輕型化外骨骼手功能康復(fù)訓(xùn)練器穿戴式仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),醫(yī)學(xué)工程論文

輕型化外骨骼手功能康復(fù)訓(xùn)練器穿戴式仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),醫(yī)學(xué)工程論文引言腦卒中(stroke)是一種突發(fā)性腦血液循環(huán)障礙疾病。根據(jù)我們國家腦卒中高危人群篩查和干涉項(xiàng)目的醫(yī)改重大專項(xiàng)中期的數(shù)據(jù)調(diào)查分析，我們國家40歲以上的腦卒中的患者約有1036萬人。在腦卒中諸多后遺癥中，偏癱占很大比例。由于人手關(guān)節(jié)數(shù)量多，動作精細(xì)程度高，因而，在各類偏癱的康復(fù)治療中，手功能康復(fù)治療最為困難。醫(yī)學(xué)理論和實(shí)踐證明，肢體損傷或偏癱的患者為了防止肌肉廢用性萎縮，必需要進(jìn)行有效的肢體康復(fù)訓(xùn)練，而且合理的康復(fù)訓(xùn)練還有助于神經(jīng)系統(tǒng)的重塑。為了讓手功能障礙患者自主地進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，制作一種幫助其恢復(fù)手部運(yùn)動功能的康復(fù)器械是特別必要的。隨著傳感器技術(shù)、材料技術(shù)、控制技術(shù)、仿生學(xué)技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，手指康復(fù)外骨骼訓(xùn)練器的研究獲得了很大的進(jìn)展。通過對手指康復(fù)訓(xùn)練器的發(fā)展現(xiàn)在狀況進(jìn)行研究可知，國內(nèi)唯一構(gòu)成比擬成熟產(chǎn)品的是香港理工大學(xué)的肌動機(jī)械手機(jī)器人，但該產(chǎn)品體積和重量大，無法實(shí)現(xiàn)便攜式穿戴。國外的相關(guān)研究工作開展得比擬早，技術(shù)比擬成熟并構(gòu)成產(chǎn)品的代表有意大利IDＲOGENET公司的智能手功能康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人Gloreha和德國FESTO開發(fā)的基于腦電信號控制的外骨骼手機(jī)器人ExoHand。上述國內(nèi)外的3個代表性的產(chǎn)品都屬于中大型康復(fù)設(shè)備，其外設(shè)模塊體形都比擬大，另外它們的價(jià)格都普遍偏高，不合適家庭購買使用。為克制現(xiàn)存產(chǎn)品的整體呈中大型設(shè)備和價(jià)格較高的問題，并能夠結(jié)合日常生活輔助來提高手功能康復(fù)訓(xùn)練效果，本研究提出并設(shè)計(jì)一款用于腦卒中患者日常生活輔助使用的輕型化外骨骼式手功能訓(xùn)練器。本研究的目的是研制一款輕便型外骨骼手功能康復(fù)訓(xùn)練器，主要適用的對象是具有手功能障礙的腦卒中患者，該類患者穿戴所設(shè)計(jì)的輕型化外骨骼手功能訓(xùn)練器能夠隨時(shí)隨地進(jìn)行手部康復(fù)訓(xùn)練，進(jìn)而到達(dá)手功能部分或全部恢復(fù)的效果。外骨骼手功能訓(xùn)練器在知足合適患者手穿戴訓(xùn)練功能的前提下，通過優(yōu)化構(gòu)造、選用適宜材料等手段盡可能的減輕機(jī)械構(gòu)造的整體重量，進(jìn)而減輕患者佩戴訓(xùn)練時(shí)的承重負(fù)擔(dān)。本研究主要對輕型化外骨骼手功能康復(fù)訓(xùn)練器的穿戴式仿生構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計(jì)，并完成手指仿生構(gòu)造的運(yùn)動仿真分析，以及在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行正常人的穿戴實(shí)驗(yàn)與關(guān)節(jié)活動度實(shí)驗(yàn)。1手指運(yùn)動仿生機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)所研究的輕型化外骨骼手功能康復(fù)訓(xùn)練器，其機(jī)械機(jī)構(gòu)最基本的功能是能完成驅(qū)動手指各關(guān)節(jié)在一定活動范圍內(nèi)進(jìn)行屈伸運(yùn)動，在這里基礎(chǔ)上外骨骼手功能訓(xùn)練器還要合適患者穿戴進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。為簡化構(gòu)造及降低手功能訓(xùn)練器整體的重量，將設(shè)計(jì)的輕型化外骨骼手功能訓(xùn)練器將分為拇指運(yùn)動仿生機(jī)構(gòu)和四指運(yùn)動仿生機(jī)構(gòu)，華而不實(shí)拇指運(yùn)動仿生機(jī)構(gòu)通過一個電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動拇指進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，四指運(yùn)動仿生機(jī)構(gòu)通過另外一個電機(jī)驅(qū)動四指同步進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。