劉月林 陳佳宇

引言

老年肌力受損患者由于肌力受限，在生活等方面有諸多不便，患者多采用自主恢復訓練，患肢的康復訓練方式較為單一，運動不當易對患臂產生二次傷害，而訓練程度不夠，患臂肌肉萎縮會加重肌力受損病情。長時間的患臂訓練不當，會影響肌力受損患者的肌力恢復進程，嚴重時會引發(fā)患者焦慮、自卑等心理疾病。市場中現(xiàn)有上肢助力產品多針對偏癱、老年康復等用戶，且多采用剛性外骨骼結構訓練式或體感游戲式康復模式，缺乏針對肌力受損患者的康復產品。本文通過采用仿生肌肉的仿生結構，設計一款柔性氣動上肢助力產品，培養(yǎng)用戶的自主恢復意識，提高其患臂的恢復效率，減輕患者病體壓力與心理壓力。

一、上肢助力產品設計現(xiàn)狀研究

醫(yī)院使用的訓練手部與腕部的剛性外骨骼式康復助力器械，主要利用彈簧的彈性形變牽引手部及腕部運動，從而達到訓練目的。外骨骼式助力器所設定的彈性力矩，能夠固定患肢的活動范圍，但只能使其做往復屈伸運動，訓練模式較為單一，有一定的局限性?，F(xiàn)今普遍使用于康復中心、老年社區(qū)的虛擬游戲訓練系統(tǒng).建立了網絡手套與虛擬手的映射關系，實現(xiàn)人機交互。虛擬現(xiàn)實的上肢康復手機器人訓練系統(tǒng)，具有碰撞檢測和力反饋功能，使用戶在虛擬環(huán)境中與物體交互時感覺更加真實。

目前國外對上肢助力的產品與系統(tǒng)性訓練研究較多，但是對于設備的結構輕便性設計考慮相對較少，針對特有疾病的系統(tǒng)性訓練研究層次劃分不夠明確。而國內有關康復機器人的研發(fā)中，對于上肢功能康復訓練機器人還處于起步階段，研發(fā)者大多來自于原先工業(yè)機器人領域，國內康復機器人產品也大都直接移植工業(yè)機器人技術。重慶大學研制的三自由度上肢運動康復助力裝置，是一種利用步進電機驅動的多自由度機械臂系統(tǒng)，能夠根據(jù)用戶的運動意圖輔助患肢完成取物等運動任務。該三自由度機械臂采用運動軌跡追蹤、運動速度一時間等參數(shù)進行了編程設計能夠根據(jù)患者的肩部、肘部、腕部關節(jié)的運動生理性質，進行相應的階段性控制。哈爾濱工業(yè)大學研制的五自由度外骨骼式上肢康復機器人系統(tǒng)，分別對用戶的肩部、肘部、腕部的關節(jié)屈伸、旋轉動作進行分解，再由電機控制機械臂各個關節(jié)的運動。用戶佩戴機械臂后，設備通過用戶的行為動作采集皮膚表面肌電信號，完成患臂的康復訓練。

總體上，市場中現(xiàn)有上肢助力設備主要分為兩類：第一類，外骨骼式剛性助力結構，且均需連接設備。患者佩戴并操作助力器械時，產品較為笨重，輕便性不佳，操作過程也較為復雜;第二類，VR游戲沉浸及認知訓練類，但此類產品內部傳感器與人體適配性”有待完善，且不適用于老年骨折、肌力受損等特殊病癥。我國針對上肢助力產品的研究已取得一定成果，但存在一些設計上的不足。

二、上肢生物力學分析與仿生肌肉模型

（一）上肢生物力學分析：肌力受損者常見于骨折恢復期與肌肉非炎癥性疾病。骨折分為固定期（6周）與恢復期（6周-13周）兩個時期，在恢復期間，由于骨骼固定期較長，肌肉主要表現(xiàn)為肌肉僵化，肌收縮力減退;肌肉非炎癥性疾病，主要表現(xiàn)為肌收縮力減退或消失以及肌肉萎縮等。

