一种模块化的腕关节康复训练器设计与仿真

石文韬，孟青云，喻洪流，郭 帅

（1.上海理工大学康复工程与技术研究所；2.上海健康医学院；3.上海康复器械工程技术研究中心；4.民政部神经功能信息与康复工程重点实验室；5.上海大学—上海机器人产业技术研究院，上海 200093）

0 引言

脑卒中又称为脑中风，是一种在中老年人群中常见的多发症，具有发病率、致残率高的特点，会导致患者发生偏瘫，出现运动功能障碍和认知功能障碍等，其中上肢功能障碍患者占大多数。从2000 年起，我国进入老龄化社会行列，60 岁、65 岁及以上人口分别占总人口的10.46% 和6.96%，这两个数字在2010 年人口普查时上升为13.26%和8.87%，并在2015 年1%的人口抽样调查中进一步上升至16.15%和10.47%。根据预测，中国老年人总数在2025 年将超过3 亿人，2033 年将达到4 亿人［1-2］。近年来，我国脑卒中患者数量不断攀升，每年新发脑卒中病例的增速达到8.7%，但是目前我国公立医院的康复医学执业医师仅占整体执业医师的0.8%［3］。

1 腕部康复训练器研究现状

随着科学技术的发展，康复训练机器人的出现在一定程度上缓解了当前康复医师资源不足的问题。根据已有资料显示，一般的腕部康复训练设备主要分为两种：一种是单独用于腕部的康复训练装置，这种设备具有很强的针对性，针对单一的腕部关节进行康复训练，但是无法进行上肢的综合训练。研究发现，由脑卒中等心脑血管疾病引发运动功能障碍的患者一般会伴随一定程度的上肢运动功能障碍，对患者进行上肢的综合训练可帮助患者缩短康复时间；另一种是集成在上肢康复机械臂末端的腕部康复训练机构，这种机构一般用于配合上肢的综合康复训练，但是针对腕部的康复训练，一般都设计为主动训练模式或自由度较少的被动训练模式，且整体结构比较复杂。临床研究发现，复杂、庞大的康复训练机构会对康复训练患者造成一定的心理压力，不利于患者的恢复进程。近年来，康复训练机器人逐渐朝轻便化、小型化、家庭化方向发展［4］。

1.1 单独用于腕部的康复训练装置研究现状

通常情况下，腕部康复机器人包含主动训练和被动训练两种训练模式，其中被动训练模式由机构运动带动患者腕部进行康复训练，适用于肌无力和肌肉力量微弱的患者。主动训练模式适用于有一定肌力的患者进行腕部康复训练，在该模式下，患者可根据自己的意图完成一些比较复杂的康复训练动作，有助于缩短患者康复训练时间。因此，大部分腕部康复训练机器人的设计都采用主/被动混合的康复训练模式。

图1 为近年来腕部康复训练设备的部分研究成果，A是由意大利比萨圣安娜大学研发的WRES 腕部康复训练机器人，B 是由美国明尼苏达大学研发的Wrist robotic Device（WD）腕部康复训练机器人，C 是由美国旧金山州立大学研发的Wrist Gimbal（WG）腕部康复训练机器人［5］，D、F 均是由美国莱斯大学研发的Open Wrist（OW）和Rice Wrist-S（RW-S）腕部康复训练机器人［6-7］，E 是由南非大学研发的R W-P 腕部康复训练机器人［8］。

Fig.1 Research results in related fields图1 相关领域研究成果

在单独用于腕部康复训练的设备中，近年来的研究中均已实现了腕部3 自由度的主/被动训练，但各设备在腕部训练中能达到的运动角度范围有所差异，部分设备甚至不能满足正常人腕部所能达到的运动角度范围。表1 对几种腕部训练设备性能进行了详细的比较分析。

Table 1 Performance comparison of wrist rehabilitation training equipment表1 腕部康复训练设备性能比较

