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設(shè)計(jì)研發(fā)一種對(duì)手部康復(fù)便攜式外骨骼機(jī)器
摘要-人類的手很容易受傷。物理康復(fù)治療后,總是需要一個(gè)很長(zhǎng)的手部恢復(fù)時(shí)間,療效惡化、社會(huì)和金融困難都與身體的退化會(huì)產(chǎn)生影響。CPM機(jī)是一種基于治理機(jī)制的理論持續(xù)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)器。改善康復(fù)結(jié)果和驗(yàn)證理論，我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種便攜式外骨骼機(jī)。該裝置非常容易連接以及調(diào)整來(lái)適應(yīng)不同大小的手。在手指做屈伸運(yùn)動(dòng)的時(shí)候機(jī)器可以向手指指骨施加垂直力。它可以精確控制在范圍以內(nèi)還可以控制手指的移動(dòng)速度。最后基于它的機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和驗(yàn)證等，運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和動(dòng)態(tài)模擬可以做出來(lái)。
一 介紹
手部損害的發(fā)生率有戲劇性的上升趨勢(shì)。近年來(lái)，超過(guò)20%至40%急診病例的外科手術(shù)和創(chuàng)傷骨科手的案件。這些案例大多數(shù),造成手臂或手掌失去運(yùn)動(dòng)能力。對(duì)于手的治療是一種非常重要的,因?yàn)樵谑种杏泻芏嘈K的肌肉。所以治理受傷的手是一個(gè)很艱巨的事情,時(shí)間會(huì)很長(zhǎng),康復(fù)訓(xùn)練對(duì)手功能恢復(fù)很有效。損傷的手可能導(dǎo)致的社會(huì)經(jīng)濟(jì)困難，然而嚴(yán)重會(huì)引起的生理及情緒惡化。在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中，現(xiàn)在有三大類方法治療手運(yùn)動(dòng)功能障礙。一個(gè)是物理療法,二是通過(guò)運(yùn)動(dòng)或利用彈性支撐做被動(dòng)運(yùn)動(dòng)。第三個(gè)方法事恢復(fù)受傷神經(jīng),舒緩壓力,移植健全的肌肉和肌腱。
近年來(lái),隨著科技不斷的發(fā)展被動(dòng)運(yùn)動(dòng)(CPM)，外骨骼肌以此為基礎(chǔ)康復(fù)理論已廣泛應(yīng)用于臨床實(shí)踐。市場(chǎng)中有各種類型的CPM機(jī)，不僅針對(duì)大關(guān)節(jié)功能訓(xùn)練，如手腕，肘關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，也用于小關(guān)節(jié)等康復(fù)。
然而，這些機(jī)器的大多數(shù)運(yùn)動(dòng)都是有限制的，驅(qū)動(dòng)的自由程度和不集成傳感器等。他們不能做內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)和一些靈巧的動(dòng)作功能鍛煉。也康復(fù)治療CPM機(jī)還停留在經(jīng)驗(yàn)論水平上。沒(méi)有確切的科學(xué)數(shù)據(jù)可以證明其療效。所以綜合以上的原因,提出一種新型的CPM機(jī)是迫切需要的的發(fā)展的,他不僅能夠?yàn)槟峁┦止δ艿目祻?fù)，還提供了一種定量檢測(cè)的和評(píng)價(jià)的手功能恢復(fù)的方法。
迄今為止,大多數(shù)外骨骼手在主從使用系統(tǒng)上建立了觸覺(jué)接口。CyberGrasp是一種用于商業(yè)上產(chǎn)品投入,它對(duì)彎曲的五個(gè)指尖力量有反饋?zhàn)饔谩|京大學(xué)的科學(xué)家們?cè)谶b遠(yuǎn)盡頭可以通過(guò)一個(gè)電纜傳遞外骨骼信息并在其涵蓋工作區(qū)范圍內(nèi)操控手指。外骨骼有一個(gè)邂逅型力反饋功能，它可使無(wú)約束使用者的手指在自然接觸的感覺(jué)下運(yùn)動(dòng)。有一個(gè)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)施加在手指指骨的手外骨骼的力，往往在一個(gè)方向施加，但康復(fù)治療的必須是雙向運(yùn)動(dòng)。有時(shí)候，在康復(fù)治療移動(dòng)手指關(guān)節(jié)力太小。
