基于仿生肌肉的柔性气动上肢助力产品设计

刘月林 陈佳宇

引言

老年肌力受损患者由于肌力受限，在生活等方面有诸多不便，患者多采用自主恢复训练，患肢的康复训练方式较为单一，运动不当易对患臂产生二次伤害，而训练程度不够，患臂肌肉萎缩会加重肌力受损病情。长时间的患臂训练不当，会影响肌力受损患者的肌力恢复进程，严重时会引发患者焦虑、自卑等心理疾病。市场中现有上肢助力产品多针对偏瘫、老年康复等用户，且多采用刚性外骨骼结构训练式或体感游戏式康复模式，缺乏针对肌力受损患者的康复产品。本文通过采用仿生肌肉的仿生结构，设计一款柔性气动上肢助力产品，培养用户的自主恢复意识，提高其患臂的恢复效率，减轻患者病体压力与心理压力。

一、上肢助力产品设计现状研究

医院使用的训练手部与腕部的刚性外骨骼式康复助力器械，主要利用弹簧的弹性形变牵引手部及腕部运动，从而达到训练目的。外骨骼式助力器所设定的弹性力矩，能够固定患肢的活动范围，但只能使其做往复屈伸运动，训练模式较为单一，有一定的局限性。现今普遍使用于康复中心、老年社区的虚拟游戏训练系统.建立了网络手套与虚拟手的映射关系，实现人机交互。虚拟现实的上肢康复手机器人训练系统，具有碰撞检测和力反馈功能，使用户在虚拟环境中与物体交互时感觉更加真实。

目前国外对上肢助力的产品与系统性训练研究较多，但是对于设备的结构轻便性设计考虑相对较少，针对特有疾病的系统性训练研究层次划分不够明确。而国内有关康复机器人的研发中，对于上肢功能康复训练机器人还处于起步阶段，研发者大多来自于原先工业机器人领域，国内康复机器人产品也大都直接移植工业机器人技术。重庆大学研制的三自由度上肢运动康复助力装置，是一种利用步进电机驱动的多自由度机械臂系统，能够根据用户的运动意图辅助患肢完成取物等运动任务。该三自由度机械臂采用运动轨迹追踪、运动速度一时间等参数进行了编程设计能够根据患者的肩部、肘部、腕部关节的运动生理性质，进行相应的阶段性控制。哈尔滨工业大学研制的五自由度外骨骼式上肢康复机器人系统，分别对用户的肩部、肘部、腕部的关节屈伸、旋转动作进行分解，再由电机控制機械臂各个关节的运动。用户佩戴机械臂后，设备通过用户的行为动作采集皮肤表面肌电信号，完成患臂的康复训练。

总体上，市场中现有上肢助力设备主要分为两类：第一类，外骨骼式刚性助力结构，且均需连接设备。患者佩戴并操作助力器械时，产品较为笨重，轻便性不佳，操作过程也较为复杂;第二类，VR游戏沉浸及认知训练类，但此类产品内部传感器与人体适配性”有待完善，且不适用于老年骨折、肌力受损等特殊病症。我国针对上肢助力产品的研究已取得一定成果，但存在一些设计上的不足。

二、上肢生物力学分析与仿生肌肉模型

（一）上肢生物力学分析：肌力受损者常见于骨折恢复期与肌肉非炎症性疾病。骨折分为固定期（6周）与恢复期（6周-13周）两个时期，在恢复期间，由于骨骼固定期较长，肌肉主要表现为肌肉僵化，肌收缩力减退;肌肉非炎症性疾病，主要表现为肌收缩力减退或消失以及肌肉萎缩等。

本研究所针对的人群为上肢肌力受损者。通过对上肢骨折患者行为过程的观察研究得出，病患在患病恢复过程中，需承受来自心理、生理的双重压力。从心理层面分析，患者存在焦虑、自卑、易怒、封闭等心理状态，不利于患臂的恢复;从生理层面分析，肌力受损者患臂呈现屈伸不顺、无法承重等状态，患者患臂应在恢复期进行被动、主动训练，便于患臂肌肉的机能恢复。

肩部在运动过程中，运动范围随手臂抬举高度的变化而变化，肌肉组织随肩部运动改变运动状态。定义以旁观者为参照，肩部逆时针旋转为“屈”，顺时针旋转为“伸”。肩部做逆时针旋转动作时，肌肉组织呈收缩状态;肩部做顺时针旋转动作时，肌肉组织呈拉长状态，肩部末施力时，肌肉组织呈静止状态。故上肢助力器的设计过程中，应注意患者的上肢肌肉僵直状态，在不对其造成二次伤害的基础上，带动患者手臂做固定力范围下的助力动作，达到锻炼患肢、恢复患者肌力的作用。

手部承重时，手臂等同于速度杠杆，肘部为杠杆支点，肌肉肌腱末端为动力点（肌拉力点），手部承重时为阻力点（受力点）。手部承重过程中，上臂肌肉以肌拉力点支撑，施加肌力，肌力大小与手部所承重力大小相对应。将肩部肌肉所受力为垂直方向转动分力与水平方向加固分力，转动分力与加固分力合成为肌拉力，肌拉力与水平夹角为拉力角。肌力正常时，转动分力与加固分力正常合称为肌拉力，肌力受损时，手部承重减弱，拉力角相对常量缩小，肌拉力减弱，所分解的转动分力与加固分力缩小，肌力受损肌拉力长时间小于正常肌拉力，会导致患者肌肉收缩力减退.严重则致肌肉萎缩。而骨折恢复期及其他肌力受损患者，手部承重吃力，臂部肌肉难以较正常人进行可运作范围内的屈伸、回旋等动作，需对其进行外加施力助力，引导其患臂运动，恢复肌力，提高患者自身的康复效率，预防或减轻手臂局部的肌肉萎缩。

