一种新型手功能康复机器人的设计与研究

一种新型手功能康复机器人的设计与研究

0手功能康复机器人上肢残疾人患者的手功能通常表现为屈曲和痉挛，手屈张力占据第一位，手指关节和手掌之间的伸展难以伸展，手和手指失去了握力、侧压、手掌和手指等精细运动功能。因此，痉挛是早期手功能训练的主要问题。康复训练主要采用被动痉挛法。目前，临床上，治疗师通常会提供个性化的训练方法，以便教师帮助患者恢复疾病手的所有关节。这样，不仅培训效率和培训强度很难保证，培训效果也受到教师水平的影响，教育参数和康复效果之间的客观数据难以评估，因此很难优化培训参数，以达到最佳的治疗方案。随着科技水平的不断提高和新兴交叉学科的不断涌现,国内外越来越多的研究机构将机器人技术应用于患者的运动功能恢复,研制相关的康复机器人。近年来,手功能康复机器人的研究得到迅速发展,并成为一个专门的研究领域。目前,手功能康复装置的驱动形式主要有电机驱动和气动肌肉驱动两大类。美国TheraTechEquipment公司开发的KinetecMaestraPortableHandCMP是电机驱动形式的手部康复设备。而美国新泽西州立大学开发的RMⅡ-NDHandMaster以及KMI公司研制的HandMentor则采用气动肌肉驱动,与电机驱动形式相比,采用气动肌肉具有成本低、柔顺性好、安全性高、质量小、噪声低等优点。但RMII-NDHandMaster采用类似手套的本体结构,不易穿卸,在手掌安置的气动肌肉使得手指运动范围受到限制,而HandMentor则只能辅助偏瘫患者进行手腕的单关节康复训练。本文设计的手功能康复机器人RHRT-1采用气动肌肉驱动,能辅助患手完成多关节复合运动功能训练。1rhst-1机械结构的应用与正常人肢体相比,瘫肢更为脆弱,更容易受到损伤,因此必须设计合适的机构以保证患者的安全性。RHRT-1与人体相接触的穿戴部分都采用聚乙烯、聚丙烯等热塑材料制作,这些材料的共同优点是轻便、美观、卫生、可塑性好、加工方便。制成后的手功能康复机器人更加符合生物力学要求,不仅穿戴时更加舒适,而且治疗效果也更好。RHRT-1的机械结构如图1所示,机械结构后方安装两条气动肌肉,气动肌肉后端连接拉力传感器,用于测量气动肌肉的拉力。其中一根气动肌肉前端连接一根钢丝,通过滑轮与前方拉杆相连,气动肌肉收缩时,拉杆带动分指指托旋转,拉动手指伸直;另一根气动肌肉与拇指相连,辅助拇指外展。各关节处都安装角度传感器,用于测量关节旋转的角度。通过这些机械构造可辅助患手完成伸展、抓握等动作,有效减轻水肿,避免肢体痉挛及非麻痹性肌肉萎缩,使运动尽可能达到协调和随意,提高活动自由度,使肢体功能得到好的恢复,缩短康复疗程,降低治疗费用。采用气动肌肉驱动使机器人更具柔顺性且适合穿戴。1.1外接负载的选择Mckibben型气动肌肉(图2)是一种由压缩空气控制的可收缩的直线驱动器,其内部是弹性很好的橡胶管,外层为抗拉强度很高的纤维编织网套,橡胶管与纤维编织网套在两端用钢箍固定,当充入气体后,橡胶管向外膨胀,与外层纤维网接触,进而产生轴向收缩,所产生的拉力可以驱动外接负载。气动肌肉构造简单,柔顺性好,但具有严重的非线性和时变特性,使其难以精确控制。驱动四指(除拇指外的其余四指)的气动肌肉a选择外径14mm、壁厚1.5mm的乳胶管和初始编织角25°、直径20mm的编制网套制成;驱动拇指的气动肌肉b用外径12mm、壁厚1mm的乳胶管和初始编织角25°、直径18mm的编制网套制成。表1是两种气动肌肉实际测得的参数。收缩状态的数据是在充气压力为0.4MPa、负载为30N(最大负载)时测得的;初始状态的数据是在负载为0、内部压力为1.01×105Pa(标准大气压)时测得的。驱动四指时,通过滑轮将气动肌肉的直线收缩力转化为关节转动所需要的驱动力,保证气动肌肉的收缩力始终沿气动肌肉轴向,气动肌肉就不会出现扭转、弯曲等状态,从而提高了气动肌肉拉力的利用率,延长了气动肌肉的使用寿命。