鄧華送, 張 彥, 董若楠, 陳 品, 曹大迪, 王 勇

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 智能互聯(lián)系統(tǒng)安徽省實驗室,安徽 合肥 230009; 3.帝國理工學(xué)院 生物工程系,英國 倫敦 SW7 2AZ)

隨著經(jīng)濟快速發(fā)展,人口老齡化趨勢日益明顯,老年人年齡增長的同時人體機能在逐漸衰弱;此外,建筑工地傷殘事故、交通事故以及重大疾病等也易使人的身體機能受到損傷。手部作為使用頻率極高的器官之一,其機能衰弱或受損將嚴(yán)重影響個人的生活質(zhì)量,因此在手部功能受損時要及時治療并進行康復(fù)訓(xùn)練。康復(fù)是一個長斯的過程,傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練主要以人工方式為主,較依賴于康復(fù)師的能力,但現(xiàn)階段康復(fù)訓(xùn)練主要由醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科以及社區(qū)康復(fù)中心提供康復(fù)訓(xùn)練治療,不僅康復(fù)資源有限,高昂的人工康復(fù)訓(xùn)練費用還給家庭及社會帶來嚴(yán)重負(fù)擔(dān)[1]。

當(dāng)前,針對手部功能康復(fù)[2]的研究已成為康復(fù)工程醫(yī)學(xué)以及機器人學(xué)科的一個熱點,軟體機器人相關(guān)研究的深度和廣度得到快速拓展。文獻[3]提出一種變剛度的、具有氣動網(wǎng)格和纖維增強型2種結(jié)構(gòu)的軟體制動器;文獻[4]提出一種由纖維增強致動器組成的軟體制動器,還通過安裝彎曲傳感器實現(xiàn)抓取力量的PID控制;文獻[5]通過拓?fù)鋬?yōu)化建立多材料設(shè)計的數(shù)學(xué)模型,提出一種由軟體材料和剛性材料組合成能夠承受超過自身質(zhì)量的負(fù)載軟體機器人;文獻[6]提出一種采用氣動網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)復(fù)雜運動并具備可編程設(shè)計的扭轉(zhuǎn)軟體機器人。

結(jié)合國內(nèi)外關(guān)于手部康復(fù)軟體機器人的研究可以發(fā)現(xiàn),大多數(shù)的研究成果還停留在實驗室階段,雖然整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、智能化程度較高,但是離實際應(yīng)用還有些差距,主要存在以下問題。

1) 與人手適配性差。人手指的彎曲主要在手指關(guān)節(jié)處,而現(xiàn)有的致動器彎曲形態(tài)多為整體半圓形,因此與人手的實際彎曲情況存在差距,部分致動器存在容易扭曲的問題,驅(qū)動能力較差。

2) 力學(xué)性能有待提高。手部功能障礙患者通常在初期存在手部僵硬的情況,因此要求軟體致動器具有較大的輸出力,以達(dá)到手部康復(fù)效果。

3) 制作工藝復(fù)雜、價格昂貴。目前研究人員制作軟體致動器的主要工藝有二次脫模和3D打印技術(shù):二次脫模需要將2個模型再次黏結(jié),良品率較低;3D打印則難以應(yīng)用到大批量生產(chǎn)中。部分投入市場的手部康復(fù)設(shè)備價格昂貴,大規(guī)模推廣存在困難。

4) 便攜性差,康復(fù)訓(xùn)練模式單一。部分裝置采用固定設(shè)備提供氣源,限制了裝置的便攜性,且提供的訓(xùn)練方法通常只有被動訓(xùn)練,模式單一。

鑒于以上問題,本文基于軟體致動器的特點以及對手部功能康復(fù)訓(xùn)練的需求,提出一種偏心波紋管軟體致動器結(jié)構(gòu)以提高對手指的驅(qū)動能力,且與人手具有較高的貼合性;研制出一款具有鏡像療法功能[7]的手部康復(fù)軟體機器人。通過手部康復(fù)軟體制動器的制作和實驗平臺的搭建對仿真模型進行驗證,旨在結(jié)合不同的康復(fù)訓(xùn)練模式提高訓(xùn)練的效率。