羅格斯大學(xué)碩士應(yīng)用氣動(dòng)活塞驅(qū)動(dòng)外骨骼可以發(fā)揮對(duì)在4指尖屈反饋?zhàn)饔?。它的研究適用于康復(fù)中風(fēng)病人。另一個(gè)外骨骼聲控設(shè)備是由卡內(nèi)基 - 梅隆大學(xué)科學(xué)家開(kāi)發(fā)研究 ，根據(jù)使用者的手指力由氣動(dòng)活塞提供輔助。最近一個(gè)新的外骨骼手由滑輪和一個(gè)連桿機(jī)構(gòu)組成，該器件可提供耦合的活動(dòng)自由度傾角，畫中畫彎曲/伸展和積極的自由度微通道板彎曲/伸展的手指。索爾福德大學(xué)在互動(dòng)虛擬環(huán)境中已研制出一種基于外骨骼系統(tǒng)的物理和職業(yè)治療手。外骨骼可以支持四個(gè)自由度，霍爾傳感器附著在每一個(gè)杠桿來(lái)衡量的角度手指關(guān)節(jié)。每個(gè)手指可以自由實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動(dòng)。介紹了他的精確，可重復(fù)的手指運(yùn)動(dòng)及力測(cè)量，交互性，潛力巨大運(yùn)動(dòng)分類和統(tǒng)計(jì)登記和評(píng)估。垂直于手指指骨，在完成屈伸運(yùn)動(dòng)，所有上面介紹的外骨骼機(jī)都不能發(fā)揮作用。因此一個(gè)錯(cuò)誤的方向上用力去推或拉人體關(guān)節(jié)將使受傷關(guān)節(jié)的情況更糟。
該裝置文獻(xiàn)[8]中提出的設(shè)備是在本文介紹的類似的外骨骼手。正如作者所知道的，這是在觸覺(jué)交互與虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用應(yīng)用程序，但達(dá)不到康復(fù)的目的。
本文內(nèi)容如下：第二節(jié)提出CPM機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求。第三節(jié)介紹了機(jī)械施工設(shè)備。對(duì)CPM機(jī)的運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證進(jìn)行了討論。最后的結(jié)論，當(dāng)前工作和未來(lái)可能的改進(jìn)。
二 設(shè)計(jì)的目標(biāo)和要求
我們的目標(biāo)和CPM機(jī)器的要求設(shè)計(jì)如下：適合手尺寸的變化在完整的屈伸運(yùn)動(dòng)中，對(duì)手指指骨施加垂直力雙向運(yùn)動(dòng)安裝在手的背側(cè)以便釋放手掌空間此外，設(shè)備應(yīng)該是重量輕，低高位置的自由運(yùn)動(dòng)和反向可驅(qū)動(dòng)性容易控制。
三 機(jī)械設(shè)計(jì)
A 功能結(jié)構(gòu)
人類的手部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。每個(gè)手指都有三個(gè)關(guān)節(jié)及四個(gè)自由度的和2關(guān)節(jié)，四個(gè)自由度的拇指。從遠(yuǎn)端指間和近端指間有一個(gè)自由度手指和2自由度微通道板（每掌指骨）。拇指有三個(gè)自由度的微通道板和一個(gè)自由度的彎曲/伸展的傾角和遠(yuǎn)端拇指接頭耦合，但近端拇指和遠(yuǎn)端指間展獨(dú)立的。人手的生理學(xué)如圖1所示。
圖1 人類生理學(xué)
進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以確定人力食指功能模塊。因此，每個(gè)關(guān)節(jié)長(zhǎng)度，每個(gè)關(guān)節(jié)移動(dòng)的范圍和力量
不同年齡段六十個(gè)人的每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量，列出測(cè)量值表一和表二食指的關(guān)節(jié)量度--長(zhǎng)度
