一種新型手功能康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究

一種新型手功能康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究

0手功能康復(fù)機(jī)器人上肢殘疾人患者的手功能通常表現(xiàn)為屈曲和痙攣，手屈張力占據(jù)第一位，手指關(guān)節(jié)和手掌之間的伸展難以伸展，手和手指失去了握力、側(cè)壓、手掌和手指等精細(xì)運(yùn)動(dòng)功能。因此，痙攣是早期手功能訓(xùn)練的主要問題?？祻?fù)訓(xùn)練主要采用被動(dòng)痙攣法。目前，臨床上，治療師通常會(huì)提供個(gè)性化的訓(xùn)練方法，以便教師幫助患者恢復(fù)疾病手的所有關(guān)節(jié)。這樣，不僅培訓(xùn)效率和培訓(xùn)強(qiáng)度很難保證，培訓(xùn)效果也受到教師水平的影響，教育參數(shù)和康復(fù)效果之間的客觀數(shù)據(jù)難以評估，因此很難優(yōu)化培訓(xùn)參數(shù)，以達(dá)到最佳的治療方案。隨著科技水平的不斷提高和新興交叉學(xué)科的不斷涌現(xiàn),國內(nèi)外越來越多的研究機(jī)構(gòu)將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于患者的運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù),研制相關(guān)的康復(fù)機(jī)器人。近年來,手功能康復(fù)機(jī)器人的研究得到迅速發(fā)展,并成為一個(gè)專門的研究領(lǐng)域。目前,手功能康復(fù)裝置的驅(qū)動(dòng)形式主要有電機(jī)驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)兩大類。美國TheraTechEquipment公司開發(fā)的KinetecMaestraPortableHandCMP是電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式的手部康復(fù)設(shè)備。而美國新澤西州立大學(xué)開發(fā)的RMⅡ-NDHandMaster以及KMI公司研制的HandMentor則采用氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng),與電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式相比,采用氣動(dòng)肌肉具有成本低、柔順性好、安全性高、質(zhì)量小、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。但RMII-NDHandMaster采用類似手套的本體結(jié)構(gòu),不易穿卸,在手掌安置的氣動(dòng)肌肉使得手指運(yùn)動(dòng)范圍受到限制,而HandMentor則只能輔助偏癱患者進(jìn)行手腕的單關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練。本文設(shè)計(jì)的手功能康復(fù)機(jī)器人RHRT-1采用氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng),能輔助患手完成多關(guān)節(jié)復(fù)合運(yùn)動(dòng)功能訓(xùn)練。1rhst-1機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與正常人肢體相比,癱肢更為脆弱,更容易受到損傷,因此必須設(shè)計(jì)合適的機(jī)構(gòu)以保證患者的安全性。RHRT-1與人體相接觸的穿戴部分都采用聚乙烯、聚丙烯等熱塑材料制作,這些材料的共同優(yōu)點(diǎn)是輕便、美觀、衛(wèi)生、可塑性好、加工方便。制成后的手功能康復(fù)機(jī)器人更加符合生物力學(xué)要求,不僅穿戴時(shí)更加舒適,而且治療效果也更好。RHRT-1的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示,機(jī)械結(jié)構(gòu)后方安裝兩條氣動(dòng)肌肉,氣動(dòng)肌肉后端連接拉力傳感器,用于測量氣動(dòng)肌肉的拉力。其中一根氣動(dòng)肌肉前端連接一根鋼絲,通過滑輪與前方拉桿相連,氣動(dòng)肌肉收縮時(shí),拉桿帶動(dòng)分指指托旋轉(zhuǎn),拉動(dòng)手指伸直;另一根氣動(dòng)肌肉與拇指相連,輔助拇指外展。各關(guān)節(jié)處都安裝角度傳感器,用于測量關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度。通過這些機(jī)械構(gòu)造可輔助患手完成伸展、抓握等動(dòng)作,有效減輕水腫,避免肢體痙攣及非麻痹性肌肉萎縮,使運(yùn)動(dòng)盡可能達(dá)到協(xié)調(diào)和隨意,提高活動(dòng)自由度,使肢體功能得到好的恢復(fù),縮短康復(fù)療程,降低治療費(fèi)用。采用氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)使機(jī)器人更具柔順性且適合穿戴。