1 軟體致動器的設(shè)計

1.1 手部分析

人手的手指部分由肌肉、骨頭和14個骨關(guān)節(jié)組成,可以近似簡化成擁有20個自由度。人手的骨關(guān)節(jié)示意圖[8]如圖1所示。圖1中:DIP為遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié);PIP為近端指間關(guān)節(jié);MCP為掌指關(guān)節(jié);IP為拇指指間關(guān)節(jié);MP為拇指掌指關(guān)節(jié);CM為腕掌關(guān)節(jié)。為了便于康復(fù)裝置的設(shè)計,對手部運動模型進行簡化,所有關(guān)節(jié)只考慮前后彎曲的自由度,骨骼為剛體連桿結(jié)構(gòu),簡化后的手部運動模型如圖2所示。

圖1 人手骨關(guān)節(jié)示意圖

圖2 人手簡化運動模型

人手常用的33種運動模式[8]如圖3所示。

圖3 人手常用的33種運動模式

設(shè)計軟體制動器之前需要了解人手手指各關(guān)節(jié)活動的范圍和手指指骨的長度,通過查閱文獻[9-10]可以獲取相關(guān)數(shù)據(jù),結(jié)果見表1、表2所列。

表1 人手手指各關(guān)節(jié)活動范圍

表2 人手手指各指骨長度 單位:mm

1.2 軟體制動器結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 工作原理

目前手部康復(fù)軟體設(shè)備多數(shù)采用圓形波紋管結(jié)構(gòu),其主要特點是制作簡單,輸出力大,整體為中心對稱結(jié)構(gòu)。但是在不受約束時該結(jié)構(gòu)波紋管只具有伸長變形,自身不會產(chǎn)生彎曲變形,且周向波高相等導(dǎo)致在氣壓驅(qū)動變形時伸長率一致,需要依靠兩端的固定支架使其產(chǎn)生彎曲變形,與人手彎曲適配性較低,存在一定的能量損耗,圓形波紋管彎曲變形示意圖如圖4所示。

圖4 圓形波紋管彎曲變形示意圖

為使得波紋管結(jié)構(gòu)致動器在彎曲過程中變形協(xié)調(diào)以及保證軟體致動器自身具有彎曲性能,減小變形過程中的能量損耗和徑向膨脹變形,本文提出一種偏心波紋管結(jié)構(gòu)軟體致動器,以提高圓形波紋管致動器的彎曲性能和對手指的驅(qū)動能力。偏心波紋管結(jié)構(gòu)軟體致動器的波峰、波谷中心存在一定的偏心距,為減少致動器的徑向變形,波峰、波谷的橫截面形狀選為橢圓,波峰、波谷橢圓的長軸位于軟體致動器左、右對稱面上,且兩橢圓的中心存在一定的偏心距。

偏心波紋管致動器結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中:O1、A1A4、B1B4分別為波峰橢圓的中心、長軸、短軸;O2、A2A3、C1C2分別為波谷橢圓的中心、長軸、短軸;L為致動器的總長;t為波距;s為壁厚。軟體致動器兩側(cè)的波高|B1B2|、|B3B4|相等,由于偏心距|O1O2|的存在,使左、右對稱面位置的上波高|A1A2|大于下波高|A3A4|,偏心波紋管軟體致動器充入氣體后上、下伸長率不同,致動器將產(chǎn)生彎曲變形。偏心距為0和大于0的2款橢圓形波紋管軟體致動器在0.06 MPa正壓驅(qū)動下的變形仿真結(jié)果如圖6所示,可以看出當(dāng)偏心距大于0時軟體致動器明顯彎曲變形,通過有限元仿真分析可得偏心距為0.6 mm。

圖5 偏心波紋管致動器結(jié)構(gòu)

圖6 偏心波紋管軟體致動器充氣狀態(tài)

1.2.2 參數(shù)及材料確認(rèn)

考慮本研究設(shè)計的手部功能康復(fù)訓(xùn)練裝置的使用對象,通過查閱人手相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)[11]可知,成年人的手指關(guān)節(jié)直徑通常為18～22 mm。為了使相鄰手指背部的軟體致動器不發(fā)生干涉并且減少軟體致動器在正壓驅(qū)動下的徑向變形,將軟體致動器波峰橢圓的長軸、短軸長度分別設(shè)計為16.5、14.5 mm;波谷橢圓的尺寸直接影響軟體致動器周向的波高大小,參考文獻[5]設(shè)計的軟體致動器波高尺寸,本研究將波谷橢圓的長軸、短軸長度分別設(shè)計為8.8、8.1 mm;軟體致動器整體長度L參考表2人手手指各指骨長度,并且考慮軟體致動器在正壓驅(qū)動手指彎曲時需要一定的伸長量提供輸出力,因此將軟體致動器的自然長度取為人手指指骨最長長度的1.5倍,約為44.0 mm。最終確定的軟體致動器結(jié)構(gòu)部分參數(shù)見表3所列。