通过各种设备之间的比较，发现大部分腕部训练设备只能单独用于腕关节训练。OW 腕部康复训练机器人采用半开阔式设计，可结合部分手部康复训练设备对手腕进行综合训练；WRES 采用绳驱悬梁结构及单侧支撑的设计方式，可与部分上肢康复训练机械臂相结合进行综合训练，但该结构采用的将电机设置在悬臂末端的方式会对机械臂造成较大的承重负担，而且环形滑轨也会使整个机构显得臃肿。尽管如此，越来越多迹象表明训练方式开始从传统的单关节训练转向多关节综合型训练，康复设备也从传统的一体化设计转向模块化设计。

1.2 集成在机械臂上的腕部康复训练装置研究现状

上肢康复训练机器人的出现逐渐替代了康复医师的部分工作，减轻了医师负担，在一定程度缓解了康复资源不足的问题。在早期对上肢康复领域的研究中主要针对肩关节和肘关节的4 个自由度进行康复训练，对于腕部的康复训练通常采用简单的1 个自由度进行训练，或者直接忽略腕部的康复训练。近年来，随着技术的进步，上肢康复训练机器人的机构末端逐渐增加了腕关节相关训练设计，单一自由度的主动训练也逐渐被电机驱动的被动训练所替代，上肢康复训练机器人研究人员也越来越重视对腕关节康复训练的研究。

图2 为近年来上肢康复训练机器人相关研究的部分成果，其中A、B、C 为美国天主教大学研发的ARMin 系列［9-11］，D 是由美国华盛顿大学研发的CADEN-7 上肢康复训练外骨骼［12-13］，E 是由美国西北大学研发的IntelliArm 上肢康复训练机器人［14］，F 是由加拿大麦吉尔大学研发的MARES-5 上肢康复训练机器人［15］。

上肢康复机器人通常具有自由度多、结构复杂等特点，具有7 自由度的上肢康复训练机器人通常包括肩部3个自由度和腕关节3 个自由度，且3 个自由度汇聚在人体同一关节处。肩关节靠近训练升降台，其大部分重量直接作用于升降台，肩部训练机构及重量对机械臂的整体影响最小，但腕部3 自由度的训练机构大小和重量会对整条机械臂产生很大影响，特别是上肢的前屈/后伸动作。腕部机构重量会对肩关节的旋转位置产生巨大的扭矩，严重的甚至会对机构造成破坏。目前上肢康复训练机器人通常采用一体化结构设计，近年来上肢康复机械臂末端逐渐增加了腕关节被动训练，其目的也是为了更好地促进病人恢复健康。综上几种上肢康复训练机器人，可带动人手腕进行被动训练的腕部结构一般比较庞大，且十分沉重，需要依靠庞大的机械臂支撑，而且部分机器人腕部采用主动训练的方式，这种训练方式虽然结构简单、轻巧，但只适用于手部具有一定肌力的患者使用，对肌无力或肌力较为微弱的患者没有康复效果。因此，在上肢康复训练机械臂末端增加腕部被动训练机构对患者恢复健康可具有一定的促进作用，简化腕部机构及缩减机构重量将会是未来腕部机构设计研发的重点。

Fig.2 Performance comparison of wrist rehabilitation training equipment图2 上肢康复机器人相关研究成果

2 腕部康复训练器结构设计

图3 是该腕部康复训练装置的三维模型，机构本体设计了2 个旋转自由度，通过2 个旋转自由度的配合，以满足腕部3 个自由度的康复训练要求，采用绳驱的结构设计实现电机后置，不但减轻了机构末端重量，而且可有效避免出现外形笨重的情况，整体显得更加协调、紧凑及实用。

Fig.3 Wrist rehabilitation trainer model图3 腕部康复训练器模型

2.1 腕关节结构设计与运动特性分析

腕部作为人体上肢执行末端的连接点，腕关节的健康与灵活对于提高人们生活质量具有十分重要的意义。腕关节由桡腕关节、腕骨间关节、腕掌关节组成，其中桡腕关节是典型的椭圆关节，可以绕两个轴运动，完成掌屈/背屈（FE）、尺屈/桡屈（AA）以及内旋/外旋（PS）的腕部动作［16］。腕部康复训练机器人主要针对腕部的3 个自由度进行训练，在腕部康复训练机器人分析中，定义腕部3 个自由度如图4 所示。

