劉彩霞, 馬 菲, 余宏波, 劉貴乾, 郭 旭, 黃 英

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 物理學(xué)院,安徽 合肥 230601; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 微電子學(xué)院,安徽 合肥 230601)

“腦卒中”是一種危害大、發(fā)病率高的急性腦血管疾病[1],部分腦卒中患者遺留手部功能障礙,中風(fēng)后3個月是康復(fù)訓(xùn)練的黃金時期[2],但是患者憑借自身難以控制和協(xié)調(diào)手部肌肉完成康復(fù)訓(xùn)練[3],基于康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的手部康復(fù)訓(xùn)練對于患者手功能恢復(fù)能起到重要促進(jìn)作用[4-5]。

手部康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備從結(jié)構(gòu)上主要分為剛性執(zhí)行機(jī)構(gòu)[6-7]和柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)[8]。剛性執(zhí)行機(jī)構(gòu)是通過剛性構(gòu)件將驅(qū)動力傳遞到人手并帶動手指運(yùn)動的手部康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備,這類執(zhí)行機(jī)構(gòu)約束關(guān)節(jié)的驅(qū)動自由度并阻礙其自然運(yùn)動,舒適性和安全性較差。相較之下,柔性執(zhí)行機(jī)構(gòu)因結(jié)構(gòu)簡單、舒適性和安全性較高、與人手貼合度高等特點(diǎn),近年來發(fā)展迅速并逐漸成為康復(fù)訓(xùn)練方向研究的熱點(diǎn)。柔性機(jī)構(gòu)驅(qū)動方式[9-10]種類繁多,例如形狀記憶合金(shape memory alloys,SMA)驅(qū)動、電活性聚合物驅(qū)動、磁驅(qū)動和氣動驅(qū)動等。SMA驅(qū)動材料驅(qū)動頻率低、輸出力較小;電活性聚合物耦合驅(qū)動速度慢、效率低;磁驅(qū)動受磁線圈的影響,制造過程比較復(fù)雜;相較于以上驅(qū)動方式,氣動驅(qū)動技術(shù)成熟、反應(yīng)速度較快、控制簡單,被廣泛應(yīng)用于手部康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備。目前已有不少采用氣動驅(qū)動方式制作的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備。文獻(xiàn)[11]研制的康復(fù)訓(xùn)練手套集成了5個軟纖維增強(qiáng)型執(zhí)行器,能夠起到較好的訓(xùn)練效果,但該手套需要較大驅(qū)動力,與人手的貼合度較差;文獻(xiàn)[12]通過改變指節(jié)單元不同部位纖維增強(qiáng)體結(jié)構(gòu),讓執(zhí)行器在運(yùn)動過程中很好地貼合手部,同時避免了約束平臺結(jié)構(gòu),但該執(zhí)行器在設(shè)計(jì)過程需要復(fù)雜的跟蹤傳感器輔助且制作工藝復(fù)雜;文獻(xiàn)[13]采用均勻氣腔研制MRC-Glove輔助人手彎曲,提高了指節(jié)單元與手指的貼合度,但驅(qū)動過程需要復(fù)雜的約束平臺。

除結(jié)構(gòu)以外,控制方法也是決定康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備訓(xùn)練效果的重要因素。目前,國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備都以被動式控制[14-15]為主,康復(fù)訓(xùn)練周期較長,效果較弱。文獻(xiàn)[16]進(jìn)行了控制方式的創(chuàng)新,提出一種基于三維手勢體感(Leap Motion)傳感器的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備;但是基于三維手勢識別的控制需要使用者做出手勢并完成識別后才能完成控制,仍然無法實(shí)現(xiàn)主動控制。

