多段连续结构的外骨骼手指功能康复机器人.pdf

第 52 卷 第 6 期 2018 年 6 月 西 安 交 通 大 学 学 报 JOURNAL OF XI’AN JIAOTONG UNIVERSITY Vol.52 No.6 Jun. 2018 多段连续结构的外骨骼手指功能康复机器人 朱圣晨1，李敏1,2，徐光华1,2，谢俊1,2，何博1，赵晨光3，袁华3 （1.西安交通大学机械工程学院，710049，西安；2.西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室， 710054，西安；3.中国人民解放军空军军医大学，710032，西安） 摘要：针对现在手部功能康复机器人存在的不足，例如刚性结构带来的机构复杂、重量大，运动过程中 难以保证刚性连杆的转动中心与关节中心时刻对准而带来的安全问题，以及软体气动/液压结构存在的气 压源/液压源体积质量大导致便携性差等问题，提出了一种新型的由单层弹簧片驱动的多段连续结构的外 骨骼手指功能康复机器人，以协助患者进行双向的屈曲、伸展运动。该结构具有良好的柔顺性，使得人 手与外骨骼机器人之间的相互作用更加安全，设计的机构可以将线性运动转化为手指关节的旋转运动， 通过单个电机输入即可协助患者在足够大的运动范围内进行康复训练。通过对该外骨骼的特性测量实验， 数据表明该外骨骼可以协助患者在一定角度范围内进行手指的屈曲、伸展运动，并能够在指尖产生足够 的指尖力。论文提出的设计对其他的康复机器人有一定的参考作用，具备工程使用价值。 关键词：手指功能康复；外骨骼；多段连续结构；手指屈曲、伸展。 中图分类号：TP206 文献标志码：A 文章编号：0253-987X(2018)06-0000-00 Finger Exoskeleton for Rehabilitation of Finger Extension and Flexion by Multi-Segment Mechanism ZHU Shengchen1, LI Min1,2, XU Guanghua1,2, Xie Jun1,2, He Bo1,ZHAO Chenguang3,YUAN Hua3 （1. School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, 7 Xi'an 10049, China；2. State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China; 3. The Fourth Military Medical University，Xi'an 710032，China） Abstract：Aiming at shortcomings of current hand function rehabilitation exoskeleton, such as the complicated mechanism and heavy weight due to the rigid structure, as well as the safety problems caused by the joint misalignment during the rehabilitation movements. Another problem is that air source and liquid reservoir of pneumatic and hydraulic exoskeleton greatly increase the size of the whole system. This paper proposes a novel exoskeleton for rehabilitation using a multi-segment mechanism driven by one layer of steel spring to assist both extension and flexion of the finger. The structure has good flexibility to make the interaction between exoskeleton and patients safer. This mechanism can generate enough range of motion with a single input by distributing an actuated linear motion into rotational motions of the finger joints. The experiments show that the exoskeleton can assist patients to flex and stretch their fingers within enough motion ranges and generates sufficient fingertip force. Keywords ： finger function rehabilitation; exoskeleton; multi-segment mechanism; finger flexion/extension 手功能健全是人能否独立生活的主要因 [1] 素 。