表3 偏心波紋管軟體致動器結(jié)構(gòu)參數(shù) 單位:mm

1.3 軟體制動器的制造

本研究采用的軟體致動器制作方法為目前工業(yè)生產(chǎn)中十分成熟的中空吹塑工藝,其主要原理如圖7所示。

圖7 中空吹塑工藝原理

按照優(yōu)化后得到的數(shù)據(jù)繪制偏心波紋管軟體致動器整體三維模型,如圖8a所示;根據(jù)該三維模型,通過數(shù)控加工得到相應(yīng)的中空吹塑模具,如圖8b所示;最終加工出的偏心波紋管軟體致動器實物如圖8c所示。

圖8 偏心波紋管軟體致動器三維模型、吹塑模具及實物圖

2 手部康復(fù)軟體機器人的設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計

軟體機器人控制系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖9所示(其中SPI為全雙工同步串行總線,是微處理控制單元MCU與外圍設(shè)備之間進行通信的同步串行端口)。彎曲傳感器能夠檢測患者手指的彎曲程度,其中與主機連接的5個彎曲傳感器分別位于患者患側(cè)5個手指的背部,與數(shù)據(jù)手套連接的5個彎曲傳感器則分別位于患者健側(cè)5個手指的背部。數(shù)據(jù)手套將患者健側(cè)手指的彎曲情況通過WIFI模塊傳送至主機,主機將接收到的健側(cè)手指彎曲數(shù)據(jù)與采集到的患側(cè)手指彎曲數(shù)據(jù)進行對比,控制電磁閥對軟體致動器的充氣和吸氣氣路進行切換,從而調(diào)整手指的彎曲程度,當(dāng)2組數(shù)據(jù)在誤差范圍內(nèi)達(dá)到一致時,關(guān)閉軟體致動器的充氣及吸氣氣路進行保壓,從而實現(xiàn)對手指彎曲程度的控制。

圖9 軟體機器人控制系統(tǒng)整體設(shè)計框圖

2.2 手部康復(fù)軟體機器人裝置

首先完成康復(fù)手套和數(shù)據(jù)手套的組裝。制作好的康復(fù)手套如圖10a所示,其質(zhì)量為180 g,數(shù)據(jù)手套如圖10b所示,其質(zhì)量僅為82 g。

圖10 康復(fù)手套和數(shù)據(jù)手套

手部康復(fù)軟體機器人裝置在自然狀態(tài)下的整體實物圖如圖11所示。

1.康復(fù)手套 2.微型電磁閥 3.主機電路板 4.氣壓傳感器

手部康復(fù)軟體機器人包含康復(fù)手套、主機、數(shù)據(jù)手套以及軟件,調(diào)試好的軟件程序已經(jīng)通過SWD下載線寫入主機電路板芯片中。該機器人裝置采用雙泵串聯(lián)提供氣源,能夠輸出最大正壓140 kPa,最大負(fù)壓-80 kPa,裝置總質(zhì)量約2.4 kg,整體尺寸為300 mm×200 mm×50 mm,實測使用時間2 h左右,因此該裝置具有較好的便攜性和續(xù)航能力,可以在家庭、醫(yī)院以及康復(fù)中心等場合用于手部功能障礙患者的康復(fù)訓(xùn)練?；颊呤褂脮r首先將康復(fù)手套佩戴在患側(cè)手部,將數(shù)據(jù)手套佩戴在健側(cè)手部,然后依次打開主機以及數(shù)據(jù)手套的電源,通過主機上的按鍵切換訓(xùn)練模式為鏡像康復(fù)訓(xùn)練模式或非鏡像康復(fù)訓(xùn)練模式,即可開始進行輔助康復(fù)訓(xùn)練。