綜合考慮康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制方法,本文基于肌電控制設(shè)計(jì)一種半定制主動式柔性氣動康復(fù)訓(xùn)練手套。借助ABAQUS軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)手套結(jié)構(gòu)尺寸,通過研究符合手部特征的單指執(zhí)行器單元確定各個氣腔尺寸,設(shè)計(jì)長、短指節(jié)并用長度可調(diào)節(jié)的連接部件連接;制作工藝方面,基于3D打印技術(shù)和流體自成型技術(shù)制作執(zhí)行器并集成到織物手套上;控制方法上,采用表面肌電控制方案,利用支持向量機(jī)(support vector machine,SVM)算法實(shí)現(xiàn)手勢分類,完成對自制柔性康復(fù)訓(xùn)練手套的主動式控制。制作的柔性康復(fù)手套具有與手部貼合度高且結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn),可以進(jìn)行抓取和鏡像康復(fù)訓(xùn)練,康復(fù)訓(xùn)練具有積極的效果。

1 柔性手套的設(shè)計(jì)與制作

柔性康復(fù)訓(xùn)練手套設(shè)計(jì)制作包括單指執(zhí)行器單元的設(shè)計(jì)、仿真和測試以及長、短指節(jié)的制作和測試。

1.1 單指執(zhí)行器單元的設(shè)計(jì)

本文康復(fù)訓(xùn)練手套是通過充氣使氣腔膨脹相互擠壓完成彎曲行為的。為提高手套單指執(zhí)行器單元在彎曲過程中與手指的貼合度,設(shè)計(jì)手指的關(guān)節(jié)部位對應(yīng)多個小氣腔,指節(jié)部分僅保留較窄的氣道。人手彎曲、均勻氣腔及非均勻氣腔的單指執(zhí)行器單元如圖1a所示,可以看出具有均勻氣腔的指節(jié)單元彎曲時呈半圓形。均勻氣腔模型和非均勻氣腔模型與人體手指彎曲的對比如圖1b所示,可以看出均勻氣腔模型明顯不符合人體手部彎曲特征,與人手部貼合性較差,而非均勻氣腔模型更適合人手部特征。

圖1 模型運(yùn)動軌跡分析

為擴(kuò)大執(zhí)行器的適用范圍,考慮到人手從靠近手掌近側(cè)指骨開始分為近節(jié)指骨、中節(jié)指骨、遠(yuǎn)節(jié)指骨,且不同人手指在近節(jié)指骨部分差異最大,將執(zhí)行器設(shè)計(jì)成長、短指節(jié),并借助長度可調(diào)連接部件相連。

單指執(zhí)行器單元如圖2所示。從圖2可以看出,手指遠(yuǎn)節(jié)指骨、中節(jié)指骨對應(yīng)長指節(jié),近節(jié)指骨對應(yīng)短指節(jié),長、短指節(jié)由可任意尺寸調(diào)整更換的連接部件連接。

圖2 單指執(zhí)行器單元

1.2 非線性力學(xué)建模與仿真

康復(fù)訓(xùn)練手套的單指執(zhí)行器單元采用硅橡膠材料制作,軟材料具有非線性力學(xué)特性,由非線性力學(xué)理論[17]分析可知,幾何尺寸參數(shù)是影響氣腔彎曲性能的主要因素。

影響氣腔彎曲角度θ的主要參數(shù)有內(nèi)部氣腔壓強(qiáng)p、氣腔高度h、底層厚度d。氣腔膨脹前、后的示意圖如圖3a所示,可以通過控制變量法進(jìn)行有限元分析。

圖3 指節(jié)彎曲角度仿真結(jié)果

當(dāng)d=1.0 mm,h為11、12、13、14 mm時的指節(jié)彎曲角度仿真結(jié)果如圖3b所示。從圖3b可以看出,在相同底層厚度和氣壓下,隨著氣腔高度h的增加,彎曲角度呈現(xiàn)增大趨勢,且彎曲角度隨著內(nèi)部氣壓的增大而增大。但氣腔高度h過高不易裝配,根據(jù)仿真結(jié)果,選擇h=14 mm作為氣腔高度參數(shù)。