丧失部分或全部手指运动能力将使人无 法正常完成日常生活动作，降低患者的生活质 量[2]。中风后手指肌无力是手功能丧失的主要 表现，将会导致手指无法伸展 [3]。研究表明对 中风患者进行持续高强度的重复训练有助于 手部运动功能的康复[4]。传统的中风康复治疗 中，需要治疗师与患者进行一对一的手把手式 收稿日期：2017-10-12。 作者简介：朱圣晨（1992-），男，硕士生；李敏（通信作者），女，副教授。 基金项目：国家自然科学青年科学基金资助项目（51505363）；中国博士后科学基金面上资助项目（2015M570821）。 网络出版时间： 2018-03-01 11:14:17 网络出版地址： http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20180301.1114.016.html y2 西 安 交 通 康复治疗，这种方法不仅成本高昂、劳动量大， 而且无法保证康复训练效率和强度，缺乏康复 训练参数，导致无法对训练参数优化来获得最 佳治疗方案 [5]。因此近年来，机器人技术越来 越多地应用于康复训练，人们期望机器人能够 提供比人工治疗更好的训练和定量的评估恢 复状态。研究表明，患者在机器人辅助下进行 一定强度的重复康复训练可以显著改善手部 运动功能 [2]。康复机器人装置除了是一种康复 治疗辅助手段，还可为永久性失去手功能或手 功能减弱的这一部分中风患者提供帮助。 图 1 多段连续结构外骨骼手功能康复机器人 手功能康复机器人可以分为端点交互式 和外骨骼式。端点交互式的装置通常位于手掌 背侧，向指尖施力帮助手指运动[6]。然而，这 种类型的设备无法使患者利用触觉信息自然 地与感知对象接触 [7]。外骨骼式手功能康复装 置与患者手绑定，并且具有运动耦合的特点。 由于手的多功能性和复杂性，开发用于康复和 辅助手运动的手部外骨骼机器人具有一定的 挑战性[1,8]。如何设计出适应各种手大小的外 骨骼装置是目前的挑战之一。目前，手指康复 外骨骼已经成为康复工程及机器人学科的一 个研究热点方向[9]。 目前的手外骨骼装置主要使用线驱动、连 杆驱动和液压/气动驱动机构[10]。基于连杆的 刚性机械设计广泛应用于手外骨骼装置[11-12]， 这一结构具有良好的鲁棒性与可靠性[8,10]。然 而，在运动过程中连杆结构的旋转中心难以和 人手指关节中心时刻保持对准，因此需加入位 置补偿[10]。 目前的补偿方式不可避免地增加了 连杆机构的复杂性和冗余性[12]。此外，刚性机 械设计也会引发患者的使用安全问题，使得设 备的使用需在专门的监管下进行[10]。另外，具 有连杆机构的手部外骨骼装置的尺寸、重量、 机械复杂度等往往会导致操作难度直线上升 ———————— 大 学 学 报 第 52 卷 [8] 。上述缺点使得这种外骨骼的实际应用困难 重重。 软体机器人作为机器人发展的新兴领域 近来受到越来越多的关注[14]。软体手外骨骼多 采用硅橡胶制造的气压或液压驱动的装置来 协助手指进行屈曲或伸展运动，这样的驱动方 式使设备的结构变得简单紧凑[10,15]。然而，气 动/液压制动需要气压源或液压源等装置，将 会增加整个系统的尺寸。此外，由于超弹性材 料的非线性变形使得控制器的设计变得异常 困难[15]。而且，材料的膨胀问题可能会导致设 备寿命周期缩短[15]。 双向驱动人手指的屈曲和 ， 伸展，对于手部功能康复装置至关重要 [7] [10,15] ，而大量现有装置仅提供手指屈曲运动辅 助。 与连杆结构相比，线驱动机构模拟实际人 类手指运动驱动并且大大减小手部外骨骼装 置的尺寸[16,17]。然而，由于线驱动只能单向传 递力的作用，如果要之具有双向驱动的功能， 结构可能会变得很复杂。为了能使线驱动机构 具有双向驱动的功能，Borboni 等人提出了使 用双向驱动套索的手部外骨骼装置，其中套索 内线在伸展运动期间可作为线驱动工作，并且 在屈曲期间作为弯曲的固定在手套的远端部 分的弹性梁[17]。但是， 线驱动机构会受到摩擦、 线拉伸等问题的困扰[7-8] 。Arata 等试图通过 具有三层滑动弹簧机构的外骨骼手来解决这 些问题[8]。 根据以上研究背景，为开发出一种辅助患 者进行手指功能康复的外骨骼机器人，本文提 出了一种由单层弹簧片驱动的多段连续结构 的新型手功能康复外骨骼机器人，旨在协助患 者在接近正常人手指运动的范围内进行拉伸、 屈曲运动，并且在手指尖产生足够的协助力。 由于多段连续体结构的固有特点，外骨骼与人 手指指尖无需联合对准，从而增强了设备的简 单性和灵活性。此外，其良好的柔顺性使人与 手部外骨骼指尖的相互作用更加安全。该机构 可以将线性运动转化为手指关节的旋转运动。 该手部外骨骼康复机器人的特征包括：低复杂 性、紧凑性、双向制动、低成本、便携性以及 安全的人机交互。 