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标题

手部功能康复机器人结构创新设计

范文

柴静杨柳王媚雪

摘要：为了解决手部功能康复机器人不能针对不同人群进行手指结构尺寸调节的实际问题，满足患者在使用过程中的差异化。以现有的机械传动结构及康复理论为基础，通过对现有的手部功能康复机器人进行分类研究、分析现有的动力传动机构及对手部功能康复机器人的设计原则进行提炼分析，总结现有手部功能康复机器人的缺点。运用人机工程学、相关设计原则以及持续性被动运动理论对其进行优化，设计一款可以调节指节机构尺寸并符合患者佩戴舒适性的手部功能康复机器人。该手部康复机器人可以帮助脑卒中手部康复患者以及手部受外伤的患者进行有效的康复治疗。

关键词：手部康复机器人创新设计人机工程学传动机构尺寸调节

中圈分类号：TB472 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2019）09-0136-03

引言

手是人类身体的重要组成部分，如果没有了手或手部功能损坏，人类的很多行为都不能很好实现，甚至对当事人的心理造成不良影响，严重影响着人们的工作和生活。但是由于意外与突发事件的发生，受伤是避免不了的，因此许多专家和学者针对手部康复进行研究，美国应用生物力学和康复研究中心的schabowsky等采用模块化设计理念，利用四连杆机构原理设计出手指模块。美敦力公司的手部功能康复机器人HANDEXOS将单指的驱动机构分为五个独立模块，每个模块利用曲柄滑块和钢缆线传动。慕尼黑理工大学Andreas Wege等人设计了由博登线驱动的装置，每个手指附件通过杠杆原理实现运动。哈尔滨工业大学研究人员张勤超等利用齿轮和齿条的啮合实现空间连杆机构的双自由度。对现有的产品进行分析可以发现其都不具有指关节尺寸调节功能的缺点。由于现实生活中每个人的手部尺寸都不相同，但是现有康复机器人无法实现与患者的手形良好匹配。针对这一点，本文将锥齿轮啮合传动特性与空间连杆机构特点相结合，设计出—种能够调节康复机器人每个指关节尺寸的装置。

一、手部生理和康复理论

（一）手部生理构造

手部骨骼由27块骨组成，手基底部并列两排的8块小骨叫作腕骨，腕骨前面是5块掌骨，掌骨前面是14块指骨，其中拇指2块，其他4指各3块，如图1所示。

人的手指是人体运动关节中最为精巧，最为复杂的运动器官之一。人手一共有21的自由度（degrees of freedom;DOF），有4个自由度在前端四指上，其中掌指关节（MCP）具有2个轴线垂直相交的转动自由度，近端指关节（PlP）和远端指关节（DIP）各有1个自由度。大拇指一共有5个自由度，分别分布于指间关节（1P）1个，掌指关节1个，腕掌关节（cM）3个。虽然人们手部大体形态差不多，但是人手关节的运动范围因人而异，经过分析发现，人手关节的运动范围具有一个大致的通用范围，具体详细参数如表1。

（二）手部康复理论

目前关于中枢神经损伤后功能恢复的理论主要是大脑的可塑性理论和功能重组理论。相关的原理为健康的人的皮质代表区会发生修饰由于训练和运动技巧的获得，类似的神经修饰同样也可由神经系统的损伤所引发。在这个过程中，神经系统具有可塑陛，所谓的可塑性就是神经系统可随环境改变而发生适应性变化的特性。从1930年Bach提出脑的可塑性理论至今，相关的脑可塑性理论大量提出，其中包括替代论、远隔功能抑制论、神经发芽论、突触功能调整论、神经再生微环境变化论，这些理论各有侧重地阐述了大腦损伤后功能恢复可能的机制，为脑卒中后的治疗和康复奠定了理论基础。