1.1外接負(fù)載的選擇Mckibben型氣動(dòng)肌肉(圖2)是一種由壓縮空氣控制的可收縮的直線驅(qū)動(dòng)器,其內(nèi)部是彈性很好的橡膠管,外層為抗拉強(qiáng)度很高的纖維編織網(wǎng)套,橡膠管與纖維編織網(wǎng)套在兩端用鋼箍固定,當(dāng)充入氣體后,橡膠管向外膨脹,與外層纖維網(wǎng)接觸,進(jìn)而產(chǎn)生軸向收縮,所產(chǎn)生的拉力可以驅(qū)動(dòng)外接負(fù)載。氣動(dòng)肌肉構(gòu)造簡單,柔順性好,但具有嚴(yán)重的非線性和時(shí)變特性,使其難以精確控制。驅(qū)動(dòng)四指(除拇指外的其余四指)的氣動(dòng)肌肉a選擇外徑14mm、壁厚1.5mm的乳膠管和初始編織角25°、直徑20mm的編制網(wǎng)套制成;驅(qū)動(dòng)拇指的氣動(dòng)肌肉b用外徑12mm、壁厚1mm的乳膠管和初始編織角25°、直徑18mm的編制網(wǎng)套制成。表1是兩種氣動(dòng)肌肉實(shí)際測得的參數(shù)。收縮狀態(tài)的數(shù)據(jù)是在充氣壓力為0.4MPa、負(fù)載為30N(最大負(fù)載)時(shí)測得的;初始狀態(tài)的數(shù)據(jù)是在負(fù)載為0、內(nèi)部壓力為1.01×105Pa(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)時(shí)測得的。驅(qū)動(dòng)四指時(shí),通過滑輪將氣動(dòng)肌肉的直線收縮力轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的驅(qū)動(dòng)力,保證氣動(dòng)肌肉的收縮力始終沿氣動(dòng)肌肉軸向,氣動(dòng)肌肉就不會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)、彎曲等狀態(tài),從而提高了氣動(dòng)肌肉拉力的利用率,延長了氣動(dòng)肌肉的使用壽命。1.2氣動(dòng)肌肉行程仿真通過實(shí)驗(yàn)知道,驅(qū)動(dòng)四指的氣動(dòng)肌肉在初始長度為240mm、負(fù)載30N的情況下,充氣氣壓達(dá)0.4MPa時(shí),產(chǎn)生軸向收縮行程為60mm,收縮率為25.0%,而通過實(shí)驗(yàn)測得將四指拉直需要的行程為100mm,為了解決氣動(dòng)肌肉行程短的問題,設(shè)計(jì)了一種傳動(dòng)輪,如圖3所示,大輪直徑d1與小輪直徑d2的比值為3∶1,則兩者周長之比也為3∶1,顯然,將與氣動(dòng)肌肉相連的繩索繞在小輪之上,連接四指的繩索繞在大輪之上后,氣動(dòng)肌肉收縮可帶動(dòng)繩索產(chǎn)生3倍行程的收縮,從而解決了氣動(dòng)肌肉收縮行程不足的問題。1.3指數(shù)字視閾下的四指關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)RHRT-1驅(qū)動(dòng)人手四指的部分只有1個(gè)自由度,驅(qū)動(dòng)2個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié),分別對應(yīng)于人手的掌指關(guān)節(jié)和指間關(guān)節(jié),驅(qū)動(dòng)拇指的部分具有1個(gè)自由度,實(shí)現(xiàn)拇指的外展。各關(guān)節(jié)處都設(shè)計(jì)了機(jī)械限位裝置以保證患手的安全,以四指伸展、拇指靠在掌側(cè)的狀態(tài)作為初始位置,掌指關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度范圍為0°~85°,指間關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度范圍為0°~90°,拇指關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為0°~90°。為了增大力矩,驅(qū)動(dòng)四指的部分采用拉桿增加力臂,如圖4所示,轉(zhuǎn)動(dòng)軸上安裝角度傳感器,用來測量指間關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度。氣動(dòng)肌肉收縮時(shí),拉桿帶動(dòng)分指指托旋轉(zhuǎn),使手指伸展。掌指關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)如圖5所示,關(guān)節(jié)的下方安裝導(dǎo)軌,導(dǎo)軌上的滑塊可自由滑動(dòng),滑塊與手背上方的壓指板連接,這樣的結(jié)構(gòu)既能適應(yīng)手指伸展時(shí)肌肉收縮的變化,又能減小機(jī)械部分與手指背部的摩擦,保證穿戴更加舒適;關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)處安裝角度傳感器,用來測量掌指關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度,上方還安裝了行程轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)輪。2氣動(dòng)肌肉控制模塊的應(yīng)用手功能康復(fù)機(jī)器人RHRT-1控制系統(tǒng)的組成如圖6所示,由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、USB-4716采集卡以及信號(hào)調(diào)理電路板4個(gè)部分組成。