對于拇指掌骨關(guān)節(jié)和四根手指的近端指間關(guān)節(jié)，其康復(fù)訓(xùn)練均采用指背式的滑槽仿生機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)該處關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動，如此圖1所示。同時(shí)設(shè)計(jì)近節(jié)指骨驅(qū)動件與近節(jié)指骨的指背貼合并由柔性帶連接，中節(jié)指骨驅(qū)動件與中指指骨的指背貼合也由柔性帶連接，以保證患者手指良好的隨動性。對于拇指運(yùn)動仿生機(jī)構(gòu)，僅需一個電機(jī)與一個關(guān)節(jié)仿生機(jī)構(gòu)相連，實(shí)現(xiàn)拇指掌骨關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動。對于四指運(yùn)動仿生機(jī)構(gòu)，采用擬合直線的方式方法取一條近似通過四指各掌指關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動中心的直線作為四指掌指關(guān)節(jié)的共同轉(zhuǎn)軸，該機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸與四指掌指關(guān)節(jié)的擬合轉(zhuǎn)軸同軸。同時(shí)，將四指近節(jié)指骨驅(qū)動件與4個關(guān)節(jié)仿生機(jī)構(gòu)相連，實(shí)現(xiàn)4根手指的掌指關(guān)節(jié)與近端指間關(guān)節(jié)的同步聯(lián)動屈伸運(yùn)動。因此對于四指運(yùn)動仿生機(jī)構(gòu)，只需一個電機(jī)就能驅(qū)動四個手指實(shí)現(xiàn)屈伸運(yùn)動，大大降低了設(shè)計(jì)的輕型化外骨骼手功能訓(xùn)練器的重量和體積。四指掌骨關(guān)節(jié)訓(xùn)練仿生機(jī)構(gòu)如此圖2所示。由圖2能夠看出，由于四指運(yùn)動仿生機(jī)構(gòu)均與四指近節(jié)指骨驅(qū)動件相連，因此4根手指運(yùn)動的構(gòu)造及范圍完全一樣。為確定單個手指運(yùn)動的穩(wěn)定性，以驅(qū)動食指運(yùn)動的仿生關(guān)節(jié)構(gòu)造為例來計(jì)算其自由度。食指運(yùn)動仿生構(gòu)造的構(gòu)造簡圖如此圖3所示。在圖3中，CD構(gòu)件為電機(jī)減速機(jī)構(gòu)的輸出件，CD是繞C點(diǎn)在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件。該機(jī)構(gòu)中活動構(gòu)件數(shù)為7個，低副數(shù)為10個，高副數(shù)為0個。計(jì)算食指運(yùn)動仿生機(jī)構(gòu)的自由度的表示出式為:F=3n－2PL－PH=37－210=1式中，F(xiàn)為平面機(jī)構(gòu)自由度，n為平面機(jī)構(gòu)中活動構(gòu)件的數(shù)量，PL為平面機(jī)構(gòu)中低副的數(shù)量，PH為平面機(jī)構(gòu)中高副的數(shù)量。通過計(jì)算可知，食指運(yùn)動仿生機(jī)構(gòu)只要一個自由度，具有穩(wěn)定的運(yùn)動，因此五根手指在兩個電機(jī)的驅(qū)動下均有穩(wěn)定的運(yùn)動。2手指仿生機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真分析為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的輕型化外骨骼手功能訓(xùn)練器的抓握運(yùn)動符合正常人手抓握運(yùn)動規(guī)律，利用SolidWorks中的motion模塊，進(jìn)行手功能訓(xùn)練器抓握運(yùn)動的運(yùn)動仿真。運(yùn)動仿真分析以食指運(yùn)動仿生機(jī)構(gòu)作為研究對象，提取機(jī)構(gòu)中食指掌指關(guān)節(jié)和近節(jié)指間關(guān)節(jié)的運(yùn)動仿真曲線，并同擺線運(yùn)動規(guī)律表示的角位移曲線和3－4－5多項(xiàng)式運(yùn)動規(guī)律表示的角位移曲線作比照，進(jìn)而驗(yàn)證其構(gòu)造的高度仿生性設(shè)計(jì)。由于每個人手指長短不同，研究手指標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動軌跡并不能代表大部分人手指的運(yùn)動規(guī)律，因此仿真分析合理的采用了食指的掌骨關(guān)節(jié)和近端指間關(guān)節(jié)的角位移作為比擬對象。