（二）仿生肌肉模型：（如图1）所示，仿生肌肉是一种模仿人体肌肉的机械元件，最早的仿生肌肉模型是由物理学家Joseph L720世纪50年代提出，用于残疾人的肢体矫正。Joseph L所提出的McKlbben型气动肌肉，由织网结构与柱状结构两部分组成。织网结构包裹在柱状结构外部，模拟人体的肌腱、肌肉纤维结构。

人体肌肉纤维有静止、收缩、舒张三种运动状态，处于静止状态时，肌肉纤维呈间隙常态，处于收缩状态时，肌肉纤维间隙缩小，处于舒张状态时，肌肉纤维间隙增大，以适应骨骼运动的变化趋势。

仿生肌肉的驱动方式模拟人体肌肉纤维的伸缩方式，仿生肌肉模型柱状结构可以随充放气进行体积收缩变化，从而带动助力器的组织结构，产生助力作用，且质量轻便、响应迅速、成本低廉。本研究所设计的上肢助力产品参考仿生肌肉结构模型，贴合人体肌肉生理的伸缩、舒张特性，能够提高机构的柔顺性、减轻机构质量。

三、柔性气动上肢助力产品设计实践

目的在于设计一种上肢助力产品，运用人体工程学，结合仿生肌肉结构原理，简化产品功能，培养患者的自主训练意识，提高患者肌力的恢复效率，满足用户的心理需求，提升用户体验感。

（一）产品功能原理：柔性气动上肢助力产品的仿生肌肉原理，采用空间弯曲柔性纤维，在维持产品助力所需刚性固定结构的同时，具备良好的收缩舒张特性。气动仿生柔性结构，采用气动肌肉驱动控制，利用气压传动固有的柔陸特性实现结构的仿生柔性。

本设计中采用的仿生肌肉结构，采用弹性气囊结构与网状纤维材料组成。弹性气囊结构柔顺性、轻便性较强，网状纤维结构能够保持产品的刚性特性，可对患者患臂起到良好的支撑与保护作用，可助力患肢做屈伸运动，避免二次伤害。

（二）产品功能设计：本研究设计的上肢助力产品，包含被动训练与主动训练两种训练模式。被动训练适用于骨折恢复期与肌力受损患者，产品模式根据患者患臂情况定制模式难易进度，从简单到复杂，助力逐渐疢复患者患臂肌力;主动训练适用于骨折康复期与肌力受损患者，根据患者主观意识选择训练模式，对患肢进行走制训练，培养患者的自主恢复意识。

上肢助力产品包含双臂训练，平衡与协调患者双臂的康复状况，使患者能够及时比对左右手臂恢復情况，推进患者康复进度。

（三）人机工程学原理：（如图2）所示，人体肩、肘、腕部活动范围不同。在垂直方向，肩、腕部可做回旋、屈伸动作，肘部可做屈伸动作，在水平方向，肩、肘、腕部可做舒张动作。而骨折、肌力受损的患者，在臂力恢复期间，可佩戴带上肢助力设备，对肩、肘、腕部恢复过程进行干涉，上肢的运动状况可由僵直逐渐恢复到正常状态，上肢助力产品的关节活动范围均可通过编程等方式进行预设。

（四）产品设计方案：本研究采用仿生设计中结构仿生与功能仿生的设计方法，探究了肌肉的纤维组织结构，参考气动肌肉的结构原理，模拟设计充气气囊式纤维结构。该结构具备仿生肌肉的收缩、舒张性能，能够完整包裹患臂，分段助力。

根据上述人体上肢肌肉受力分析及人体测量肩、肘、腕部运动范围分析，上肢助力机器人设计点重点分为两部分：第一，根据肩肘腕部运动轨迹，设计助力器的施力大小、可运动方向及造型;第二，根据腕、肘、肩部运动范围与患臂各恢复阶段的运动需求，设走助力产品的不同训练模式。

本设计的产品所属类別为医疗设备，除去气囊结构的特定灰色组织色彩之外，仍需满足医疗设备的白色、蓝色等器械色彩需求。考虑到产品的情感化、人性化设计原则，将其设定为气囊弹取结构，操作简便、功能简易，增强产品的趣味性与轻便性，减弱医疗设备的繁重感，从而减轻用户在产品佩戴过程中的心理压力。

产品效果图及使用过程图（如图3）所示，按压设备表面开关按钮，设备左右两侧弹出纤维气囊结构，气囊舒张完毕后，用户可对结构从左向右进行套取穿戴，随后将设备表面束带结构包裹患肢上臂与大臂，用于设备的结构固定。用户在佩戴运动过程中，设备可根据用户自身的施力大小启动助力模式，同时，产品能够对用户人体信号进行肌电信号采集，生成运动、力量、肌肉活动、心率等相关训练数据，以满足患者的特定需求。

结论

仿生设计、柔性气动结构在助力设备中应用为本研究的上肢助力产品提供了诸多参考。柔性气动结构能够满足用户对助力产品的柔性需求与结构的刚性依托。后续研究将继续深入探索产品设计过程中的人机友好性、功能具体实施方式、对比所用材料的柔性特征与所依托的肌电信号采集技术，以为柔性气动上肢助力产品设计提供理论支持。