轻型化外骨骼手功能康复训练器穿戴式仿生结构的设计,医学工程论文

轻型化外骨骼手功能康复训练器穿戴式仿生结构的设计,医学工程论文引言脑卒中(stroke)是一种突发性脑血液循环障碍疾病。根据我们国家脑卒中高危人群筛查和干涉项目的医改重大专项中期的数据调查分析，我们国家40岁以上的脑卒中的患者约有1036万人。在脑卒中诸多后遗症中，偏瘫占很大比例。由于人手关节数量多，动作精细程度高，因而，在各类偏瘫的康复治疗中，手功能康复治疗最为困难。医学理论和实践证明，肢体损伤或偏瘫的患者为了防止肌肉废用性萎缩，必需要进行有效的肢体康复训练，而且合理的康复训练还有助于神经系统的重塑。为了让手功能障碍患者自主地进行康复训练，制作一种帮助其恢复手部运动功能的康复器械是特别必要的。随着传感器技术、材料技术、控制技术、仿生学技术等相关领域的发展，手指康复外骨骼训练器的研究获得了很大的进展。通过对手指康复训练器的发展现在状况进行研究可知，国内唯一构成比拟成熟产品的是香港理工大学的肌动机械手机器人，但该产品体积和重量大，无法实现便携式穿戴。国外的相关研究工作开展得比拟早，技术比拟成熟并构成产品的代表有意大利IDＲOGENET公司的智能手功能康复训练机器人Gloreha和德国FESTO开发的基于脑电信号控制的外骨骼手机器人ExoHand。上述国内外的3个代表性的产品都属于中大型康复设备，其外设模块体形都比拟大，另外它们的价格都普遍偏高，不合适家庭购买使用。为克制现存产品的整体呈中大型设备和价格较高的问题，并能够结合日常生活辅助来提高手功能康复训练效果，本研究提出并设计一款用于脑卒中患者日常生活辅助使用的轻型化外骨骼式手功能训练器。本研究的目的是研制一款轻便型外骨骼手功能康复训练器，主要适用的对象是具有手功能障碍的脑卒中患者，该类患者穿戴所设计的轻型化外骨骼手功能训练器能够随时随地进行手部康复训练，进而到达手功能部分或全部恢复的效果。外骨骼手功能训练器在知足合适患者手穿戴训练功能的前提下，通过优化构造、选用适宜材料等手段尽可能的减轻机械构造的整体重量，进而减轻患者佩戴训练时的承重负担。本研究主要对轻型化外骨骼手功能康复训练器的穿戴式仿生构造进行设计，并完成手指仿生构造的运动仿真分析，以及在实验样机上进行正常人的穿戴实验与关节活动度实验。1手指运动仿生机构设计所研究的轻型化外骨骼手功能康复训练器，其机械机构最基本的功能是能完成驱动手指各关节在一定活动范围内进行屈伸运动，在这里基础上外骨骼手功能训练器还要合适患者穿戴进行康复训练。为简化构造及降低手功能训练器整体的重量，将设计的轻型化外骨骼手功能训练器将分为拇指运动仿生机构和四指运动仿生机构，华而不实拇指运动仿生机构通过一个电机单独驱动拇指进行康复训练，四指运动仿生机构通过另外一个电机驱动四指同步进行康复训练。对于拇指掌骨关节和四根手指的近端指间关节，其康复训练均采用指背式的滑槽仿生机构实现该处关节的屈伸运动，如此图1所示。同时设计近节指骨驱动件与近节指骨的指背贴合并由柔性带连接，中节指骨驱动件与中指指骨的指背贴合也由柔性带连接，以保证患者手指良好的随动性。对于拇指运动仿生机构，仅需一个电机与一个关节仿生机构相连，实现拇指掌骨关节的屈伸运动。对于四指运动仿生机构，采用拟合直线的方式方法取一条近似通过四指各掌指关节转动中心的直线作为四指掌指关节的共同转轴，该机构的转轴与四指掌指关节的拟合转轴同轴。同时，将四指近节指骨驱动件与4个关节仿生机构相连，实现4根手指的掌指关节与近端指间关节的同步联动屈伸运动。