設(shè)定食指近節(jié)指骨長度為L1，中節(jié)指骨長度為L2，遠(yuǎn)節(jié)指骨長度為L3，掌指關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角為1、近端指間關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角為2，遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角為3，并建立了食指運(yùn)動分析模型，如此圖4所示。擺線運(yùn)動規(guī)律研究角位移方式方法和3－4－5多項(xiàng)式運(yùn)動規(guī)律研究角位移方式方法具有的共同特征是兩者所表示的角位移軌跡均為隨時(shí)間周期的從0開場以0結(jié)束、無剛性沖擊和柔性沖擊的連續(xù)無突變曲線。這兩種運(yùn)動規(guī)律與人類手指關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動的特征基本一致，是當(dāng)前研究手指運(yùn)動規(guī)律普遍認(rèn)可的對照規(guī)律。角位移按擺線運(yùn)動規(guī)律隨時(shí)間變化表示為【1】角位移按3－4－5多項(xiàng)式運(yùn)動規(guī)律隨時(shí)間變化表示為【2】式中，0為關(guān)節(jié)運(yùn)動的最大角度，t為時(shí)間變量，t0為角位移完成一次從0到最大角位移0的時(shí)間。將食指運(yùn)動仿生機(jī)構(gòu)簡化模型在SolidWorksmotion中進(jìn)行仿真分析，設(shè)定t0=2.5s。得到對應(yīng)食指仿真分析模型中掌指關(guān)節(jié)角位移1和近端指間關(guān)節(jié)角位移2的時(shí)間－角位移曲線。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，食指在t=0s時(shí)，1=10.18，2=0.12，因而，式(1)和式(2)相應(yīng)的調(diào)整為【3-6】式中，a和b為分別按角位移按擺線運(yùn)動規(guī)律和3－4－5多項(xiàng)式運(yùn)動規(guī)律得到的掌指關(guān)節(jié)運(yùn)動角度，a和b為分別按角位移按擺線運(yùn)動規(guī)律和3－4－5多項(xiàng)式運(yùn)動規(guī)律得到的近端指間關(guān)節(jié)運(yùn)動角度。將仿真分析得到的掌指關(guān)節(jié)時(shí)間t－角位移1曲線與式(3)表示的擺線運(yùn)動規(guī)律曲線和式(4)表示的多項(xiàng)式運(yùn)動規(guī)律曲線進(jìn)行比照，得到如此圖5所示比照圖;將近端指間關(guān)節(jié)時(shí)間t－角位移2曲線與式(5)表示的擺線運(yùn)動規(guī)律曲線和式(6)表示的多項(xiàng)式運(yùn)動規(guī)律曲線進(jìn)行比照，得到如此圖6所示的比照圖。由圖5、6能夠看出，食指運(yùn)動仿生機(jī)構(gòu)的掌指關(guān)節(jié)和近端指間關(guān)節(jié)的角位移曲線與擺線運(yùn)動規(guī)律曲線，以及3－4－5多項(xiàng)式運(yùn)動規(guī)律曲線吻合度較好。因而，本文設(shè)計(jì)的手指運(yùn)動仿生機(jī)構(gòu)能很好的模擬人類抓握動作經(jīng)過的關(guān)節(jié)運(yùn)動規(guī)律，該機(jī)構(gòu)具有良好的穿戴式外骨骼仿生性。3樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在完成手指運(yùn)動仿生機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證后，根據(jù)對18～26歲的正常成年人手指測量實(shí)驗(yàn)并結(jié)合GB正常成年人手部尺寸，研制了輕型化外骨骼手功能訓(xùn)練器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，該實(shí)驗(yàn)樣機(jī)適用于90%的由腦卒中導(dǎo)致的手功能障礙患者。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)整體重量僅約為450g，非常輕便。為了防止機(jī)械構(gòu)造對患者手部造成摩擦或者其它因素?fù)p傷，設(shè)計(jì)采用一層生物相容性材料內(nèi)襯墊間接使訓(xùn)練器與患者手部相連，同時(shí)設(shè)計(jì)有彈性的棉質(zhì)綁帶將訓(xùn)練器固定在手功能障礙患者的手上。利用該樣機(jī)在正常人手上進(jìn)行穿戴實(shí)驗(yàn)和關(guān)節(jié)活動度測量實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證其可穿戴性和仿生性。(1)穿戴實(shí)驗(yàn)手指穿戴實(shí)驗(yàn)是研究所設(shè)計(jì)的外骨骼式手功能康復(fù)訓(xùn)練器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對人手的適應(yīng)性，主要研究外骨骼手功能訓(xùn)練器在伸直狀態(tài)和握緊狀態(tài)兩個極限位置時(shí)，5根手指對輕型化外骨骼手功能訓(xùn)練器的適應(yīng)性。