人食指彎曲及伸展的??功能模塊
B.概念設(shè)計(jì)
彎曲或擴(kuò)展的傳動(dòng)方式由三部分組成：一個(gè)驅(qū)動(dòng)器模塊、兩個(gè)柔性電纜和外骨骼，見(jiàn)圖2。驅(qū)動(dòng)器模塊由一個(gè)直流電機(jī)和一對(duì)軟電纜齒輪組成。兩個(gè)靈活的彈簧管指導(dǎo)軟電纜外骨骼。周圍的小滑輪通過(guò)循環(huán)創(chuàng)建一個(gè)雙向運(yùn)動(dòng)，有共同的軸電纜齒輪的外骨骼。根據(jù)齒輪，圓形齒條旋轉(zhuǎn)手指關(guān)節(jié)手指指骨，在齒輪測(cè)量關(guān)節(jié)角度。
圖2 屈伸關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式
伸展或內(nèi)收的駕駛模式還包括一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)雖然一對(duì)錐齒輪正齒輪機(jī)架，見(jiàn)圖3。直接將齒輪和手指用MP2方法固定聯(lián)合在一起，從而使手指指骨旋轉(zhuǎn)
圖3 MP2方法聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式
C.體現(xiàn)設(shè)計(jì)
圖4顯示了一個(gè)手指外骨骼的CAD圖紙。它是連接到驅(qū)動(dòng)器構(gòu)的單位和每個(gè)方陣的手指附件。要調(diào)整方陣的變化長(zhǎng)度，力量傳感器圓形機(jī)架可在導(dǎo)槽滑動(dòng)。圓形的衣架設(shè)計(jì)，讓幾乎完全屈曲和在所有關(guān)節(jié)的延伸。輕松實(shí)現(xiàn)垂直力量所有關(guān)節(jié)的角度。他們還設(shè)計(jì)劃線，所以針對(duì)不同的方案鄰國(guó)的圓形衣架做不干預(yù)。機(jī)械施工的所有關(guān)節(jié)球軸承的支持。衣架的圓形設(shè)計(jì)，讓幾乎完全彎曲的所有關(guān)節(jié)的延伸。輕松實(shí)現(xiàn)垂直測(cè)量所有關(guān)節(jié)的角度。他們還設(shè)計(jì)劃線，所以針對(duì)不同的方陣臨近圓形衣架都不干預(yù)。球軸承支持所有關(guān)節(jié)的機(jī)械施工。
圖 4 CPM機(jī)的:(a)外骨骼機(jī)與拉伸手指模型(b)手指的彎曲 (c)彎曲及擴(kuò)展單元 (d)爆炸的觀點(diǎn)/擴(kuò)展彎曲單元。
圖 5 顯示一個(gè)CAD制圖的CPM機(jī)致動(dòng)器模塊。為了簡(jiǎn)化執(zhí)行機(jī)構(gòu)單位DIP PIP MCP的行動(dòng),每只手指關(guān)節(jié)耦合在一起。在外展肌和內(nèi)節(jié)點(diǎn)電價(jià)支持獨(dú)立。為了使機(jī)制輕小,驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須放在遠(yuǎn)離關(guān)節(jié)的地方。因此，我們使用線驅(qū)動(dòng)器的方法。由于一根導(dǎo)線只能產(chǎn)生在一個(gè)方向的力，我們用兩根導(dǎo)聯(lián)合在一起產(chǎn)生一種雙向的力。因此，一個(gè)手指需要6根電線。六根電線線的兩端連接到放置在力傳感器的小滑輪上，個(gè)小滑輪的另一端連接到一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)與一對(duì)錐齒輪上（2:1傳輸速率）?？紤]性能，重量和噪音，我們最終選擇 “17N78-216E伺服電機(jī)。電機(jī)的重量是17克，電機(jī)的額定功率為3.2W。減速機(jī)內(nèi)置電機(jī)傳輸速率為88:1。最大手指關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)速度是驅(qū)動(dòng)的機(jī)轉(zhuǎn)速17.7。手指運(yùn)動(dòng)周期為1.48s。執(zhí)行器單元的輸出扭矩可達(dá)1納米，這足夠驅(qū)動(dòng)手指的。
圖 5CPM的機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊:(a)致動(dòng)器模塊,(b)和(c)彎曲/擴(kuò)展單元(A)和單位/內(nèi)外展肌的(B)驅(qū)動(dòng)器模塊和一個(gè)爆炸視圖
