基于牵引疗法的多关节便携式手部康复机器人设计

刘建坤 刘明亮 梁勇楠 李攀

摘 要：本文針对手部康复训练需求，设计了一种基于牵引疗法的手部多关节便携式康复机器人，绘制了康复机器人的三维模型，并运用 Rhinoceros5.0 对机构进一步优化建模。经过仿真分析验证所设计的模型具有机构简单、穿戴方便、轻量便携等特点，能较好地实现了手指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：柔索牵引；手部康复；便携式设计；医疗器械

1 引言

由中风等疾病引起的患者手部运动障碍，除了前期手术和药物治疗以外，术后科学的康复训练对患者的恢复起至关重要的帮助。研究表面大脑皮层运动控制区域损坏后，在经过训练后可以由其它区域代替。因此只要做相应的康复训练，偏瘫患者便能够恢复部分或者全部运动功能。

传统的手部康复训练都是在医师指导下，借助一些简单工具进行康复训练，这种训练不但效率低，而且对医师的要求也比较高，且每个医师一次只能针对一名患者进行康复训练的指导。医师的数量与质量严重不足，导致大量患者延误了最佳治疗时间。因此，手部康复机器人成为研究热点。

2 整体系统设计

2.1 设计思路分析

本方案设计了一种基于牵引疗法的手部康复机器人，包括电机、五个指关节组、齿轮组、滑轮组、柔索牵引装置、腕关节转动装置、手部固定部分及连接部分。手部康复机器人为仿人形状，指关节部分设置五组多关节手指将机器人本体与人手紧密连接在一起，固定后可以通过各个关节的扭簧及指关节背部的柔索牵引实现指关节的屈伸，通过机器人不断带动人手指进行弯曲/伸展运动可以实现手部康复训练，同时在腕关节位置放置两组二级减速齿轮组，可以实现腕关节的转动训练，进而保障训练效果。

2.2 整体机构设计

通过设置末端牵引机构搭配扭簧蓄力，可以带动人手指及腕关节进行康复训练，牵引力控制更加柔顺。通过设置两组二级减速齿轮可以实现康复训练过程中腕关节的转动，加入腕关节自由度可以大幅度提升康复治疗效果，其三维模型如图2-1所示。该手部康复机器人结构简单，成本低廉，适用于手部残疾患者，康复效果良好且容易实现批量生产。

3 指关节驱动设计

本方案设计的指关节驱动模型如图3-1所示，包括五个指关节组，每个指关节组由4个指关节构成，每个指关节都根据人体生理学尺寸进行设计，并可以与人体手指紧密贴合。每两个指关节之间通过指关节轴进行连接，每个关节外侧都有孔，柔索可以穿过孔并牵引各个关节进行运动，每两个关节内侧有扭簧提供预紧力。同时各个指关节在根关节处通过锁紧螺钉与锁紧螺母固定在固定架上。

4 腕关节设计

本方案在机器人腕关节位置设置了齿轮组。其内置滑轮组及齿轮轴，齿轮轴上开有键槽，通过键与五个滑轮组连接。滑轮上绕有柔索并与指关节的柔索连接。齿轮轴两侧的两个齿轮分别与一个齿轮相啮合。当齿轮轴转动时一方面可以驱动滑轮牵引柔索拉动指关节进行屈伸，一方面可以通过齿轮驱动腕关节连接架进行转动。

同时在机器人腕关节位置固定有腕关节固定卡扣，可以方便地将人手腕与机器人固定到一起，同时还可以调节固定的松紧程度以满足不同体型用户的需求。齿轮组内侧固定有腕关节套筒，腕关节套筒由柔性材料构成，一方面可以进一步紧密固定人手与康复器械，另一方面可以避免机器对人体造成伤害。

5 安全性考量

康复机器人的设计应避免对患者造成二次伤害，所以本方案不仅在关键位置采用柔性材料，而且在驱动上加入了三重保护机制。康复机器人正常运行时由软件分析数据并进行控制，软件会控制康复机器人只在固定位移范围内运动。当软件控制异常导致康复机器人运动超出安全范围时，滑轮组会触碰限位开关给电机紧急断电，当限位开关异常导致电机未断电时，滑轮组会触碰机器人的机械限位阻止其继续转动，从而在最大限度上保障患者安全。

6机构优化

将本方案设计的三维模型根据1：1比例绘制完成后，进行运动学仿真分析。仿真验证表明，机构设计基本满足五指康复训练需求，但仍存在手指前端易脱落，末端牵引机构无法大角度转动等问题，故需进一步优化机构设计。

运用 Rhinoceros5.0 对机构进一步优化建模。为使驱动机构运行更加顺畅，在齿轮组中增加两个电源散热环。同时，将电源系统集中在中心手背区域。每个指关节设计为独立的U型外壳结构，且有独立的环形内网支撑，可以在理论上解决上述问题。

7总结

本文设计了一种基于牵引疗法的手部康复机器人结构，绘制了康复机器人的三维模型并以食指关节为代表进行指关节训练的仿真验证，运用Rhinoceros5.0软件进行模型优化。通过仿真分析，为制作手部康复机器人实物模型奠定了基础。该机构设计与控制方法基本满足中风患者手部康复需求，具有机构简单、穿戴方便、轻量便携等特点，但其医疗作用仍需进一步验证。

参考文献：

[1] 张勤超. 手部功能康复机器人机械系统的设计与研究[D]. 哈尔滨工业大学， 2011.

[2] 冯超， 吴杰. 外骨骼式手部康复机器人的设计[J]. 自动化应用， 2018（3）.

[3] 詹文聪， 蒋蓁. 一种新型手部康复机器人的设计与研究[J]. 计量与测试技术， 2016， 43（2）：4-7.

[4] 李小龙. 人体手部康复训练机器人机构的研究与分析[D]. 中北大学， 2016.