤礦機械， 2022， 43（11）： 12-14.

［15］ 丁建， 丁潔. 鏈條傳動機構優選方案［J］. 內燃機與配件， 2017（3）： 52-53.

［16］ 楊瑩珠， 陳俊琦， 黃秀杰等. 基于462例華南籍大學生探討影響手指同身寸長度的因素［C］ // 廣東省針灸學會. 廣東省針灸學會第十一次學術研討會論文匯編. 廣州：南方醫科大學中醫藥學院， 2010： 3-5.

［17］ 唐金松. 簡明機械設計手（第二版）冊［M］. 上海：上海科技技術出版社， 1992： 197-201.

［18］ 深圳市宗泰電機有限公司. 圓滾式電磁鐵［EB/OL］. ［2023-03-12］. http：//www.zanty.com/ ProductsStd_460.html.

Design on Single-drive Multi-finger Flexible Exoskeleton Manipulator

GAO Meng-yang，WANG Yu，LIU Huan-yu，CHEN Ming-xiang

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071，China）

Abstract：

To achieve a smoother， more flexible， lightweight， and cost-effective exoskeleton hand， a design based on flexible cable transmission was implemented. The entire hand is equipped with ten drive cables， powered by a single servo motor（single drive）. Through the action of the transmission structure and the on/off control of electromagnetic coils， the motion output from a single power source is effectively distributed to the five fingers' drive cables. Real-time control is applied to the two drive cables on each finger， generating the required range of motion. This design reduces the volume and weight of the exoskeleton hand's power unit and lowers production costs.

Keywords：

exoskeleton hand; flexible cable drive; single drive multi-action; single finger multiple drives; electromagnetic brake