对于由脑卒中和脑外伤而导致肢体运动障碍的病人，目前临床上采用重复行的运动对患者进行康复治疗，以康复医疗学中对患肢的持续性被动运动（简称cPM;Continuous Passive Motion）理论为依托，在恰当的时间，运用有效的方式对患者进行CPM康复治疗训l练可以极大地将其患者后期致残率。这种康复治疗的方式也更加有效阻止关节僵直，关节在手术或者受伤之后如果不及时进行干预治疗，患肢通常会发生僵直，其发展过程会经历4个阶段：出血、浮肿、生成肉芽组织及纤维化。在出血和浮肿两个阶段运用持续性被动活动可以对关节和周围组织起到活血化淤的功效，这就要求我们保证周围组织依从性的正常的能力。受到外伤或者手术的患者在康复治疗中，在最佳时间采取持续被动活动治疗的措施，手指各个关节在其能运动的最大范围进行活动，可以使关节软化，这样关节僵直的趋势不会再发展下去，有效降低了患者的致残率，由此可见，持续性被动运动康复治疗的方式对与阻止关节僵直是十分有效的。

二、手部功能康复机器人分析

（一）手部康复机器人分类

从动力来源来分类，目前常见的手部功能康复机器人主要分为电机驱动、气体驱动和液压驱动。不同类别的动力源的手部功能康复机器人运动的原理如下：

1.电机驱动的手部功能康复机器人运动原理：利用电机产生的力或转矩，经过减速器获得工作转速。电机驱动的优点有驱动效率高，运动精度高，容易控制，电源使用方便，响应快速，工作噪音较小等。

2气体驱动的手部功能康复机器人运动原理：一般气压在0.4-0 6Mpa，气压驱动具有缓冲作用，能有效起到一定的安全保护作用，要求机器人的结构简单，能源成本较低。但是气动驱动功率较小，体积大，定位时的精度不高，工作时噪音大等缺点。

3.液压驱动的手部功能康复机器人运动原理：液压一般用2-15MPa，液压驱动可实现无极调速，总体体积较气压驱动机器人小，功率质量比较大，驱动平稳，位姿精度高，运行起来无噪音等优点。但液压驱动输出范围较大，通常用于运动低速的场所，液压油容易外漏，工作环境恶劣等缺点，并不适合要求环保清洁的康复机器人系统。

4其他类型的手部功能康复机器人运动原理：新材料驱动运动原理，如记忆合金等新材料。利用某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状的特性，实现对手部关节的弯曲和伸展。

（二）动力的传递机构分析

目前手部康复机器人动力的传递有连杆机构传导、绳传动、曲柄连杆机构传动、齿轮机构传动、齿轮齿条传动等方式：

1.连杆机构：连杆机构又称低副机构，是机械的组成部分中的一类，连杆机构指由若干（两个以上）有确定相对运动的构件用低副（转动副或移动副）联接组成的机构。

2.绳传动机构：绳传动机构是靠紧绕在槽轮上的绳索与槽轮间的摩擦力来传递动力和运动的机械传动。它主要优点是能传递湿距离的平行轴或任意位置轴之间的旋转运动和直线运动，传动零件结构简单、加工方便，传动平稳，无噪音、无振动和冲击。其缺点是传动精度低，只适用于传递较小的力和力矩。

3.曲柄连杆机构：曲柄连杆机构是指用曲柄和滑块来实现转动和移动相互转换的平面连杆机构。曲柄滑块机构中与机架构成移动副的构件为滑块，通过转动副联接曲柄和滑块的构件为连杆。

4.齿轮机构：齿轮机构是一种高副机构，在各种机械设备中得到广泛应用。齿轮传动属于啮合传动，它的主要优点是瞬时传动比恒定，适用的圆周速度和功率范围大（速度可达300m/s，功率可从1w-100000kW），传动效率高（可达0.99），工作可靠，寿命长（可达10-20年），结构紧凑。但是齿轮制造比较复杂，需专用设备制造。