本研究所針對的人群為上肢肌力受損者。通過對上肢骨折患者行為過程的觀察研究得出，病患在患病恢復過程中，需承受來自心理、生理的雙重壓力。從心理層面分析，患者存在焦慮、自卑、易怒、封閉等心理狀態(tài)，不利于患臂的恢復;從生理層面分析，肌力受損者患臂呈現(xiàn)屈伸不順、無法承重等狀態(tài)，患者患臂應在恢復期進行被動、主動訓練，便于患臂肌肉的機能恢復。

肩部在運動過程中，運動范圍隨手臂抬舉高度的變化而變化，肌肉組織隨肩部運動改變運動狀態(tài)。定義以旁觀者為參照，肩部逆時針旋轉為“屈”，順時針旋轉為“伸”。肩部做逆時針旋轉動作時，肌肉組織呈收縮狀態(tài);肩部做順時針旋轉動作時，肌肉組織呈拉長狀態(tài)，肩部末施力時，肌肉組織呈靜止狀態(tài)。故上肢助力器的設計過程中，應注意患者的上肢肌肉僵直狀態(tài)，在不對其造成二次傷害的基礎上，帶動患者手臂做固定力范圍下的助力動作，達到鍛煉患肢、恢復患者肌力的作用。

手部承重時，手臂等同于速度杠桿，肘部為杠桿支點，肌肉肌腱末端為動力點（肌拉力點），手部承重時為阻力點（受力點）。手部承重過程中，上臂肌肉以肌拉力點支撐，施加肌力，肌力大小與手部所承重力大小相對應。將肩部肌肉所受力為垂直方向轉動分力與水平方向加固分力，轉動分力與加固分力合成為肌拉力，肌拉力與水平夾角為拉力角。肌力正常時，轉動分力與加固分力正常合稱為肌拉力，肌力受損時，手部承重減弱，拉力角相對常量縮小，肌拉力減弱，所分解的轉動分力與加固分力縮小，肌力受損肌拉力長時間小于正常肌拉力，會導致患者肌肉收縮力減退.嚴重則致肌肉萎縮。而骨折恢復期及其他肌力受損患者，手部承重吃力，臂部肌肉難以較正常人進行可運作范圍內的屈伸、回旋等動作，需對其進行外加施力助力，引導其患臂運動，恢復肌力，提高患者自身的康復效率，預防或減輕手臂局部的肌肉萎縮。

（二）仿生肌肉模型：（如圖1）所示，仿生肌肉是一種模仿人體肌肉的機械元件，最早的仿生肌肉模型是由物理學家Joseph L720世紀50年代提出，用于殘疾人的肢體矯正。Joseph L所提出的McKlbben型氣動肌肉，由織網結構與柱狀結構兩部分組成。織網結構包裹在柱狀結構外部，模擬人體的肌腱、肌肉纖維結構。

人體肌肉纖維有靜止、收縮、舒張三種運動狀態(tài)，處于靜止狀態(tài)時，肌肉纖維呈間隙常態(tài)，處于收縮狀態(tài)時，肌肉纖維間隙縮小，處于舒張狀態(tài)時，肌肉纖維間隙增大，以適應骨骼運動的變化趨勢。

仿生肌肉的驅動方式模擬人體肌肉纖維的伸縮方式，仿生肌肉模型柱狀結構可以隨充放氣進行體積收縮變化，從而帶動助力器的組織結構，產生助力作用，且質量輕便、響應迅速、成本低廉。本研究所設計的上肢助力產品參考仿生肌肉結構模型，貼合人體肌肉生理的伸縮、舒張?zhí)匦?，能夠提高機構的柔順性、減輕機構質量。

三、柔性氣動上肢助力產品設計實踐

目的在于設計一種上肢助力產品，運用人體工程學，結合仿生肌肉結構原理，簡化產品功能，培養(yǎng)患者的自主訓練意識，提高患者肌力的恢復效率，滿足用戶的心理需求，提升用戶體驗感。