1 结构设计 1.1 设计需求 本设计的目标用户是无法自主进行屈曲/ http://zkxb.xjtu.edu.cn ———————— 第6期 朱圣晨，等：基于多段连续结构的外骨骼手指功能康复机器人 伸展手指运动，但其他上肢关节包括手腕、肘 部和肩关节功能完好的人。为了达到手部康复 的目的，外骨骼应该使使用者在日常生活中获 得最小的干扰，并且能够产生足够的力量以协 助使用者在手指正常或稍微小的运动范围内 进行屈曲和伸展。本手功能康复外骨骼被设计 用于协助患手进行连续被动运动（CPM）康复 训练。 CPM 理论是指在治疗师或康复机器人 的帮助下，在规定的时间长度内按预定顺序被 动地移动患者关节的一种康复训练方法。施加 在患者关节的外力不应大于生理值，并且应严 格遵守关节自身运动的自由度（DOF） [17] 。 CPM 理论已被证明对神经受损的病人有效 [18] ，同时 CPM 康复训练不要求高精度的运动 轨迹 [17]。 为了实现最小的运动干扰，外骨骼应被限 制在手指的背面，外骨骼的宽度不应超过手指 宽度。在本设计中，手指背面的外骨骼的几何 尺寸被约束至 20 mm。目前手功能康复外骨骼 的重量普遍在 3 kg 至 5 kg 的范围内[10]。手功 能康复系统如果要在更广泛的中风人群中使 用，则系统的减重显得尤其重要[19]。 在本文中， 外骨骼的目标设计重量需低于 1 kg。 手功能康复外骨骼必须具有 3 个弯曲自 由度来锻炼手指的 3 个关节，即近指关节 （ PIPJ ）， 掌 指 关 节 （ MCPJ ） 和 远 指 关 节 （DIPJ）。对于一些康复应用，只需覆盖手指 的运动范围，每根手指的 MCPJ，PIPJ 和 DIPJ 都不必具有独立的运动。大拇指、食指、中指 的三指尖捏动作需要食指的 MCPJ，PIPJ 和 DIPJ 食指分别弯曲 46°、48°和 12°[16]。对于康 复训练的手指运动速度，治疗师建议手指关节 屈曲/伸展周期的时间低于 20s[17]。必须注意的 是，应该始终避免所有这些关节的过度伸长。 手功能康复外骨骼对手指施加的力量应 能够使其进行正常的康复训练，此外，在患手 的指尖处产生的指尖力应有助于患者操纵日 常常用物体所需的抓握力，完成一些功能任务 所需的指尖力通常低于 20 N [20]。 Polygerinos 等人的研究表明外骨骼在每根手指的指尖产 生约 7.3 N 的力可以实现握拳动作，拾取质量 小于 1.5 kg 的物体[19]。现有的康复设备可以提 供 7 N 和 35 N 之间的输出力[16-17,19]。 为了满足不同患手情况，本设计允许通过 定制来适应不同的患手尺寸和不同的康复阶 段。 ———————— y3 1.2 设计概念 根据我们既定的设计要求，本文设计并制 造组装了该手功能康复外骨骼。在本设计中， 每个手指由一个直线推杆电机驱动手指伸展 和弯曲，从而使得整体结构变得紧凑。本文提 出了一种具有弹簧片的多段连续结构，它具有 良好的柔顺性，可以避免运动过程中手指关节 中心和传统连杆结构中心存在偏差的问题。如 图2所示，弹簧片由直线推杆电机提供的直线 运动输入而滑动和弯曲，整体结构变形弯曲。 当该外骨骼附着在手指背面时，它可以协助手 指进行屈曲、伸展运动，但是目前的结构并不 适用于拇指内收和外展。 基于以上的机构设计，我们开发了一个手 指外骨骼原型机。图1为原型机的图片。本设 计中采用魔术贴来使手功能康复外骨骼的手 指驱动器与手套结合，因此医师或者患者可以 很方便的更换不同的驱动器。多段连续结构由 VisiJet Crystal 材料制成，使用3D 打印技术成 型（3D 打印机型号为3D Systems MJP3600） 。 电 机 装 载 台 和 固 定 装 置 使 用 3D 打 印 机 （D3020，Shenzhen Sundystar technology Co.， Ltd，中国）制造，其材料为 ABS 树脂。原型 机整机重量包括手套为165.4 g，远低于设计重 量（1 kg）。本设计中使用了两种型号的直线 推杆电机，其参数如表1所示。弹簧片的厚度 和长度分别为0.3 mm 和80 mm，宽度略小于外 骨骼宽度。多段连续结构的单个小块的尺寸为 12 mm ×10 mm× 5 mm。 图 2 多段连续体弯曲示意图 表1 直线推杆电机参数 型号 质量 /g 电机行 程/mm 位置精 度/mm 最大速 度/mms-1 最大单 边力/N L12-30100-12-I L12-50210-12-I 34 30 0.2 12 40 40 50 0.2 5 30 2 原型机特性实验 http://zkxb.xjtu.edu.cn ———————— 西 y4 安 交 通 本文实验测定了实验对象佩戴该原型机 后左手食指的各个关节运动范围及手指的指 尖力，初步评估了该原型机的性能。 2.1 关节角度测试 本文的实验对象为一位24岁的男性，测试 手为左手。如图3a 所示为手指关节角度定义。 为了得到实验对象的手指进行屈曲、伸展运动 时手指关节的运动范围，本文使用了 VICON 运动捕捉系统，该系统具有10个以500 FPS 频 率采样的 T40 MX 摄像机，将9 mm 直径的红 外标记球附着到健康的被试者的手指关节，如 图3b 所示，用以记录运动过程。