3 實 驗

3.1 致動器實驗

3.1.1 氣壓彎曲角度實驗

通過電氣比例閥調(diào)節(jié)軟體致動器的驅(qū)動氣壓從0 kPa緩慢增加至60 kPa,通過固定相機拍照記錄軟體致動器不同氣壓下的彎曲變形。測得軟體致動器不同驅(qū)動氣壓時的彎曲角度數(shù)據(jù),并將實驗數(shù)據(jù)連同有限元仿真數(shù)據(jù)繪制成點線圖,如圖12所示。

圖12 氣壓彎曲變形仿真與實驗結(jié)果對比

從圖12可以看出:在驅(qū)動氣壓從0 kPa升至20 kPa時,偏心波紋管軟體致動器的彎曲角度增加較快;當(dāng)氣壓升至20 kPa以上時,致動器彎曲角度的增加相對比較緩慢;氣壓為60 kPa時,實驗測得的軟體致動器彎曲角度為56°。這表明該軟體致動器具有較好的彎曲能力,同時實驗數(shù)據(jù)與有限元仿真數(shù)據(jù)的平均偏差僅為4.41°,驗證了有限元仿真的準(zhǔn)確性。

3.1.2 氣壓輸出力實驗

正壓-輸出力的實驗結(jié)果如圖13a所示。從圖13a可以看出,軟體致動器對鉸鏈端部施加的輸出力大小隨氣壓增大而增大,且輸出力大小與氣壓近似為線性關(guān)系,當(dāng)驅(qū)動軟體致動器的氣壓為140 kPa時,輸出力為4.456 6 N。

圖13 正壓-輸出力、負(fù)壓-輸出力實驗結(jié)果

負(fù)壓-輸出力的實驗結(jié)果如圖13b所示。從圖13b可以看出,軟體致動器對鉸鏈端部施加的輸出力大小隨負(fù)壓增大而增大,方向與正壓時的輸出力方向相反,輸出力大小同樣與氣壓近似為線性關(guān)系。

負(fù)壓-輸出力的曲線斜率比正壓-輸出力曲線的斜率略大,出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因為在負(fù)壓作用下,波紋管負(fù)壓收縮時沒有產(chǎn)生徑向方向變形,其驅(qū)動力主要表現(xiàn)在軸向方向上;而正壓作用時,由于徑向膨脹使得波紋管的軸向方向上的力有所減小。當(dāng)驅(qū)動軟體致動器的氣壓為-80 kPa時,輸出力為-2.806 3 N。

3.2 指尖輸出力實驗

指尖輸出力實驗如圖14所示。

圖14 指尖輸出力實驗

將薄膜壓力傳感器粘貼在受試者手指指尖的背部中心,測量偏心波紋管對佩戴者手部的主要壓力,見圖14a。受試者正確穿戴好康復(fù)手套,整個實驗過程中受試者手部保持完全放松狀態(tài),實驗包括初始階段、充氣階段、保壓階段和排氣階段,見圖14b。

為了驗證該裝置提供的指尖力是否滿足抓握需求,充氣階段主機控制氣泵對軟體致動器持續(xù)加壓至最大輸出正壓140 kPa,保壓階段采集薄膜壓力傳感器的輸出電壓,以獲取實驗過程中軟體機器人康復(fù)手套的各指尖輸出力。各手指指尖輸出力曲線如圖15所示;各手指保壓階段指尖輸出力統(tǒng)計分析見表4所列。

表4 各手指保壓階段指尖輸出力統(tǒng)計分析 單位:N

圖15 各手指指尖輸出力曲線

從圖15可以看出,食指、中指和無名指的指尖輸出力曲線較為相似。在保壓階段,食指、中指和無名指的指尖輸出力平均值分別為8.79、8.26、7.67 N,拇指和小指的指尖輸出力平均值分別為6.25、5.41 N。日常生活中通常只需5 N左右的力即可滿足抓握物體的基本需求[12],實驗結(jié)果表明本研究設(shè)計的軟體機器人能夠輔助使用者抓握常見物體;在保壓階段各手指的指尖輸出力波動較小,其標(biāo)準(zhǔn)差最大值僅為0.51 N,表明該軟體機器人系統(tǒng)輸出力的穩(wěn)定性良好。