（一）產品功能原理：柔性氣動上肢助力產品的仿生肌肉原理，采用空間彎曲柔性纖維，在維持產品助力所需剛性固定結構的同時，具備良好的收縮舒張?zhí)匦?。氣動仿生柔性結構，采用氣動肌肉驅動控制，利用氣壓傳動固有的柔陸特性實現(xiàn)結構的仿生柔性。

本設計中采用的仿生肌肉結構，采用彈性氣囊結構與網狀纖維材料組成。彈性氣囊結構柔順性、輕便性較強，網狀纖維結構能夠保持產品的剛性特性，可對患者患臂起到良好的支撐與保護作用，可助力患肢做屈伸運動，避免二次傷害。

（二）產品功能設計：本研究設計的上肢助力產品，包含被動訓練與主動訓練兩種訓練模式。被動訓練適用于骨折恢復期與肌力受損患者，產品模式根據(jù)患者患臂情況定制模式難易進度，從簡單到復雜，助力逐漸疢復患者患臂肌力;主動訓練適用于骨折康復期與肌力受損患者，根據(jù)患者主觀意識選擇訓練模式，對患肢進行走制訓練，培養(yǎng)患者的自主恢復意識。

上肢助力產品包含雙臂訓練，平衡與協(xié)調患者雙臂的康復狀況，使患者能夠及時比對左右手臂恢復情況，推進患者康復進度。

（三）人機工程學原理：（如圖2）所示，人體肩、肘、腕部活動范圍不同。在垂直方向，肩、腕部可做回旋、屈伸動作，肘部可做屈伸動作，在水平方向，肩、肘、腕部可做舒張動作。而骨折、肌力受損的患者，在臂力恢復期間，可佩戴帶上肢助力設備，對肩、肘、腕部恢復過程進行干涉，上肢的運動狀況可由僵直逐漸恢復到正常狀態(tài)，上肢助力產品的關節(jié)活動范圍均可通過編程等方式進行預設。

（四）產品設計方案：本研究采用仿生設計中結構仿生與功能仿生的設計方法，探究了肌肉的纖維組織結構，參考氣動肌肉的結構原理，模擬設計充氣氣囊式纖維結構。該結構具備仿生肌肉的收縮、舒張性能，能夠完整包裹患臂，分段助力。

根據(jù)上述人體上肢肌肉受力分析及人體測量肩、肘、腕部運動范圍分析，上肢助力機器人設計點重點分為兩部分：第一，根據(jù)肩肘腕部運動軌跡，設計助力器的施力大小、可運動方向及造型;第二，根據(jù)腕、肘、肩部運動范圍與患臂各恢復階段的運動需求，設走助力產品的不同訓練模式。

本設計的產品所屬類別為醫(yī)療設備，除去氣囊結構的特定灰色組織色彩之外，仍需滿足醫(yī)療設備的白色、藍色等器械色彩需求。考慮到產品的情感化、人性化設計原則，將其設定為氣囊彈取結構，操作簡便、功能簡易，增強產品的趣味性與輕便性，減弱醫(yī)療設備的繁重感，從而減輕用戶在產品佩戴過程中的心理壓力。

產品效果圖及使用過程圖（如圖3）所示，按壓設備表面開關按鈕，設備左右兩側彈出纖維氣囊結構，氣囊舒張完畢后，用戶可對結構從左向右進行套取穿戴，隨后將設備表面束帶結構包裹患肢上臂與大臂，用于設備的結構固定。用戶在佩戴運動過程中，設備可根據(jù)用戶自身的施力大小啟動助力模式，同時，產品能夠對用戶人體信號進行肌電信號采集，生成運動、力量、肌肉活動、心率等相關訓練數(shù)據(jù)，以滿足患者的特定需求。

結論

仿生設計、柔性氣動結構在助力設備中應用為本研究的上肢助力產品提供了諸多參考。柔性氣動結構能夠滿足用戶對助力產品的柔性需求與結構的剛性依托。后續(xù)研究將繼續(xù)深入探索產品設計過程中的人機友好性、功能具體實施方式、對比所用材料的柔性特征與所依托的肌電信號采集技術，以為柔性氣動上肢助力產品設計提供理論支持。