康復訓練下人機工程機械手臂設計探析

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本文的目的是開發一種可用于家庭及康復中心的人機工程機械手臂。與現有的康復設備相比，此設備輕便、成本低、可攜帶，可為不同程度損傷的患者提供適合手部、腕部和前臂的多種治療性鍛煉。本研究不僅是康復機器人領域的熱門話題和前言，而且可以應用于醫學臨床應用，具有重要的學術價值和工程應用價值。

1引言

腦卒中是由急性腦血管疾病引起的持續性的大腦神經功能缺損，全球85%的腦卒中患者患有偏癱癥狀，患者中中年人居多。腦卒中已經成為造成中國、歐洲、美國及其他許多國家的成年人長期殘疾的主要原因，并消耗了大量的社會醫療資源。腦卒中患者可出現多種神經功能缺損癥狀，其中偏癱和運動障礙最為常見，而上肢殘疾患者的手功能障礙往往臨床表現為屈曲攣縮、肌力降低、肌張力異常、手指靈活性降低、肢體麻木、拇指運動范圍減小、精確抓捏、側捏、關節運動協調性降低、力量協調性降低等，也會喪失一部分觸覺感知和本體感受功能，失去對運動的反饋感知。有報道顯示，超過70%的腦卒中患者在發病初期存在上肢功能障礙，在發病4個月后，仍有超過35%的患者存在手部精細功能下降的情況。康復訓練是促進這些患者恢復的主要方法。但是由于傳統的康復訓練治療時間很長，并且無論是在發展中國家還是發達國家，都始終缺乏合格的治療師。因此，替代傳統治療方法的康復訓練設備的研發非常有必要。當前的產品主要存在以下方面的不足：第一，目前多數的上肢康復結構無法做到靈活控制，與人體上肢關節運動不匹配；第二，現有的康復機構僅能將手操縱成簡單的拳頭屈曲，無法重現康治療師對患者進行的康復訓練效果；第三，外骨骼類型的康復機構一般結構龐大，而且由于不便于攜帶以及對患者不夠安全，實際上并不適合殘疾人士。本研究的目的是開發一種可用于家庭及康復中心的人機工程機械手臂。與現有的康復設備相比，此設備輕便、成本低、可攜帶，可為不同程度損傷的患者提供適合手部、腕部和前臂的多種治療性鍛煉。本研究不僅是康復機器人領域的熱門話題和前言，而且可以應用于醫學臨床應用，具有重要的學術價值和工程應用價值。

2人體康復機器人上肢運動學模型

為了緩解和恢復病人的上肢運動，基于人體上肢的關節和運動進行了建模。考慮到康復機械手臂使用者的使用安全，并在進行日常必需的活動（例如進食、抓握、梳洗等）方面提供幫助，對上肢運動解剖范圍進行了初步研究，為此康復機械手臂確定了合適的活動范圍。本文使用普通人手的基本力學行為來簡化設計，此康復機器人可實現的運動如圖1所示，包括四個手指屈-伸運動，大拇指屈-伸運動，手腕屈-伸運動，手腕橈-尺偏運動及前臂內翻-旋后。康復機械手臂可實現的運動范圍如表1所示。根據典型成年人的關節和活動范圍為模型，分析上肢的運動特征，建立了修正的D-H參數表，如表2所示。為了獲得D-H參數，在此假設坐標系（即在連續的旋轉軸之間映射的鏈接框架，如圖2所示）與關節的旋轉軸一致并且具有相同數量的階數，這些D-H參數用于獲得齊次傳遞矩陣。

3人體康復機器人上肢機械結構

該設計主要有兩大部件組成，手臂康復訓練部分（圖3）和拇指康復訓練部分（圖4）。手臂部分包括由三個線性執行器操作的連桿機構，以方便手、手腕及前臂的鍛煉。使用時，柔軟的腕帶穿過前臂板1后方的兩個槽穿戴在患者前臂上，手掌板5位于患者手背位置，前臂板1通過萬向節機構4與手掌板5浮動連接，腕帶繞過手指板7上的槽與患者手指相連。手及腕部的鍛煉由三個線性執行器控制，以更好地促進康復。拇指康復訓練部分由前關節1、后關節3、連桿機構4、直線驅動器5及L型聯結組成。后關節上的U型聯結2與前關節左右的側板通過U型聯結浮動連接，前后關節組成的拇指部分通過連桿機構4與直線執行器5連接，整個機構可通過L型聯結6與其他機構連接。使用時，通過柔軟的腕帶戴在患者拇指上，機械拇指包括前關節與后關節，通過連桿相連接，并分別與拇指的前指骨、后指骨相接觸。機械拇指部分與線性執行器浮動連接，控制拇指在特定范圍內的屈-伸運動，實現了拇指的鍛煉與訓練，以更好地促進患者康復。

4結語

本文提出的設計新穎、輕巧、可攜帶，穿戴方便舒適，在一定范圍內適應了手臂及手指長度的個體差異，可為不同程度的手部/腕部/拇指損傷的患者提供治療性訓練，不僅適用于臨床，也適用于居家康復訓練。患者可以自行或者在康復醫師的遠程幫助下進行康復訓練，這將提高患者的康復率，并降低患者家庭及社會的成本。

作者:許立波 杜菌 靳敏 單位:常州機電職業技術學院