因此对于四指运动仿生机构，只需一个电机就能驱动四个手指实现屈伸运动，大大降低了设计的轻型化外骨骼手功能训练器的重量和体积。四指掌骨关节训练仿生机构如此图2所示。由图2能够看出，由于四指运动仿生机构均与四指近节指骨驱动件相连，因此4根手指运动的构造及范围完全一样。为确定单个手指运动的稳定性，以驱动食指运动的仿生关节构造为例来计算其自由度。食指运动仿生构造的构造简图如此图3所示。在图3中，CD构件为电机减速机构的输出件，CD是绕C点在平面内旋转的构件。该机构中活动构件数为7个，低副数为10个，高副数为0个。计算食指运动仿生机构的自由度的表示出式为:F=3n－2PL－PH=37－210=1式中，F为平面机构自由度，n为平面机构中活动构件的数量，PL为平面机构中低副的数量，PH为平面机构中高副的数量。通过计算可知，食指运动仿生机构只要一个自由度，具有稳定的运动，因此五根手指在两个电机的驱动下均有稳定的运动。2手指仿生机构运动仿真分析为验证所设计的轻型化外骨骼手功能训练器的抓握运动符合正常人手抓握运动规律，利用SolidWorks中的motion模块，进行手功能训练器抓握运动的运动仿真。运动仿真分析以食指运动仿生机构作为研究对象，提取机构中食指掌指关节和近节指间关节的运动仿真曲线，并同摆线运动规律表示的角位移曲线和3－4－5多项式运动规律表示的角位移曲线作比照，进而验证其构造的高度仿生性设计。由于每个人手指长短不同，研究手指标记点的运动轨迹并不能代表大部分人手指的运动规律，因此仿真分析合理的采用了食指的掌骨关节和近端指间关节的角位移作为比拟对象。设定食指近节指骨长度为L1，中节指骨长度为L2，远节指骨长度为L3，掌指关节的转角为1、近端指间关节的转角为2，远端指间关节的转角为3，并建立了食指运动分析模型，如此图4所示。摆线运动规律研究角位移方式方法和3－4－5多项式运动规律研究角位移方式方法具有的共同特征是两者所表示的角位移轨迹均为随时间周期的从0开场以0结束、无刚性冲击和柔性冲击的连续无突变曲线。这两种运动规律与人类手指关节屈伸运动的特征基本一致，是当前研究手指运动规律普遍认可的对照规律。角位移按摆线运动规律随时间变化表示为【1】角位移按3－4－5多项式运动规律随时间变化表示为【2】式中，0为关节运动的最大角度，t为时间变量，t0为角位移完成一次从0到最大角位移0的时间。将食指运动仿生机构简化模型在SolidWorksmotion中进行仿真分析，设定t0=2.5s。得到对应食指仿真分析模型中掌指关节角位移1和近端指间关节角位移2的时间－角位移曲线。根据仿真数据，食指在t=0s时，1=10.18，2=0.12，因而，式(1)和式(2)相应的调整为【3-6】式中，a和b为分别按角位移按摆线运动规律和3－4－5多项式运动规律得到的掌指关节运动角度，a和b为分别按角位移按摆线运动规律和3－4－5多项式运动规律得到的近端指间关节运动角度。将仿真分析得到的掌指关节时间t－角位移1曲线与式(3)表示的摆线运动规律曲线和式(4)表示的多项式运动规律曲线进行比照，得到如此图5所示比照图;将近端指间关节时间t－角位移2曲线与式(5)表示的摆线运动规律曲线和式(6)表示的多项式运动规律曲线进行比照，得到如此图6所示的比照图。由图5、6能够看出，食指运动仿生机构的掌指关节和近端指间关节的角位移曲线与摆线运动规律曲线，以及3－4－5多项式运动规律曲线吻合度较好。因而，本文设计的手指运动仿生机构能很好的模拟人类抓握动作经过的关节运动规律，该机构具有良好的穿戴式外骨骼仿生性。