手指康复机器人的设计与研究

齐贺男 吴学锋 李东亚

摘要：手指康复机器人是一种特殊的新型机器人，为临床手功能障碍患者提供新的治疗方案，可以有效帮助患者顺利完成康复训练活动。旨在设计一款手指康复机器人，用机器人来代替康复理疗师的工作。通过分析人手的生理学结构与生物机能，得到了人手的运动状态。对手指空间机构分析，选择单自由度手指机械结构。为解决手关节康复角度与垂直力的问题，引入滑块与导轨机构，运用Creo三维软件完成手指康复机器人模型。通过D-H方法，分析手指康复机器人的正逆运动学，建立雅克比矩阵，完成动力学方程。选择适当的电机类型与传动方式，模块化设计出手指康复机器人。为了提高康复过程中感知能力，设计并研究力与位置传感器应用范围。实验结果表明，该手指康复机器人可以完成患者的康复训练活动，有利于未来医疗行业的发展。

关键词：手指康复机器人;D-H方法;雅克比矩阵;模块化

中图分类号：TP24

文献标志码：A

文章编号：1009-9492（ 2022）02-0059-04

0 引言

随着人口逐年增加，肢体残疾引起的病症越来越多，其中手指患者人数所占比例是最大的[1]，对于丧失手部运动功能给患者本人生活带来不便，最为严重的是引发心理疾病[2]。因此，对于康复手功能障碍的设备需求急剧增加。然而，目前国内外出现的各类手功能恢复性设备大多都存在缺点，比如结构笨重、控制不稳定，易造成二次损伤，因而大多数患者不愿意使用[3]。传统的设计基于理论模型，缺乏实际康复效果，为避免以上问题，设计与研究新一代手指康复机器人具有重要意义。

本文以手指作为切入点，首先分析手指弯曲/伸展与偏转的功能，通过研究生理学特性得出关节自由度所能运动的范围，进而分析出人手康复的基本原理。为了更好地实现康复效果，采用图解与分析法，设计出双自由度与单自由度相结合的结构类型。通过进行正逆运动学分析，确定各个关节的运动位置，从而确定了手指末端的活动范围，进而计算出动力学方程，得到了雅可比矩阵。选取最为合理的传动方案，以便人手关节在安全的范围内进行康复活动。参考人类手指三关节所能承受的力矩的范围，计算并且确定电机型号。通过Creo三维软件，采用模块化设计思路，设计出整体的结构图纸，即整体结构分为底座固定端与手指康复端。考虑到手指在康复过程中需要有感知能力，以保证康复患者的安全性。本文设计并计算出新型的力的传感器与位置传感器，在整机完成实物后，将传感器贴片安装在所需监测的位置，以便测量此处位置力与力矩的大小。最后，本文通过实验确保了设计的合理性，能够顺利实现患者的康复训练活动，并为该行业的发展提供了有力依据。

1 手指康复机器人机构设计与分析

手指康复机器人是新型康复理疗设备，它可以满足手部患者弯曲/伸展以及偏转的康复运动。考虑到患者在治疗过程中行动不便，为了设备便于携带与操作，因此，应该尽量进行轻量化设计[4]。同时，为了避免患者二次伤害，应该准确考虑末端执行机构的位置。

1.1 手指运动机理分析

人手是人类器官中相对较为复杂的部分之一[5]，为了更好地康复手关节活动，了解手部关节的运动姿态变得十分重要。人手总共21个自由度，其中，大拇指5个自由度，其余四指各有4个自由度[6]。对于单个手指而言（例如食指），其指关节由指掌关节（MP）间關节（PIP）和指端关节（DIP）组成，其中指间关节（PIP）和指端关节（DIP）存在1个自由度，指掌关节（MP）含弯曲自由度（MPl）和内收/外展自由度（MP2）。对于指掌关节MPI与MP2而言，其MPI与MP2存在互相约束关系，即手指弯曲过程中，不会有内收/外展运动[7]。人手指关节的运动范围如表1所示。

一般而言，人手运动所需要的驱动力并不大，且最多的运动形态便是抓取运动，手指弯曲运动模型如图1所示。如图所示，Leec8]研究表明，手指运动存在一定的联系，同时学者Ciorgio与Marco对人手弯曲角度有理论研究，即手指关节DIP与PIP存在如下关系：