當(dāng)h=14 mm,d為0.5、1.0、1.5、2.0 mm的指節(jié)彎曲角度仿真結(jié)果如圖3c所示。從圖3c可以看出,在相同氣腔高度和氣壓下,隨著底層厚度d的增加,彎曲角度呈現(xiàn)減小的趨勢,且彎曲角度隨著內(nèi)部氣壓的增大而增大。

由仿真結(jié)果可知d=0.5 mm時彎曲效果最好,但底層厚度過小會導(dǎo)致無法加入限制層且存在漲破風(fēng)險(xiǎn),而底層厚度過大會降低軟體執(zhí)行器柔性,氣壓驅(qū)動時彎曲角度達(dá)不到手指彎曲范圍,根據(jù)仿真結(jié)果,選擇d=1.0 mm作為底層厚度參數(shù)。

1.3 執(zhí)行器指節(jié)制作

基于3D打印技術(shù)制作氣動執(zhí)行器模具,制作短指節(jié)流程如圖4所示。

圖4 執(zhí)行器指節(jié)單元制作過程

設(shè)計(jì)并使用聚乳酸(polylactic acid,PLA)材料3D打印總體長43 mm、寬18 mm、高14 mm的頂部模具,總體長43 mm、寬18 mm、高1 mm的底部模具。紅葉E615硅橡膠A、B膠以1∶1的質(zhì)量比混合配置,將混合得到的流體硅橡膠放入真空機(jī)內(nèi)抽真空去除氣泡。在頂部模具中倒入流體硅橡膠,將同樣使用PLA材料3D打印定制的長45 mm、寬20 mm、梳齒高14 mm的蓋板嵌入流體硅橡膠,室溫靜置24 h后固化脫模,得到內(nèi)部氣腔高度h=14 mm、底層厚度d=1 mm的頂部模塊;取底部模具,倒入流體硅橡膠,待硅橡膠還未凝固時,向硅橡膠中置入植物纖維薄片作為應(yīng)變限制層,室溫靜置24 h固化脫模得到底部模塊,并與頂部模塊粘合,組合可以得到短指節(jié)。

利用同樣方法制作長59 mm、寬18 mm、內(nèi)部氣腔高度h=14 mm的長指節(jié)。使用TPU軟膠柔性彈性體3D打印制作長45 mm、寬20 mm、高14 mm的連接部件,制備單指執(zhí)行器單元。

1.4 長、短指節(jié)及單指執(zhí)行器單元性能測試

對長、短指節(jié)彎曲角度與氣壓關(guān)系、驅(qū)動力與氣壓關(guān)系進(jìn)行測量,結(jié)果如圖5所示。其中,圖5a、圖5b中的插圖為測量裝置。

圖5 彎曲角度與氣壓關(guān)系、驅(qū)動力與氣壓關(guān)系、彎曲測試及結(jié)果

從圖5a可以看出,在內(nèi)部氣壓20 kPa時,長、短指節(jié)分別彎曲90°、40°;從圖5b可以看出,長、短指節(jié)在內(nèi)部氣壓為17 kPa時內(nèi)側(cè)驅(qū)動力為0.50 N。

對單指執(zhí)行器單元進(jìn)行彎曲測試,結(jié)果如圖5c所示。

從圖5c可以看出,內(nèi)部氣壓為0～20 kPa時,實(shí)物彎曲結(jié)果與仿真結(jié)果具有高度一致性。

2 肌電控制方案

控制方案的設(shè)計(jì)主要包括信號采集處理和氣動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。表面肌電信號[18]是眾多生物電信號中一種容易獲取的生理反饋信號,在運(yùn)動意圖識別上有較高的精確性和魯棒性。在人體小臂肌肉處采集表面肌電信號,并結(jié)合SVM算法用于判斷人手的運(yùn)動意圖,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主動控制執(zhí)行器的運(yùn)動。