5齿轮齿条传动机构：齿轮齿条传动机构可以实现旋转运动与直线往复运动之间的转化，瞬间传动比准确，传动效率高，寿命长。缺点是制造精度较高，维修和维护成本较高等。

三、手部康复机器人的设计原则

（一）安全性原则

手指是上肢中最为脆弱的部位，手指和指关节很容易受到伤害，如果机构和控制系统设计的不合理会导致严重的医学事故，手部康复机器人的使用会对手部造成二次伤害，所以手部功能康复机器人的设计应该将安全因素作为重要的设计要素之一。在进行手部康复机器人机械结构设计时，应该在机构中设置安全保护装置或结构，以保证机构在工作状态中没有其他运动干涉，手指与机构之间的固定装置应该具有调节功能，以满足不同尺寸号型的手指佩戴。控制系统的设计首先要保证机构安全稳定的工作，其次需要有不同的康复训l练模式，然后提高实效性，及时对康复训练结果进行反馈。

（二）舒适性原则

手部康复机器人的设计应该充分考虑手部的生理结构，保证手指在机构的牵引下运动平滑柔顺，能够让使用者享受康复训练过程，调动使用者的积极性，提高康复训练效果。

四、手部功能康复机器人的创新设计

通过对国内外现有手部康复机器人的分析与研究，结合上述内容发现：现有的手部康复机器人驱动装置数量过多、运行机构庞大复杂导致手部康复机器人的重量较重体积较大，而且不具有尺寸调节功能，难以满足不同尺寸的手指。下文将阐述一种能够调节尺寸，单指只需一个驱动电机的手部康复机器人。

（一）机构原理

机构利用锥齿轮的相互啮合传动来实现动力的逐级转递，轮1由电机间接驱动，电机经过减速装置得到适合的转速，进而驱动轮1朝箭头所示方向转动，轮1分别与轮2和轮4啮合，其中轮2（通过轴A）与框架2为刚性约束，实现框架2绕轴A中心转动。轮4与轴A為轴承约束，轮4与轮3啮合，实现将动力由轮1传递到轮3，轮3再通过键与轮5的槽配合，实现将动力传递到下一关节。下一关节的原理与上述原理相同，只是在锥齿轮的参数方面有区别，如图2。当动力传递到远端指关节时，需要将用来传递动力的锥齿轮和与其啮合的下一级锥齿轮去掉，此处无需再将动力传递下去。

关于尺寸调节：图2中，轮3的大端面一侧设置有与其刚性连接的中心空轴，空轴上设置有凹槽，类似的，在轮5的大端面一侧也设置有与其刚性连接的实心轴，轴上设置有突出的键，此键与轮5的空轴是刚性连接。键槽配合安装，即可在不影响正常工作的情况下，实现机构长短尺寸的调节。

直齿圆锥齿轮在啮合传动时，满足公式（1），将正常人手部关节活动度范围提供的角度值代入公式（1），设计分度圆直径最小的两个可以啮合的圆锥齿轮，以实现传递机构的小型化。

（二）人机尺寸

手部基本尺寸的均值及标准差：根据我国1986年一1987年进行的全国成年人人体尺寸调查，样本容量为男女各—万一干一百余人，样本按分层整群随机抽样方法确定，分布于全国16个省市119个企事业单位，具有代表性。测量项目包括ISO/DIS 7250人体测量项目中关于手部尺寸的项目：手长、手宽、食指长等主要参数如表2、3所示。

本次设计依据表中我国现行成年人手部数据标准进行结构和外观设计。

（三）外观设计

外观设计如图3、4所示。

结论

本论文首次将锥齿轮和空间连杆机构相结合运用于手部功能康复中，设计出一种能够调节康复机器人每个指关节机构尺寸的新型机构原理。通过对现有的手部功能康复机器人进行分类研究、分析现有的动力传动机构及对手部功能康复机器人的设计原则进行提炼分析，设计出一款可以调节指节机构尺寸，并符合患者佩戴舒适性的手部功能康复机器人。解决了手部康复机器人手指结构尺寸不能调节的问题，使患者在使用产品的时候更加方便，更加高效，更加舒适，以达到更好的康复效果，同时为手部康复设备领域提供了一种技术方案。

与此同时，论文仍然具有一些局限性，比如无法得出精细的数据参数等，还需进一步深入研究圆锥齿轮的选材和齿轮尺寸参数的关系，进而得出质量较轻、尺寸较小和强度较好的圆锥齿轮机构，进一步完善优化本设计。

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