圖 6(a)和(b)顯示了手指的側(cè)面與CPM機(jī)器在拉伸和彎曲狀態(tài)下位置和角度。
圖 7(a)和(b) 手指CPM機(jī)正常的頂視圖及外展肌的位置。在圖8（a）及（b）特寫手指與外骨骼CPM機(jī)和驅(qū)動(dòng)器模塊被單獨(dú)列出。
圖 7 手指和CPM機(jī)的側(cè)面:(a)在伸展的位置,(b)彎曲的位置。
圖 7 手指和CPM機(jī)頂視圖:(a)在正常位置(b)向外伸展的位置。
圖 8 特寫手指CPM機(jī)：（一）CPM的外骨骼機(jī)，（二）CPM機(jī)的驅(qū)動(dòng)器模塊
在圖四中我們使用的是傳統(tǒng)壓力傳感器的應(yīng)變片。機(jī)械力傳感器彈性結(jié)構(gòu),作為一個(gè)機(jī)械零配件應(yīng)安裝在彎曲/延伸模塊。
霍爾位置傳感器適合在關(guān)節(jié)部分。我們使用新創(chuàng)2sa-10雙軸如霍爾傳感器傳感元件的位置傳感器。
馬達(dá)位置傳感器是一個(gè)MR編碼器它安裝到電機(jī)軸上，它可以產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋信息。它可以用來(lái)控制電機(jī)的回路位置。
E.結(jié)構(gòu)類型分析
該機(jī)制的理論從結(jié)構(gòu)類型，我們將從分析的角度來(lái)看。
1）一個(gè)自由度的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)
DIP和PIP驅(qū)動(dòng)單自由度結(jié)構(gòu)是固定的。我們假設(shè)手指與外骨骼機(jī)器無(wú)相對(duì)滑動(dòng)。圖9（a）所示的原理圖是一個(gè)自由度的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖。運(yùn)動(dòng)學(xué)環(huán)節(jié)都有一定的運(yùn)動(dòng)性。如果一個(gè)旋轉(zhuǎn)小齒輪以恒定的速度，在2 O的時(shí)刻會(huì)達(dá)到平衡。
外圍力量T，圓周力F和旋轉(zhuǎn)角?聯(lián)合得到如下所示：
其中T1， T 2是齒輪的扭矩， D1、D2為參考齒輪的直徑，P為發(fā)射功率，n1是小齒輪旋轉(zhuǎn)的速度， R1、R2齒輪參考半徑。
圖 9示意圖兩個(gè)外骨骼結(jié)構(gòu)類型：（一）驅(qū)動(dòng)一個(gè)自由度，（二驅(qū)動(dòng)兩自由度結(jié)構(gòu)
2）兩自由度驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)
圖 9（b）顯示驅(qū)動(dòng)示意圖兩自由度結(jié)構(gòu)?？祻?fù)角度關(guān)系是θ角和旋轉(zhuǎn)角α和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)角度γ是：
MP關(guān)節(jié)有γ= 0，所以康復(fù)的角度θ得到如下：
運(yùn)動(dòng)學(xué)的確認(rèn)為了展現(xiàn)出性CPM機(jī)的適和任務(wù)的發(fā)展,對(duì)于他的運(yùn)動(dòng)一直在驗(yàn)證。該驗(yàn)證計(jì)算了運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)。最后基于運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)執(zhí)行仿真。參考機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)顯示在圖10。
A 向前運(yùn)動(dòng)學(xué)
對(duì)于CPM機(jī)，D-H參數(shù)在機(jī)器人的關(guān)節(jié)提供其他相關(guān)的信息類型和序列。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)如表所示：
機(jī)器人的尖端位置的坐標(biāo)如下：
圖10 的機(jī)器人關(guān)節(jié)的坐標(biāo)參考框架