3.3 手部康復(fù)軟體機器人系統(tǒng)實驗

被動康復(fù)訓(xùn)練模式實驗如圖16所示。受試者正確佩戴好軟體機器人康復(fù)手套,實驗過程中規(guī)定受試者手部始終處于放松的狀態(tài),完全依靠康復(fù)手套驅(qū)動受試者的手部進行運動,實驗內(nèi)容主要包括伸掌和握拳動作。

圖16 被動康復(fù)訓(xùn)練模式實驗

從圖16可以看出,在被動康復(fù)訓(xùn)練模式下,康復(fù)手套能夠在主機的控制下輔助受試者手部進行被動握拳、伸掌訓(xùn)練。

鏡像康復(fù)訓(xùn)練模式實驗中,受試者右手、左手分別模擬患者健側(cè)、患側(cè)手部。

首先,進行不同彎曲角度控制實驗。受試者僅右手佩戴數(shù)據(jù)手套,調(diào)整好彎曲傳感器位置與各手指背部對應(yīng),通過彎曲傳感器測得右手緩慢握拳時的彎曲角度,主機根據(jù)獲得的右手彎曲角度數(shù)據(jù)控制康復(fù)手套實現(xiàn)相同彎曲角度,實驗結(jié)果如圖17a所示;同時佩戴康復(fù)手套和數(shù)據(jù)手套,佩戴康復(fù)手套的左手保持完全放松狀態(tài),右手通過數(shù)據(jù)手套輔助左手彎曲相同角度,進行輔助康復(fù)訓(xùn)練,實驗結(jié)果如圖17b所示。

圖17 鏡像康復(fù)訓(xùn)練模式下不同彎曲角度控制實驗

然后,進行分指控制實驗。受試者首先僅右手佩戴數(shù)據(jù)手套并做出日常手勢動作,觀察康復(fù)手套能否復(fù)現(xiàn)右手動作,實驗結(jié)果如圖18a所示;受試者同時佩戴康復(fù)手套和數(shù)據(jù)手套,通過佩戴數(shù)據(jù)手套的右手控制康復(fù)手套進行輔助康復(fù)訓(xùn)練,實驗過程中受試者左手同樣始終保持放松狀態(tài),完全依靠康復(fù)手套的驅(qū)動力進行手部運動,實驗內(nèi)容包括日常各種手勢動作,觀察康復(fù)手套能否輔助受試者左手復(fù)現(xiàn)右手動作,實驗結(jié)果如圖18b所示。

圖18 鏡像康復(fù)訓(xùn)練模式下分指控制實驗

圖17、圖18表明,在鏡像康復(fù)訓(xùn)練模式下,康復(fù)手套能夠輔助受試者左手復(fù)現(xiàn)佩戴數(shù)據(jù)手套的右手做出的不同彎曲角度和各種手勢動作,能夠進行鏡像康復(fù)訓(xùn)練;其中分指控制實驗驗證了本研究設(shè)計的單氣源分指控制氣動系統(tǒng)的可行性。系統(tǒng)實驗結(jié)果表明,本研究裝置達(dá)到設(shè)計要求,基本能夠滿足手部功能障礙患者的康復(fù)訓(xùn)練需求。

4 結(jié) 論

基于軟體制動器的特點以及手部功能康復(fù)訓(xùn)練的需求,本文提出一種偏心波紋管軟體致動器結(jié)構(gòu),設(shè)計其波峰、波谷中心存在一定的偏心距,使得致動器在正壓驅(qū)動時由于上、下伸長率不同產(chǎn)生彎曲變形,減少制動器變形過程中能量消耗,提高對手指的驅(qū)動能力;通過實驗確定在制作工藝范圍內(nèi)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù),并完成軟體致動器的制作。氣壓-彎曲角度和氣壓-輸出力實驗結(jié)果表明,該軟體致動器具有較好的彎曲能力和驅(qū)動能力;指尖輸出力實驗結(jié)果表明,各手指力均不小于5 N。抓取實驗以及鏡像訓(xùn)練實驗表明,本研究設(shè)計的手部康復(fù)機器人具有較好的穩(wěn)定性和順應(yīng)性,能夠輔助受試者患側(cè)手部復(fù)現(xiàn)健側(cè)手部動作,實現(xiàn)不同彎曲角度控制以及分指控制功能,基本能夠滿足手部功能障礙患者的康復(fù)訓(xùn)練需求。