3样机实验结果在完成手指运动仿生机构设计和仿真验证后，根据对18～26岁的正常成年人手指测量实验并结合GB正常成年人手部尺寸，研制了轻型化外骨骼手功能训练器实验样机，该实验样机适用于90%的由脑卒中导致的手功能障碍患者。实验样机整体重量仅约为450g，非常轻便。为了防止机械构造对患者手部造成摩擦或者其它因素损伤，设计采用一层生物相容性材料内衬垫间接使训练器与患者手部相连，同时设计有弹性的棉质绑带将训练器固定在手功能障碍患者的手上。利用该样机在正常人手上进行穿戴实验和关节活动度测量实验来验证其可穿戴性和仿生性。(1)穿戴实验手指穿戴实验是研究所设计的外骨骼式手功能康复训练器的实验样机对人手的适应性，主要研究外骨骼手功能训练器在伸直状态和握紧状态两个极限位置时，5根手指对轻型化外骨骼手功能训练器的适应性。图7为实验者的手指伸直/握紧状态图。(2)关节活动度测量实验关节活动度测量实验主要是为了得到患者穿戴该训练器后，手指的掌指关节和近端指间关节能到达的最大角度。由于拇指运动仿生机构和四指运动仿生机构均是通过关节仿生机构来实现，且四指运动仿生机构具有同步联动性，因此选用能方便观察的食指运动仿生关节作为测量对象。在外骨骼手功能训练器的食指侧连接铰链、四指近节指骨驱动件连接件、食指近节指骨驱动件和食指中节指骨驱动件四个零件的对应位置上做了红色标记线，来获得食指掌指关节最大屈曲角度和食指近端指间关节最大屈曲角的角度值，图8是训练器上标记线位置及测量角凝视图。实验者穿戴外骨骼手功能训练器进行5次抓握运动，利用照相机拍取每次运动四指屈曲最大位置的图片。通过图片处理，能够得到实验者5次屈伸运动和的角度值，如表1所示。【表1】4讨论和结论由手指穿戴实验能够看出，所设计的轻型化外骨骼手功能训练器具有良好的仿生性和可穿戴性。内衬垫和可调节松紧程度的弹性棉质绑带既保证了训练器穿戴方便可靠，又使佩戴更具舒适性。适宜宽度、厚度和松紧程度的弹性棉质绑带保证了佩戴的松紧度且对手指康复训练负面影响很小，使得各个手指能够灵敏转动。手指也不会由于弹性棉质绑带绷紧影响手指血液循环。整个外骨骼手功能训练器通过弹性棉质材料与人手连接，在佩戴时既能够知足患者对舒适性的要求，也不会由于金属材料与人手皮肤接触造成皮肤损伤，很好解决了外骨骼手功能训练器与人手的穿戴配合。根据人体生理学参数可知，人体手指掌指关节和食指近端指间关节的最大屈曲角度约为90。由手指抓握运动学仿真分析得到食指运动仿生机构的掌指关节的最大屈曲角度为68.5，近端指间关节最大屈曲角度为65。由关节活动度测量实验得到的表1可知，佩戴轻型化外骨骼手功能训练器的实验者，其食指运动仿生机构的掌指关节最大屈曲角度和食指近端指间关节最大屈曲角度，与运动仿真数据特别接近且在理论范围之内，验证了所设计的轻型化外骨骼手功能训练器的可行性及合理性。本研究通过对手指运动仿生机构设计，实现了对轻型化外骨骼式手功能训练器的构造设计，并试制了实验样机。对手指运动仿生机构的抓握运动进行仿真分析，验证了本文设计得轻型化外骨骼手功能训练器的运动符合正常人手抓握运动规律。在实验样机上进行穿戴实验和关节活动度测量实验，结果表示清楚，本文研制的轻型化外骨骼手功能训练器具有很强的仿生性，安全可靠，合适手功能障碍患者穿戴进行手部康复训练。本研究还将在样机的基础上，进一步进行电气方面软、硬件设计，实现其自动控制，并尽早投入临床实验，为更好的帮助手功能障碍患者完成手部的康复做出奉献。【图略】以下为参考文献［1］匡桂梅．脑卒中后偏瘫患者的综合治疗［J］．中国当代药物应用，2018，5(10):125－125．［2］贾晓宏．40