在主动运动 环节中，被试者进行主动的手指弯曲和伸展运 动，弯曲和伸展运动的起点和终点均为手指与 掌背平行，得到被试者主动运动时关节运动的 最大范围；在被动运动环节中，被试者穿戴上 该外骨骼原型机，来协助被试者进行手指的弯 曲和伸展运动，图4为各关节上的红外标记点 的运动轨迹。图3a 展示了关节角度的定义。 将单个关节的被动角度范围与主动运动的关 节角度范围进行比较，结果如图4和图5以及表 2所示。主动运动和被动运动实验均进行五组 实验，每组实验包含十个食指屈曲、伸展运动 大 学 学 报 第 52 卷 运动时的最大运动范围的61.2%，近指关节可 以达到最大运动范围的46.9%；掌指关节可以 达到最大运动范围的45.5%。接着计算了被动 运动时达到关节最大角度的平均时刻处于一 个循环周期的时间位置，这3个关节的角度达 到最大时分别位于一个循环周期时间位置的 50.1%、48.8%和51.8%，基本处于一个循环周 期的中间时刻，符合健康人手的运动规律。使 用 行 程 为 50 mm 的 直 线 推 杆 电 机 (L12-50-210-12-I)时，远指关节可以达到主动 运动时的最大运动范围的78.1%，近指关节可 以达到最大运动范围的66.9%；掌指关节可以 达到最大运动范围的79.4%。计算发现，被动 运动时这三个关节的角度达到最大时分别位 于一个循环周期时间位置的51.6%、49.7%和 50.1%，也基本符合健康人手的运动规律。 表2 关节运动范围 关节名称 运动范围/° 主动运动 被动运动 30mm 电机 50mm 电机 DIP 22.24 13.62 17.38 PIP 70.12 32.92 46.93 MCP 48.62 22.13 38.59 (a)关节角度定义示意 (a) 30mm 行程电机驱动的手指关节轨迹 (b)红外标记点 图3 关节角度定义及红外标记点示意图 循环。使用行程为30 mm 的直线推杆电机 (L12-30-100-12-I)时，远指关节可以达到主动 ———————— （b）50mm 行程电机驱动的手指关节轨迹 http://zkxb.xjtu.edu.cn ———————— 第6期 朱圣晨，等：基于多段连续结构的外骨骼手指功能康复机器人 人手指实现的关节弯曲角度小于人手指主动 运动时的关节弯曲角度，但两者的运动过程及 规律一致。康复训练必须在无痛的前提下进 行，因此不必达到正常人手运动的全范围，所 以可认为本文提出的原型机采用50 mm 行程 (L12-50-210-12-I)的电机足以用于辅助患者进 行 日 常 生 活 和 手 指 功 能 恢 复 ,30 mm 行 程 (L12-30-100-12-I)的电机不足以产生足够范围 的关节运动。 2.2 输出指尖力测试 指尖力的测量采用了手指 TPS（Pressure Profile Systems，USA）系统用于测量手功能 康复外骨骼在指尖处的输出力，该指尖力传感 器厚度为2~3 mm，测量最大值为22.73 kg，分 辨率为0.045 kg，采样频率为40 Hz。 输出指 尖力测试的实验装置如图6所示。图7所示的结 果 表 明 ， 使 用 30 mm 行 程 的 电 机 (L12-30-100-12-I) 所 产 生 的 最 大 指 尖 力 为 15.36 N ， 使 用 50 mm 行 程 的 电 机 (L12-50-210-12-I) 所 产 生 的 最 大 指 尖 力 为 17.49 N。如本文第二部分所述，在每根手指 指尖施加约7.3 N 的力，即可实现手指握拳， 完成拾取小于1.5 kg 的物体的动作。因此可认 为本文所提出的手功能康复外骨骼可以协助 患者完成日常常用动作。 （c）主动运动手指关节轨迹 图4 30mm 电机驱动、50mm 电机驱动及 主动运动、关节运动轨迹 (a)近端指关节 (b)掌指关节 图6 测量指尖力 (c) 远端指关节 图5 关节运动范围 图 7 指尖力测量结果 虽然本文提出的手指外骨骼原型机协助 ———————— y5 3.3 讨论 http://zkxb.xjtu.edu.cn ———————— 西 y6 安 交 通过以上实验数据及分析可知，本文所提 出的多段连续结构的手功能康复外骨骼基本 实现了预期功能，能够协助患者进行一定角度 范围内的 CPM 康复训练，并且可在指尖产生 足够的指尖力来协助患者完成日常动作，具有 改善手功能障碍患者康复训练效果的可能。与 文献[8]中具有三层滑动弹簧机构的手功能康 复外骨骼设计相比，本文提出的机制复杂度较 低，同时能够在指尖产生更大的指尖力。与文 献[17]中提出的手功能康复外骨骼相比，本文 的设计可以避免空气压缩机等增大整体尺寸 的问题。基本完成了本文的研究目标，将来需 要实际应用到手指功能障碍患者的康复训练 中来进一步验证该外骨骼性能。 4 通 大 学 学 报 第 52 卷 impairment in chronic stroke[J]. 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