2.1 肌電信號的采集處理

采用Myoware肌電傳感器和生理電極片對肌電信號采集。Myoware傳感器的2個采集電極和1個參考電極與生理電極片連接,粘貼在人體小臂肱橈肌處和關(guān)節(jié)處,采集微弱肌電信號并放大,通過濾波電路有效抑制噪音,再利用Arduino UNO單片機(jī)進(jìn)行特征提取。

肌電信號具有模糊性特點(diǎn),不同使用者在相同肌肉塊采集的表面肌電信號具有較大差別,同一使用者在不同時間采集的肌電信號也有一定的差別,特征提取是肌電控制的重要環(huán)節(jié)。肌電信號特征包括時域特征、頻域特征、時頻域特征[19],不同手勢的時域特征差異較大,因此提取時域特征進(jìn)行分類。

對握拳、拇指與其他4指對指的5種手勢識別的肌電波形和特征進(jìn)行提取,不同手勢肌電波形如圖6a所示。

圖6 肌電信號采集與處理

綜合考慮執(zhí)行時間、系統(tǒng)延時以及肌電信號的模糊與不平穩(wěn)特征,每30 ms對濾波后的表面肌電信號進(jìn)行檢測,每次對30 ms內(nèi)的表面肌電信號的最大評估值(maximum assessed value, MAV)、方差(variance, VAR)、均方根(root mean square, RMS)進(jìn)行提取,結(jié)果如圖6b所示。

由于肌電傳感器的裝配位置不同,當(dāng)做出不同手勢時,牽動的肌肉群與肌電傳感器間具有空間差異,傳感器采集的肌電信號幅值與波形存在差異,本文通過SVM算法進(jìn)一步對信號進(jìn)行分類。采用十折交叉驗(yàn)證方式得到分類的準(zhǔn)確率,分類結(jié)果混淆矩陣如圖6c所示。

從圖6c可以看出:采用時域特征對5種手勢分類效果較好;握拳手勢與其他手勢時域差異較大,具有最高識別率;拇指-無名指對指、拇指-小指對指動作牽動的肌肉群一致性較高,識別率相對較低。5種手勢識別準(zhǔn)確率較高,說明該識別結(jié)果可用于控制康復(fù)手套進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鏡像康復(fù)訓(xùn)練。

2.2 氣動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

表面肌電信號來源于神經(jīng)細(xì)胞,產(chǎn)生于肌肉收縮前30～150 ms,降低氣動系統(tǒng)延時可起到良好的主動控制效果,輔助完成鏡像康復(fù)訓(xùn)練。氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程如圖7所示。

圖7 氣動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程

將一只手佩戴康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備,另一只手依次做出拇指與食指對指、中指對指、無名指對指、小拇指對指動作,利用Myoware傳感器采集相應(yīng)手勢的肌電信號,輸出至單片機(jī)通過上位機(jī)顯示,上位機(jī)回傳的分類結(jié)果控制繼電器的導(dǎo)通,實(shí)現(xiàn)泄壓專用的兩通電磁閥關(guān)閉,其他氣流支路的三通電磁閥常態(tài)導(dǎo)通,氣泵與執(zhí)行器之間的氣路導(dǎo)通,執(zhí)行器充氣彎曲,從而完成同樣的手部訓(xùn)練動作;當(dāng)做出舒展動作時,泄壓電磁閥導(dǎo)通,兩位三通電磁閥切換,執(zhí)行器與泄壓電磁閥之間氣路導(dǎo)通,完成排氣泄壓,手指伸展,恢復(fù)到初始狀態(tài),完成鏡像康復(fù)訓(xùn)練。

