多自由度可穿戴上肢助力康复训练肌肉服

李远利　方艺芬　曾惠莹　许建华

摘 要：随着机器人技术的发展以及气动技术本身的优点，气动器械手已经广泛应用于生产自动化的各个行业。气动肌肉作为一种新型的气动执行元件，具有结构简单、功率、柔性好等特点。本论文在分析人体上肢运动机理的基础上，提出适合穿戴的关于多自由度可穿戴的上肢助力康复训练肌肉服。这种“肌肉服”适用于非健康的人，例如残疾患者、老年人、缺乏力度等群体，此套装是气动肌肉装置，按照合理的布局紧贴身体且佩戴在精确的位置。

关键词：气动肌肉；康复训练；肌肉服

1课题研究背景及意义

本文研究的肌肉服目的旨在设计一种重量轻，柔软灵活，易穿戴的全能型“肌肉服”，以使用于支持力缺乏的人。如体力劳动者、老年人和脑损伤患者，减轻体力劳动者的肌肉负担。仿人类上肢运动肌肉组织方式，使气动肌肉在人体关节部位精确位置的布局，分析各关键参数对外骨骼结构与人体协调动作的影响规律，实现肌肉服机械结构和关节运动相结合的优化设计。

2国内外现状及其分析

人机交互技术：

通过计算机输入、输出和其他辅助智能设备，实现人与计算机对话和互动的技术，帮助患者对运动再学习的技能进行深度感知和记忆，激发患者主动参与训练的兴趣并通过计算机下达指令，来解放治疗师，节省了人力物力并可以实时、动态地记录患者的运动数据，为准确分析和评定康复效果提供实证并作为医学的依据。

与国外相比，我国在上肢智能助力研究上虽然起步比较晚，但发展势头迅速，并研制出各种类型高技术智能助力原理样机。如哈尔滨工程大学的研究成果有仰卧式下肢康复机器人、多功能助行机器人；浙江大学流体与传动控制国家重点实验室设计了一种新型可穿戴下肢步行外骨骼机构；东南大学精仪系将力反馈遥操作机器人技术应用于康复医疗，设计了基于互联网的、一对多的力觉辅助远程康复医疗机器人系统。但是这些外骨骼机器人往往功能单一，结构笨重，灵活性不强，舒适性不够好，且助力效果十分有限。

与这些外骨骼机器人相比较，此研究考虑了穿戴者在柔韧性、舒适性、适用性、方便性等方面的多项人体工学指标，设计出了一款引导人体动作，强化人体机能，改善人体在多种运动时的全能型的可穿戴式肌肉服。

3气动肌肉研究

气动肌肉是一种类似于生物仿生肌肉的气动执行元件，氣动肌肉是由内部的橡胶管以及外部的编织网构成，充气后可实现径向的膨胀和轴向的收缩。这开创了气动肌肉应用的先河。其结构如图1所示。

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。因此在本章题中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。如图2所示。

4结构设计

本多自由度可穿戴上肢助力康复训练肌肉服研究是根据人体肌肉的走向，如图3。以人机工程学、线牵引助力穿戴式装备设計、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。

5创新点

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。

整个肌肉服控制系统框图如图5所示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°。

6多自由度可穿戴柔性助力气动肌肉服的实验研究

实验装置包括前面所介绍的肌肉服其结构部分实物如图下仿人肩关节所示。我们采用开关按钮触发，只需要手掌一握触到手心的开关即可启动。与电机驱动不同，此研究采用气动肌肉驱动，只需启动静音空气压缩机，调整气阀控制装置即可达成气动肌肉收缩来达到康复助力效果。如图7所示。

参考文献：

[1]李会军，宋爱国.上肢康复训练机器人的研究进展及前景[J].机器人技术与应用，2006（04）：32-36.