1.2气动肌肉行程仿真通过实验知道,驱动四指的气动肌肉在初始长度为240mm、负载30N的情况下,充气气压达0.4MPa时,产生轴向收缩行程为60mm,收缩率为25.0%,而通过实验测得将四指拉直需要的行程为100mm,为了解决气动肌肉行程短的问题,设计了一种传动轮,如图3所示,大轮直径d1与小轮直径d2的比值为3∶1,则两者周长之比也为3∶1,显然,将与气动肌肉相连的绳索绕在小轮之上,连接四指的绳索绕在大轮之上后,气动肌肉收缩可带动绳索产生3倍行程的收缩,从而解决了气动肌肉收缩行程不足的问题。1.3指数字视阈下的四指关节的结构RHRT-1驱动人手四指的部分只有1个自由度,驱动2个活动关节,分别对应于人手的掌指关节和指间关节,驱动拇指的部分具有1个自由度,实现拇指的外展。各关节处都设计了机械限位装置以保证患手的安全,以四指伸展、拇指靠在掌侧的状态作为初始位置,掌指关节转动的角度范围为0°~85°,指间关节转动的角度范围为0°~90°,拇指关节转动范围为0°~90°。为了增大力矩,驱动四指的部分采用拉杆增加力臂,如图4所示,转动轴上安装角度传感器,用来测量指间关节旋转的角度。气动肌肉收缩时,拉杆带动分指指托旋转,使手指伸展。掌指关节的结构如图5所示,关节的下方安装导轨,导轨上的滑块可自由滑动,滑块与手背上方的压指板连接,这样的结构既能适应手指伸展时肌肉收缩的变化,又能减小机械部分与手指背部的摩擦,保证穿戴更加舒适;关节旋转处安装角度传感器,用来测量掌指关节旋转的角度,上方还安装了行程转换的传动轮。2气动肌肉控制模块的应用手功能康复机器人RHRT-1控制系统的组成如图6所示,由计算机系统、气动系统、USB-4716采集卡以及信号调理电路板4个部分组成。穿戴式机械本体穿在患者的前臂部分,安装在本体上的力传感器和位移传感器用于获取气动肌肉的拉力和患手的姿态信息;上位机提供虚拟现实的游戏环境,来提高患者主动参与康复训练的积极性;气动系统包括空压机、过滤减压阀以及电气比例阀等,为机器人提供驱动所需的安全、稳定的气源;信号处理电路板及USB-4716数据采集卡采集角度传感器和力传感器的数据,同时根据患手-机器人组合系统的工作状态调节电气比例阀,完成对气动肌肉的控制。为获得最佳康复效果,在辅助患者进行运动功能的康复训练过程中,机器人仅对患肢提供完成训练必需的最小驱动力,充分利用患肢的残余肌肉力。系统提取患者手部各主要肌肉(如屈拇长肌、屈指浅肌、伸指肌、外展拇长肌等)的表面肌电信号,并对信号进行时频分析获取其中的特定信息,把信号处理电路板上所获得的角度、力和肌电信号等数据信息作为USB-4716数据采集卡的输入,采用一定的控制算法调节电磁比例阀的控制电压,控制气动肌肉的收缩,辅助患手完成运动功能的康复训练。同时,可将采集到的患手运行状态和运动目标参数传给计算机,计算机利用虚拟现实技术将训练过程和康复效果的定量评价反馈给患者,从而提高患者进行康复训练的积极性和主动性。3游戏画面和康复效果的定量评价手部康复机器人系统还包括计算机提供的手功能康复治疗虚拟环境。计算机通过串口与控制器相连,控制器将力传感器输入的气动肌肉力、角度传感器输入的关节角度、各关节的目标角度等参数传给计算机,计算机根据输入参数实现患手运动功能康复训练过程的游戏画面和康复效果的定量评价,包括拇指和其余四指末端的当前位置和运动轨迹、各关节运动的速度和平稳性、手指末端运动轨迹和目标轨迹的偏差、机器人辅助力的大小、功能训练任务是否成功完成等指标的评定,并利用虚拟现实技术反馈给患者,将计算机生成的虚拟场景和提示信息叠加到真实场景中实现对现实的增强,提供一种康复治疗虚拟环境,包括计算机虚拟游戏、训练开始和结束的提示、训练效果的视觉和听觉反馈等。这种方式可以在机器人提供给患者机械帮助的同时,将康复训练过程和康复效果的定量评价实时反馈给患者,并可利用计算机游戏激发患者的训练兴趣,以解决当前康复训练中患者主动参与训练积极性难以提高的问题。4被动训练模式数据分析为了评估系统的性能和实现最终的临床应用,在同济医院康复科进行了初步的临床实验。考虑患者需要柔顺和平滑的运动形式,采用三次样条作为关节角度跟踪的目标轨迹,与拇指腕掌关节(CM)相对应的机器人关节初始角度为24°,目标角度为38°。其余四指的掌指关节(MCP)对应的机器人关节初始角度为123°,目标角度为148°。患者为软瘫患者,完全处于被动训练模式。采