康复训练下人机工程机械手臂设计探析

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本文的目的是开发一种可用于家庭及康复中心的人机工程机械手臂。与现有的康复设备相比，此设备轻便、成本低、可携带，可为不同程度损伤的患者提供适合手部、腕部和前臂的多种治疗性锻炼。本研究不仅是康复机器人领域的热门话题和前言，而且可以应用于医学临床应用，具有重要的学术价值和工程应用价值。

1引言

脑卒中是由急性脑血管疾病引起的持续性的大脑神经功能缺损，全球85%的脑卒中患者患有偏瘫症状，患者中中年人居多。脑卒中已经成为造成中国、欧洲、美国及其他许多国家的成年人长期残疾的主要原因，并消耗了大量的社会医疗资源。脑卒中患者可出现多种神经功能缺损症状，其中偏瘫和运动障碍最为常见，而上肢残疾患者的手功能障碍往往临床表现为屈曲挛缩、肌力降低、肌张力异常、手指灵活性降低、肢体麻木、拇指运动范围减小、精确抓捏、侧捏、关节运动协调性降低、力量协调性降低等，也会丧失一部分触觉感知和本体感受功能，失去对运动的反馈感知。有报道显示，超过70%的脑卒中患者在发病初期存在上肢功能障碍，在发病4个月后，仍有超过35%的患者存在手部精细功能下降的情况。康复训练是促进这些患者恢复的主要方法。但是由于传统的康复训练治疗时间很长，并且无论是在发展中国家还是发达国家，都始终缺乏合格的治疗师。因此，替代传统治疗方法的康复训练设备的研发非常有必要。当前的产品主要存在以下方面的不足：第一，目前多数的上肢康复结构无法做到灵活控制，与人体上肢关节运动不匹配；第二，现有的康复机构仅能将手操纵成简单的拳头屈曲，无法重现康治疗师对患者进行的康复训练效果；第三，外骨骼类型的康复机构一般结构庞大，而且由于不便于携带以及对患者不够安全，实际上并不适合残疾人士。本研究的目的是开发一种可用于家庭及康复中心的人机工程机械手臂。与现有的康复设备相比，此设备轻便、成本低、可携带，可为不同程度损伤的患者提供适合手部、腕部和前臂的多种治疗性锻炼。本研究不仅是康复机器人领域的热门话题和前言，而且可以应用于医学临床应用，具有重要的学术价值和工程应用价值。

2人体康复机器人上肢运动学模型

为了缓解和恢复病人的上肢运动，基于人体上肢的关节和运动进行了建模。考虑到康复机械手臂使用者的使用安全，并在进行日常必需的活动（例如进食、抓握、梳洗等）方面提供帮助，对上肢运动解剖范围进行了初步研究，为此康复机械手臂确定了合适的活动范围。本文使用普通人手的基本力学行为来简化设计，此康复机器人可实现的运动如图1所示，包括四个手指屈-伸运动，大拇指屈-伸运动，手腕屈-伸运动，手腕桡-尺偏运动及前臂内翻-旋后。康复机械手臂可实现的运动范围如表1所示。根据典型成年人的关节和活动范围为模型，分析上肢的运动特征，建立了修正的D-H参数表，如表2所示。为了获得D-H参数，在此假设坐标系（即在连续的旋转轴之间映射的链接框架，如图2所示）与关节的旋转轴一致并且具有相同数量的阶数，这些D-H参数用于获得齐次传递矩阵。

3人体康复机器人上肢机械结构

该设计主要有两大部件组成，手臂康复训练部分（图3）和拇指康复训练部分（图4）。手臂部分包括由三个线性执行器操作的连杆机构，以方便手、手腕及前臂的锻炼。使用时，柔软的腕带穿过前臂板1后方的两个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通过万向节机构4与手掌板5浮动连接，腕带绕过手指板7上的槽与患者手指相连。手及腕部的锻炼由三个线性执行器控制，以更好地促进康复。拇指康复训练部分由前关节1、后关节3、连杆机构4、直线驱动器5及L型联结组成。后关节上的U型联结2与前关节左右的侧板通过U型联结浮动连接，前后关节组成的拇指部分通过连杆机构4与直线执行器5连接，整个机构可通过L型联结6与其他机构连接。使用时，通过柔软的腕带戴在患者拇指上，机械拇指包括前关节与后关节，通过连杆相连接，并分别与拇指的前指骨、后指骨相接触。机械拇指部分与线性执行器浮动连接，控制拇指在特定范围内的屈-伸运动，实现了拇指的锻炼与训练，以更好地促进患者康复。

4结语

本文提出的设计新颖、轻巧、可携带，穿戴方便舒适，在一定范围内适应了手臂及手指长度的个体差异，可为不同程度的手部/腕部/拇指损伤的患者提供治疗性训练，不仅适用于临床，也适用于居家康复训练。患者可以自行或者在康复医师的远程帮助下进行康复训练，这将提高患者的康复率，并降低患者家庭及社会的成本。

作者:许立波 杜菌 靳敏 单位:常州机电职业技术学院