氣動系統(tǒng)流程如圖8所示。

圖8 氣動系統(tǒng)流程框圖

當(dāng)上個訓(xùn)練動作結(jié)束需要執(zhí)行下個訓(xùn)練動作時,若需要彎曲執(zhí)行器,則三通電磁閥打開、兩通電磁閥關(guān)閉以實(shí)現(xiàn)充氣;若無需彎曲執(zhí)行器,則三通電磁閥關(guān)閉、兩通電磁閥打開以實(shí)現(xiàn)放氣,并判斷是否滿足充氣時間。當(dāng)滿足充氣時間則做出訓(xùn)練動作,隨后將全部執(zhí)行器的三通電磁閥及兩通電磁閥均關(guān)閉,完成訓(xùn)練動作加載過程;當(dāng)不滿足充氣時間,則重新執(zhí)行上述過程。當(dāng)上個訓(xùn)練動作結(jié)束且無需執(zhí)行下個訓(xùn)練動作時,全部執(zhí)行器的三通電磁閥關(guān)閉、兩通電磁閥打開以實(shí)現(xiàn)放氣,并判斷是否滿足放氣時間,若滿足充氣時間則全部執(zhí)行器復(fù)位,否則重新執(zhí)行上述過程,隨后全部執(zhí)行器的三通和兩通電磁閥均關(guān)閉,完成訓(xùn)練動作卸載過程。

在此循環(huán)系統(tǒng)中,肌電信號反應(yīng)速度快,不同手勢狀態(tài)能實(shí)時更新,及時實(shí)現(xiàn)不同手勢之間的自由切換。

3 康復(fù)訓(xùn)練手套集成與應(yīng)用

將單指執(zhí)行器單元一體化,由于手指長度不同,利用可更換、尺寸可調(diào)整的連接部件將長、短指節(jié)整合成完整的單指執(zhí)行器單元。

固定2個單指執(zhí)行器的短指節(jié),將2枚單指執(zhí)行器形成一個夾爪對物品進(jìn)行抓取,結(jié)果如圖9a所示。從圖9a可以看出,單指執(zhí)行器單元形成的夾爪具有很好的抓取效果。

圖9 康復(fù)訓(xùn)練手套的集成和應(yīng)用

將魔術(shù)貼縫制在手套上,根據(jù)手的實(shí)際尺寸制作5個單指執(zhí)行器單元,借助魔術(shù)貼固定在織物手套上完成柔性康復(fù)訓(xùn)練手套的制備,如圖9b所示。

將需訓(xùn)練的手佩戴手套,借助肌電信號獲取另一只手的運(yùn)動意圖,如圖9c所示。從圖9c可以看出,在康復(fù)訓(xùn)練手套的幫助下,該手成功抓取物體,表明制作的康復(fù)訓(xùn)練手套可以輔助抓取康復(fù)訓(xùn)練。

手的鏡像康復(fù)訓(xùn)練如圖9d所示。從圖9d可以看出,根據(jù)運(yùn)動意圖,康復(fù)訓(xùn)練手套實(shí)現(xiàn)了5組手勢的鏡像康復(fù)訓(xùn)練,有效促進(jìn)大腦神經(jīng)元重塑[20],加速手部康復(fù)。

4 結(jié) 論

為了提高康復(fù)訓(xùn)練的舒適性和安全性,本文基于仿生原理,根據(jù)人體手部形狀,設(shè)計(jì)一種半定制柔性康復(fù)訓(xùn)練手套。通過數(shù)學(xué)建模和有限元仿真分析,得到合適的柔性執(zhí)行器結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù);對柔性執(zhí)行器的長、短指節(jié)分別進(jìn)行彎曲角度、驅(qū)動力以及連接部件整合的單指執(zhí)行器單元彎曲測試發(fā)現(xiàn),單指執(zhí)行器單元滿足手指康復(fù)訓(xùn)練需求;將單指執(zhí)行器單元一體化后的康復(fù)訓(xùn)練手套借助SVM算法識別人手運(yùn)動意圖,從而輔助完成鏡像康復(fù)訓(xùn)練。

在下一步的工作中,擬進(jìn)一步通過增加表面肌電信號采集通道數(shù)和優(yōu)化特征提取算法的方式實(shí)現(xiàn)精確手勢識別,提高手勢識別的準(zhǔn)確率。