機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)
符號(hào)：IA，ID代表的鏈路長(zhǎng)度I，θI，α1代表I和I-1角之間的聯(lián)合
B 逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)于要計(jì)算的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器人的工作空間和機(jī)器人控制的分析非常的重要。計(jì)算機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)主要方法是解析解和數(shù)值解的，齊次變換矩陣如下圖所示
通過(guò)解析解，是得到如下：
C模擬結(jié)果
仿真由兩部分組成:運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模擬和動(dòng)態(tài)仿真。值得關(guān)注的是，CPM機(jī)是兩項(xiàng)基本職能所必須具備的:在安全范圍可以提供足夠的動(dòng)力使手指和趾骨實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動(dòng)可以將受傷的手指在最大角范圍做運(yùn)動(dòng),以達(dá)到最佳治療效果。因此,上述典型功能的機(jī)器人進(jìn)行了驗(yàn)證允許檢查使用仿真工具(ADAMS軟件)設(shè)計(jì)康復(fù)的任務(wù)兼容性。兩種類型的仿真顯示康復(fù)訓(xùn)練是如下,圖11(a)和(b)顯示手指的屈曲和右臂誘拐運(yùn)動(dòng)。
（1）運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真
仿真機(jī)器人關(guān)節(jié)角位置、速度。仿真時(shí)間是5秒，數(shù)值已經(jīng)給出在圖12(a)和(b)。圖表顯示最大彎曲角度,PIPMP1DIP和MP2連接是110,20。這個(gè)數(shù)值符合設(shè)計(jì)要求,也符合正?？祻?fù)鍛煉。
（2)的動(dòng)態(tài)仿真
起初扭矩MP1裝在齒輪上的PIP DIP和MP2方法在ADAMS聯(lián)合作為CPM機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩，扭矩值是0.9N/M0.1N/M0， 1 N/M ，0.8 N/M。第二MP1扭矩加載在手指上PIP，DIP和MP2方法聯(lián)合的阻力矩，扭矩值是0.16 N/M ，0.1 N/M， 0.1 N/M和0.15 N/M。在標(biāo)志點(diǎn)上創(chuàng)建的P1 P2和P3手指和趾骨對(duì)合成的手指關(guān)節(jié)力矩的測(cè)量。 如圖13所示的值，圖表顯示，為MP1，PIP，DIP和MP2方法聯(lián)合，最大扭矩為0.82 N/M 0.21 N/M 0.31 N/M和0.92 N/M，最小扭矩是0.51 N/M 0.20 N/M 0.20 N/M和0.60 N/M。綜上所訴在安全扭矩范圍，CPM機(jī)可以移動(dòng)方便帶動(dòng)手指指骨。
圖11 （一）彎曲手指的示意圖 （二）示意圖手指的收縮和向外伸平
圖 12 (a) 展示 DIP(3)PIP(1)MP1(2) and MP2(4)角位置 (b) DIP(3) PIP(1) MP1(2) and MP2(4) 角速度
圖 13 （一）MP1聯(lián)合扭矩收縮和延伸（二）收縮擴(kuò)展指間關(guān)節(jié)的扭矩（三）收縮和擴(kuò)展的DIP扭矩聯(lián)合，（D）MP2的方法關(guān)節(jié)內(nèi)收和外伸扭矩。
結(jié)論與展望
下一步，我們將組裝支持所有四個(gè)手指的其他三個(gè)手指外骨骼機(jī)。也會(huì)設(shè)計(jì)拇指模塊，包括現(xiàn)有的機(jī)制。整合所有接頭的傳感器，我們會(huì)做一些實(shí)驗(yàn)，如位置控制和阻抗控制。然后，我們將很快在醫(yī)院做臨床試驗(yàn)。同時(shí)，我們會(huì)在不同情況下得到更多受傷的手指的數(shù)據(jù)康復(fù)，這樣我們就可以改善CPM機(jī)控制方法，使它更好地滿足患者的要求，并一同促進(jìn)康復(fù)理論的發(fā)展。