Fig.4 Schematic diagram of three degrees of freedom of the wrist图4 腕部3 个自由度示意图

腕部康复训练器机构示意图如图5 所示。

Fig.5 Wrist rehabilitation trainer mechanism图5 腕部康复训练器机构

2.2 腕关节康复训练装置模块化设计

传动机构设计如图6 所示。

Fig.6 Transmission mechanism图6 传动机构

以上的机构原理图阐明了机械传动原理，传动机构模型阐明了电机及传动单元的位置关系。综合两图来看，电机M2通过绳s21和绳s22传递至以q3为旋转轴心的线轮盘，带动机构对应做腕关节掌屈/背伸或尺屈/桡屈动作。电机输出角速度ω（rad/s）与腕关节摆动角度θ（rad）之间的运动学关系可表示为：ω2R2t=θ3r3，其中θ3的角度变化范围为掌屈/背伸：-45°/+45°，尺屈/桡屈：-30°/+30°。进一步地，为消除绳驱前一关节转动对后面关节产生的影响，保持手柄在动作过程中处于稳定状态，需要电机M1对此作出运动补偿，补偿方向与M2电机输出线轮转动方向一致（见图6（a））。补偿运动学关系为：ω1R1t=θ3r1，修正后的运动关系可表示为：

电机M1单独作用可控制腕部内旋/外旋动作，电机输出角速度ω（rad/s）与腕关节摆动角度θ（rad）之间的运动学关系可表示为：ω2R2t=θ3r3，其中θ3的角度变化范围为内旋/外旋：-85°/+85°（“+”、“-”表示正向反向）。

腕部机构的通用连接主要包括腕部康复训练装置与上肢康复训练设备的连接以及手部康复设备的连接。图7为5 种应用场景，其中A、B 场景为腕部康复训练装置结合手部电刺激在上肢外骨骼及电动轮椅方面的应用，C 为单独腕部康复训练场景，D 为腕部康复训练装置在中央驱动上肢康复机器人机械臂末端的应用，E 为腕部康复训练装置与手部训练设备相结合对整个前臂进行综合训练的场景。

Fig.7 Common interface application scenarios图7 通用接口应用场景

3 腕部康复训练器控制系统设计

3.1 控制系统整体设计

根据设计要求，可分离式腕部三自由度训练机器人整体硬件电路设计包含电源模块、主控制器模块与动力驱动模块［17］。各个模块之间分工与合作如图8 所示。

Fig.8 The overall framework of the control system图8 控制系统整体框架

3.2 电机驱动系统硬件设计

单片机可以实现电机的换向功能，但由于单片机的IO带负载能力较弱，而直流电机是大电流感性负载，需要功率放大器。TB6612FNG 具有大电流MOSFET-H 桥结构，双通道电路输出，可以同时驱动2 个电机。相比较为熟悉的L298N，该驱动器无需外加散热片，且外围电路简单，只需外接电源滤波电容即可直接驱动电机，有利于减小系统尺寸［18］。电机驱动原理如图9 所示。

Fig.9 Motor drive principle图9 电机驱动原理

其中，VM 引脚直接接24V 电池，VCC 内部供电，一般为3.3V 或5V 均可，模块的3 个GND 只需接1 个即可，STBY引脚置于高电平即能正常工作。

图9 中红色区域控制电机A，蓝色电机区域控制电机B，这里只介绍其中的A 路电机控制。B 路电机控制方法相同，A01 和A02 分别接电机正极和负极，通过PWM、AIN2、AIN1 引脚控制电机。其中，PWM 接单片机定时器的PWM引脚，通过改变占空比调节电机转速。电机真值表如表2所示。

Table 2 Truth table表2 真值表

3.3 蓝牙模块硬件电路设计

本文选用HC-05 的蓝牙串口通信模块，该模块的无限工作频段为2.4GHz ISM，最大发射功率为4dBm，接收灵敏度为-85dBm，可实现在较大范围内接收信号，同时实现10m 距离通信。蓝牙模块原理如图10 所示。