穿戴式機(jī)械本體穿在患者的前臂部分,安裝在本體上的力傳感器和位移傳感器用于獲取氣動(dòng)肌肉的拉力和患手的姿態(tài)信息;上位機(jī)提供虛擬現(xiàn)實(shí)的游戲環(huán)境,來提高患者主動(dòng)參與康復(fù)訓(xùn)練的積極性;氣動(dòng)系統(tǒng)包括空壓機(jī)、過濾減壓閥以及電氣比例閥等,為機(jī)器人提供驅(qū)動(dòng)所需的安全、穩(wěn)定的氣源;信號(hào)處理電路板及USB-4716數(shù)據(jù)采集卡采集角度傳感器和力傳感器的數(shù)據(jù),同時(shí)根據(jù)患手-機(jī)器人組合系統(tǒng)的工作狀態(tài)調(diào)節(jié)電氣比例閥,完成對氣動(dòng)肌肉的控制。為獲得最佳康復(fù)效果,在輔助患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)訓(xùn)練過程中,機(jī)器人僅對患肢提供完成訓(xùn)練必需的最小驅(qū)動(dòng)力,充分利用患肢的殘余肌肉力。系統(tǒng)提取患者手部各主要肌肉(如屈拇長肌、屈指淺肌、伸指肌、外展拇長肌等)的表面肌電信號(hào),并對信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析獲取其中的特定信息,把信號(hào)處理電路板上所獲得的角度、力和肌電信號(hào)等數(shù)據(jù)信息作為USB-4716數(shù)據(jù)采集卡的輸入,采用一定的控制算法調(diào)節(jié)電磁比例閥的控制電壓,控制氣動(dòng)肌肉的收縮,輔助患手完成運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)訓(xùn)練。同時(shí),可將采集到的患手運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)參數(shù)傳給計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將訓(xùn)練過程和康復(fù)效果的定量評價(jià)反饋給患者,從而提高患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的積極性和主動(dòng)性。3游戲畫面和康復(fù)效果的定量評價(jià)手部康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)還包括計(jì)算機(jī)提供的手功能康復(fù)治療虛擬環(huán)境。計(jì)算機(jī)通過串口與控制器相連,控制器將力傳感器輸入的氣動(dòng)肌肉力、角度傳感器輸入的關(guān)節(jié)角度、各關(guān)節(jié)的目標(biāo)角度等參數(shù)傳給計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入?yún)?shù)實(shí)現(xiàn)患手運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)訓(xùn)練過程的游戲畫面和康復(fù)效果的定量評價(jià),包括拇指和其余四指末端的當(dāng)前位置和運(yùn)動(dòng)軌跡、各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的速度和平穩(wěn)性、手指末端運(yùn)動(dòng)軌跡和目標(biāo)軌跡的偏差、機(jī)器人輔助力的大小、功能訓(xùn)練任務(wù)是否成功完成等指標(biāo)的評定,并利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)反饋給患者,將計(jì)算機(jī)生成的虛擬場景和提示信息疊加到真實(shí)場景中實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)的增強(qiáng),提供一種康復(fù)治療虛擬環(huán)境,包括計(jì)算機(jī)虛擬游戲、訓(xùn)練開始和結(jié)束的提示、訓(xùn)練效果的視覺和聽覺反饋等。這種方式可以在機(jī)器人提供給患者機(jī)械幫助的同時(shí),將康復(fù)訓(xùn)練過程和康復(fù)效果的定量評價(jià)實(shí)時(shí)反饋給患者,并可利用計(jì)算機(jī)游戲激發(fā)患者的訓(xùn)練興趣,以解決當(dāng)前康復(fù)訓(xùn)練中患者主動(dòng)參與訓(xùn)練積極性難以提高的問題。4被動(dòng)訓(xùn)練模式數(shù)據(jù)分析為了評估系統(tǒng)的性能和實(shí)現(xiàn)最終的臨床應(yīng)用,在同濟(jì)醫(yī)院康復(fù)科進(jìn)行了初步的臨床實(shí)驗(yàn)?？紤]患者需要柔順和平滑的運(yùn)動(dòng)形式,采用三次樣條作為關(guān)節(jié)角度跟蹤的目標(biāo)軌跡,與拇指腕掌關(guān)節(jié)(CM)相對應(yīng)的機(jī)器人關(guān)節(jié)初始角度為24°,目標(biāo)角度為38°。其余四指的掌指關(guān)節(jié)(MCP)對應(yīng)的機(jī)器人關(guān)節(jié)初始角度為123°,目標(biāo)角度為148°?；颊邽檐洶c患者,完全處于被動(dòng)訓(xùn)練模式。采