圖7為實(shí)驗(yàn)者的手指伸直/握緊狀態(tài)圖。(2)關(guān)節(jié)活動度測量實(shí)驗(yàn)關(guān)節(jié)活動度測量實(shí)驗(yàn)主要是為了得到患者穿戴該訓(xùn)練器后，手指的掌指關(guān)節(jié)和近端指間關(guān)節(jié)能到達(dá)的最大角度。由于拇指運(yùn)動仿生機(jī)構(gòu)和四指運(yùn)動仿生機(jī)構(gòu)均是通過關(guān)節(jié)仿生機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，且四指運(yùn)動仿生機(jī)構(gòu)具有同步聯(lián)動性，因此選用能方便觀察的食指運(yùn)動仿生關(guān)節(jié)作為測量對象。在外骨骼手功能訓(xùn)練器的食指側(cè)連接鉸鏈、四指近節(jié)指骨驅(qū)動件連接件、食指近節(jié)指骨驅(qū)動件和食指中節(jié)指骨驅(qū)動件四個零件的對應(yīng)位置上做了紅色標(biāo)記線，來獲得食指掌指關(guān)節(jié)最大屈曲角度和食指近端指間關(guān)節(jié)最大屈曲角的角度值，圖8是訓(xùn)練器上標(biāo)記線位置及測量角凝視圖。實(shí)驗(yàn)者穿戴外骨骼手功能訓(xùn)練器進(jìn)行5次抓握運(yùn)動，利用照相機(jī)拍取每次運(yùn)動四指屈曲最大位置的圖片。通過圖片處理，能夠得到實(shí)驗(yàn)者5次屈伸運(yùn)動和的角度值，如表1所示?！颈?】4討論和結(jié)論由手指穿戴實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚩闯觯O(shè)計(jì)的輕型化外骨骼手功能訓(xùn)練器具有良好的仿生性和可穿戴性。內(nèi)襯墊和可調(diào)節(jié)松緊程度的彈性棉質(zhì)綁帶既保證了訓(xùn)練器穿戴方便可靠，又使佩戴更具舒適性。適宜寬度、厚度和松緊程度的彈性棉質(zhì)綁帶保證了佩戴的松緊度且對手指康復(fù)訓(xùn)練負(fù)面影響很小，使得各個手指能夠靈敏轉(zhuǎn)動。手指也不會由于彈性棉質(zhì)綁帶繃緊影響手指血液循環(huán)。整個外骨骼手功能訓(xùn)練器通過彈性棉質(zhì)材料與人手連接，在佩戴時(shí)既能夠知足患者對舒適性的要求，也不會由于金屬材料與人手皮膚接觸造成皮膚損傷，很好解決了外骨骼手功能訓(xùn)練器與人手的穿戴配合。根據(jù)人體生理學(xué)參數(shù)可知，人體手指掌指關(guān)節(jié)和食指近端指間關(guān)節(jié)的最大屈曲角度約為90。由手指抓握運(yùn)動學(xué)仿真分析得到食指運(yùn)動仿生機(jī)構(gòu)的掌指關(guān)節(jié)的最大屈曲角度為68.5，近端指間關(guān)節(jié)最大屈曲角度為65。由關(guān)節(jié)活動度測量實(shí)驗(yàn)得到的表1可知，佩戴輕型化外骨骼手功能訓(xùn)練器的實(shí)驗(yàn)者，其食指運(yùn)動仿生機(jī)構(gòu)的掌指關(guān)節(jié)最大屈曲角度和食指近端指間關(guān)節(jié)最大屈曲角度，與運(yùn)動仿真數(shù)據(jù)特別接近且在理論范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的輕型化外骨骼手功能訓(xùn)練器的可行性及合理性。本研究通過對手指運(yùn)動仿生機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對輕型化外骨骼式手功能訓(xùn)練器的構(gòu)造設(shè)計(jì)，并試制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。對手指運(yùn)動仿生機(jī)構(gòu)的抓握運(yùn)動進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)得輕型化外骨骼手功能訓(xùn)練器的運(yùn)動符合正常人手抓握運(yùn)動規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行穿戴實(shí)驗(yàn)和關(guān)節(jié)活動度測量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表示清楚，本文研制的輕型化外骨骼手功能訓(xùn)練器具有很強(qiáng)的仿生性，安全可靠，合適手功能障礙患者穿戴進(jìn)行手部康復(fù)訓(xùn)練。本研究還將在樣機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行電氣方面軟、硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其自動控制，并盡早投入臨床實(shí)驗(yàn)，為更好的幫助手功能障礙患者完成手部的康復(fù)做出奉獻(xiàn)?！緢D略】以下為參考文獻(xiàn)［1］匡桂梅．腦卒中后偏癱患者的綜合治療［J］．中國當(dāng)代藥物應(yīng)用，2018，5(10):125－125．［2］賈曉宏．40