Fig.10 Bluetooth module principle图10 蓝牙模块原理

3.4 腕部康复训练控制系统设计

人体腕关节包含3 个自由度，且自由度之间可以单独活动。因此，本文采用单独的按键控制腕关节的1 个自由度训练，实现以简单的控制方式实现训练要求［19］。

Fig.11 Training mode program framework图11 训练模式程序框架

3.4.1 腕部掌屈/背屈模式程序设计

首先在上电之后，对各个节点状态进行初始化，运动通过直接按键或上位机按键选择电机处于腕关节屈伸模式训练状态，并设置电机A、B 的参数；接着给定电机A、B运动的目标位置，启动电机；电机A 静止不动，电机B 开始正转，同时检测串口输出电机运转速度和圈数，上传到上位机用于反馈调节；到达目标位置之后电机开始反转，反转到初始位置后电机正转，在设定的训练周期里如此反复进行运动训练。掌屈/背屈模式程序框架如图12 所示。

3.4.2 腕部尺屈/桡屈模式程序设计

首先在上电之后，对各个节点状态进行初始化，运动时通过直接按键或上位机按键选择电机处于腕关节内收外展模式训练状态，并设置电机A、B 的参数；接着给定电机B 运动的目标位置，启动电机，电机A 先转动90°，然后停止，之后电机B 开始正转，检测串口输出电机运转速度和圈数，上传到上位机用于反馈调节；到达目标位置之后电机B反转，反转到初始位置后开始正转，在设定的训练周期里如此反复进行运动训练。尺屈/桡屈模式程序框架如图13所示。

3.4.3 腕部内旋/外旋模式程序设计

首先在上电之后，对各个节点状态进行初始化，运动时通过直接按键或上位机按键选择电机处于腕关节屈伸模式训练状态，并设置电机A、B 的参数；接着给定电机A、B运动的目标位置，启动电机，电机A 开始正转，电机B 处于初始化停止状态，检测串口输出电机运转速度和圈数，上传到上位机用于反馈调节；到达目标位置之后，电机A 反转，反转到初始位置后开始正转，在设定的训练周期里如此反复进行运动训练。内旋/外旋模式程序框架如图14 所示。

Fig.12 FE mode program framework图12 掌屈/背屈模式程序框架

Fig.13 AA mode program framework图13 尺屈/桡屈模式程序框架

Fig.14 SP hand bend/back bend mode program framework图14 内旋/外旋模式程序框架

4 腕部康复训练器实验数据分析

4.1 数据采集

本文采用JY901 型姿态角度传感器对这款腕部康复训练器的运动范围进行实验，将姿态角度传感器安装在训练旋转轴上［20-21］，安装位置如图15 所示。

Fig.15 Sensor location installation drawing图15 传感器安装位置

通过USB 转串口模块连接电脑，打开上位机，通过配套的上位机软件采集所需的角度数据，如图16 所示。

Fig.16 Sensor upper computer interface图16 传感器上位机界面

4.2 数据分析

由于人体腕部训练运动范围在不同文献资料中的定义不同，且考虑到患者活动范围小于健康人体的活动范围，所以设置掌屈/背伸的运动角度范围不大于±45°，尺屈/桡屈的运动角度范围不大于±30°，内旋/外旋的运动角度范围不大于±85°［22］。通过姿态角度传感器对这款腕部康复训练器的实验数据进行采集，得到机构运行角度数据，对采集的数据进行处理后得到可视化结果如图17 所示。

Fig.17 Experimental data processing results图17 实验数据处理结果

从实验结果可以看出，这种基于模块化理念的腕关节康复训练器设计指标适合人体腕部运动范围，能够满足患者需求。

5 结语

传统研究对于腕部的康复训练只针对单个关节，难以配合其他关节进行复杂的康复训练，本文通过简化机构，以及在执行末端添加通用接口的方式实现了与其他设备的互联；以往的腕部康复训练器存在体积过大的问题，本文通过绳驱设计实现了电机的位置转移，缩小了设备体积；采用蓝牙通讯的方式可更方便患者进行自主训练，为接下来的语音交互功能与可视化操作界面设计打下基础。样机实验结果表明，该腕关节康复训练装置机构运行流畅，能实现基本功能，但后续还需要进一步完善。