新型多自由度可穿戴柔性助力气动肌肉服

方艺芬，李远利，曾惠莹，李响，胡永楠，王子乔，熊磊湖北工业大学工业设计学院

新型多自由度可穿戴柔性助力气动肌肉服

方艺芬，李远利，曾惠莹，李响，胡永楠，王子乔，熊磊湖北工业大学工业设计学院

因神经损伤导致肢体运动功能障碍的患者日益增多。这将给家庭和社会带来沉重的负担，而康复训练能让瘫痪患者重新获得日常生活自理能力。以神经可塑性为理论依据来进行肢体康复。本文将气动肌肉和衣服有机组合，探索上肢智能康复技术经济实用的新途径。本项目拟研发的多自由度可穿戴柔性助力气动肌肉服。装置采用气动肌肉控制技术，这是目前最先进的技术，最大的优势是质量轻，柔顺性好，患肢在进行运动时不会有明显的束缚感，而且易于穿戴。

人工气动肌肉；肢体康复；柔性；助力

肢体康复机器人是一个新兴的领域，经过十几年的发展，各种康复机器人大量涌现。从总体上看，国外发展较国内快。国外的肢体康复机器人在国内医院已被患者使用，而在国内大多数康复机器人还在原型机阶段。目前，康复机器人的驱动方式主要有电机驱动和气动肌肉驱动，与电机驱动相比，采用气动肌肉驱动具有成本低、质量轻、出力大、柔顺性好、安全性高、噪音低等优点。患肢在进行运动时不会有明显的束缚感，而且易于穿戴。考虑到患者患肢多较脆弱，在康复装置设计中必须以安全性和柔顺性为中心，故采用气动肌肉做为康复装置的驱动器更为合适。本研究设计了一种多自由度可穿戴柔性助力气动肌肉服，采用气动肌肉驱动完成肩部外展、内收，肘部屈伸等动作。

1.气动肌肉的结构和特点

气动肌肉的主体结构由橡胶管和套在外面的纤维编织网组成，橡胶管和编织网在两端通过接头固定在一起，接头主要起密封固定作用，另外接头是外负载和气动肌肉进行连接的地方，此外，气动肌肉进气管的安装地方也通常放置在接头处。当气动肌肉充气时，橡胶管膨胀并和纤维网紧紧贴紧，从而将气体的压力传递给纤维网转化为拉力在编制网编织角度变大的同时，气动肌肉在轴向方向收缩，从而带动负载工作。气动肌肉由于主题部分主要是橡胶和编制网等高分子材料，质量很轻，而出力很大。

2.人体上肢运动分析

由于人体上肢运动非常复杂，自由度较多，为了肌肉服对人体运动不产生太大的干涉，多自由度可穿戴柔性助力气动肌肉服要求结构简单、安全便捷。因此研究上肢的各种基本运动。

动作形式是由上肢各环节共同参与完成的，上肢包括肩关节、上臂、肘关节、前臂、腕关节、手部。手部与前臂通过腕关节相连，前臂与上臂通过肘关节相连，上臂与躯干通过肩关节相连。人体手臂共有多个自由度。人上肢日常运动涉及的多个自由度，分别是：肩关节的屈/伸、外展/内敛和外旋/内旋、肘关节的屈/伸、腕关节的屈伸和外展/内敛；前臂的旋内/旋外。

3.结构设计

本多自由度可穿戴柔性助力气动肌肉服设计是根据人体肌肉的走向。以人机工程学、线牵引助力穿戴式装备设计、材料学、人体运动、生物仿真、上肢压力分布等为基础，以及从主观舒适度和客观舒适度出发，全面系统地衡量了影响助力穿戴机械装备舒适度的因素，最终确立了肌肉服助力装备舒适度评价指标。继而基于此标准对相关因素进行设计指导，包括结构、尺寸、关节自由度、重量重心、材料、连接装置等。肱三头肌控制手肘屈伸，前三角肌、后三角肌肩关节外展，胸大肌控制肩关节内旋、内收，冈下肌控制肩关节外旋内收，斜方肌二头肌控制双肩抬起和稳定。

所设计的多自由度可穿戴柔性助力气动肌肉服模型如图1、图2、图3所示。

整个装置可穿戴在使用者身上，其中手臂可以实现肩部外展／内收，肘关节的屈／伸，肩部伸展和肘部的屈伸是通过气动肌肉收缩完成，而其相反运动通过手臂自身的重力来实现。该肌肉服总共安装4根气动肌肉，每根肌肉后端连接气泵，前端则直接与衣服连接。设计的多自由度可穿戴柔性助力气动肌肉服质量轻、穿戴方便、安全性能高、柔顺性好、成本低，患肢在进行主动运动时不会有明显的束缚感，可实现对患者上肢的运动功能康复训练，此外，肌肉服的制造仿生人体肌肉，然后布局合理的佩戴在精确的位置。这些特点使“肌肉服”对穿着者没有精确的规定即尺寸可灵活调整。易于穿戴且易于收纳这种设计结构也增大了康复系统的适用范围。多自由度可穿戴柔性助力气动肌肉服技术成熟和功能扩展后可应用到医疗、健身或特战装备、军用运输等领域，具有良好的市场应用前景和重大的技术推广价值。

图1 气动肌肉分布图

图2 缝在夹层衣服中

图3 穿戴后

4.控制系统及基本运动

整个肌肉服控制系统通过简单开关控制气压的大小，达到上肢运动的效果。实际测量上肢康复机器人的基本运动范围如下：肩部外展／内收为0°～90°；肘部屈／伸为0°～90°。

5.临床试验及结果

针对上述多自由度可穿戴柔性助力气动肌肉服，本文进行了初步的临床试验来评估整个装置的性能以及临床应用效果。

在整个试验过程中，测试者穿上多自由度可穿戴柔性助力气动肌肉服后处于完全被动训练模式，上肢康复机器人进行辅助训练的跟踪结果如图所示，临床试验结果验证了所设计的多自由度可穿戴柔性助力气动肌肉服的可用性和有效性。

研制的多自由度可穿戴柔性助力气动肌肉服能辅助病人完成肩部外展／内收，肘部屈／伸等功能运动训练，这种新型多自由度可穿戴柔性助力气动肌肉服的特点是结构简单，方便拆卸，柔顺性好、质量轻、成本低、适合社区及家庭使用。试验结果证明了所设计的多自由度可穿戴柔性助力气动肌肉服的可用性和有效性。实现更多的自由度，智能化运动控制技术，引入患者主动运动意识的意识触发进行人-康复装置的交互控制将是今后研究的重点方向。

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