手部外骨骼康复机器人机构研究与设计

2018-10-27樊琛杨振坤高申南

山东工业技术 2018年17期

樊琛杨振坤高申南

摘要：本文针对中风所致手部康复需求，研究了手部外骨骼康复机器人的整体结构、行走机构、驱动机构设计，制做了手部外骨骼康复机器人的模型，并运用Rhinoceros5.0对机构进一步优化建模。实验验证所设计的模型具有机构简单、穿戴方便、控制有效等特点，能较好地实现了食指0～90°弯曲运动，满足关节运动及韧带拉伸的康复训练需求。

关键词：手部外骨骼；康复机器人；Rhinoceros5.0

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.119

1 引言

手部健康灵活是人们生活质量的重要保障。由于疾病或事故造成的手部功能障碍，使患者生活和工作受到极大影响，为其家庭带来巨大经济损失。传统康复训练主要依靠康复医师，耗费大量人力物力，费用高、效果差，使很多患者失去康复的最佳时机[1]。近年来，随着外骨骼机器人技术与康复工程学的不断发展，手部外骨骼康复机器人成为研究热点[2]。

本文基于手部解剖学，在研究手部自由度、关节运动、角度、速度、位置等相关内容基础上，突出研究手指为代表的四指机构设计与制作；运用Pro e软件进行实体工程建模；选取合适材料及驱动电机，制作手部外骨骼康复机器人模型，并进行实验仿真。同时，基于工业设计和人机工学，对机构进行优化。

2 整体设计

2.1 设计思路分析

根据临床经验，手部康复治疗主要为韧带拉伸和关节运动[3]。以食指为例，弯曲自由度为3个，通过外骨骼机器人带动，帮助韧带拉伸和关节运动康复。机构设计思路如图1所示。

2.2 整体机构设计

根据手部外骨骼康复机器人设计需求，整体机构由驱动机构，连接机构，杆架机构，手部附着机构组成，如图2所示。驱动机构提供能源动力，同时控制机构的运行；连接机构连接手掌；杆件机构是中间过渡机构，传递力的同时稳定机构；手指附着机构包裹手指，保证杆架机构和手指稳定连接[4]。

3 行走机构

3.1 杆架机构

杆架机构由传动杆、传输杆、小传动杆组成，如图3（a）所示，其中传输杆安装图如图3（b）所示。

杆架初始位置为黑线位置。传动杆1顺时针转动，到达垂直状态，传输杆2向前移动，推动小传动杆3的顺时针转动，直至带动手指到达极限弯曲位置。在弯曲状态下传动杆1随着电机的逆时针转动，传输杆2上移，小传动杆3后移，此时手指从弯曲状态恢复初始状态，如图4所示[5]。关节连接部分采用3mm螺钉与螺母作为连接件，如图5所示。

3.2 连接机构

连接机构包裹手掌，采用中空结构，方便患者的穿戴，如图6所示。作为辅助机构，连接机构把驱动机构与杆架机构相连，保持机构连贯稳定[6]。同时，与舵机相连，保证杆架机构正常运行。

4 驱动机构

4.1 驱动电机选择

根据机构设计需求，将舵机的位置放置手腕外侧，选用尺寸为40×20×44mm、重量为38g舵机作为动力源，如图7所示。带动食指杆架机构做0～90°运动。

4.2 控制器选择

舵机控制器通过调节输入舵机的控制信号调节，外部信号的宽度和舵机内部周期20ms，宽度1.5ms的基准信号进行对比，获得电压差。电压差的正负决定电机的正反转。选用六路电位器舵机测试仪，将PWM线号的宽度进行调节，以控制舵机的角度，如图8所示。

5 模型制作与运动演示

根据设计需求，设计制作模型如图9（a）所示。

为验证机构的合理性，进行运动演示实验。为避免个体手型、尺寸误差，采用假手模型进行食指0～90°运动演示。分别选取原始位姿；弯曲关节掌关节40°，近端指关节35°；远端指关节5°和原始位姿向后拉伸15°，如图9（b，c，d）所示。

6 机构优化

验证运动表明，机构设计基本满足四指康复需求，但存在手指前端易脱落，拉伸機构无法大角度转动等不足，故进一步优化机构设计，运用Rhinoceros5.0建模 [7]，如图10所示。