04=0.46×03+0.083×θ3

（1）

从上述式子中表明，单自由度整体结构来实现手指运动康复方案是可行的。

1.2 手指结构总体设计

手指末端以指端关节（DIP）为旋转中心转动，而绕着指间关节（PIP）做圆弧运动，因此设计一款为驱动轮一刚性连杆一滑块驱动形式的机构模型，由于外骨骼部分为刚性机构，所以手指套用部分采用手套柔性形式固定，减少二次伤害。

在指端关节（DIP）和指间关节（PIP）处，采用曲柄滑块机构，把导轨设计成圆弧形，采用单自由度的驱动轮一刚性连杆机构，并将两个铰链和滑块连在另外一个连杆上，从而形成转动副，而滑块与导轨形成面接触形式的低副，最终可以驱动指端关节（DIP）和指间关节（PIP）单自由度运动。该机构的运动结构形式如图2所示。

考虑到康复运动的精准性，将弯曲导轨做成悬臂梁形式，以保证实现圆弧运动。在运动过程中，驱动机构作用力始终垂直手指，从而使驱动力矩最小，减少了能量损失。

对于指掌关节（MP）位置，MP1实现弯曲/伸展运动，而MP2是垂直MP1的偏转运动。MP处运动形式与两自由度球面副不同，即MP1与MP2运动是分步进行的。因此，此处采用两个独立自由度空间机构，该机构结构形式如图3所示。

手指康复机器人采用电机驱动方式，确保控制精准度更高，响应速度快。对于传动方式，三关节MP1、PIP、DIP在驱动方式上采用齿轮一钢丝绳一连杆一滑块的新型传动机构，可以实现理想的弯曲/伸展运动，驱动电机连接锥齿轮与标准齿轮，从而传递运动到齿条上，齿条经过远距离运输，将运动传给三关节上面的齿轮，所以带有一定刚度的齿条驱动手指的弯曲/伸展得以实现。

1.3 手指运动与动力学分析

运动学是对整体手指的设计思路进行提炼，从而建立数学方程[9]，采用D-H方法进行坐标系的建立，完成运动学理论分析，从而得到关节于末端位置之间的运动关系式，进而得到动力学方程。

运动学包括正向和逆向运动学。一般来说，正向运动学根据手指关节的变量，进而得到末端执行机构的坐标系参考位置，即相对之间的映射关系。而逆向运动学是根据末端执行器基础坐标系的数值，得到直角坐标系的数值，进而可以求得不同关节的角度，即直角坐标系与末端执行器之间的映射关系。由于逆向运动学比正向运动学更有理论含义，因此选取逆向运动学方程式计算手指康复运动的轨迹。综上，求解的各关节角度理论值如下：

考虑到机构关节速度与末端执行器的操作速度之间的关系，因此可以得到位姿的变量与关节变量的旋转与位移。该手指康复机器人的雅克比矩阵方程式为：

1.4 手指康复机器人模块化设计

手指康复机器人需要穿戴于人手上，并直接接触皮肤，因此设计的尺寸应符合大部分人手尺寸。目前很多此类康复设备都是讲驱动系统安装在手指关节处，因此本文设计采用模块化设计思路，将康复手指与驱动装置分开，驱动装置模块负责稳定人手并提供驱动程序，康复手指模块作用是固定人手，手指端设计图纸如图4所示。

2 电机选型与传感器方案设计

电机与传感器作为驱动与感知系统，在人手康复的过程中起到极为重要的作用。通过人手关节的力矩计算得到理想的驱动电机参数，进而选取合适的电机。根据康复过程中需要监测的位置，在适当的地方安置传感器贴片，从而获得感知数据，以便更好地了解康复效果。

2.1 电机选型方案设计

根据手指康复要求，选取直流伺服电机为驱动源，伺服电机有重量轻、结构紧凑、响应快速且平稳性好的优点，同时也便于操控，从而可以达到安全可靠的效果。人手关节康复的力矩最大不能超过理论力矩的15%[10]，则有：

查阅相关资料了解成年人的手关节各部分最大的力矩均值，从而以15%比例计算，得到理想的驱动电机[11]。因此综上所述，选取的电机重要参数：质量为13.4 9;电压4.8 -6 V;电机的外部形状尺寸为12.2 mmx22.8 mmx28.5 mm;减速比为154;额定转矩为5.8 N-mm;最大转速为11 000 r/min;效率为0.7。

2.2 传感器方案设计

为了更好的获得康复评价效果，在弯曲关节处增加带有贴片形式的传感器，采用A/D转换输出信号，从而更好的将传感器弹性体与手指康复本体结合起来。本体采用硬质铝合金7075-T651做成，弹性体实质上是一应变片装置，基底材料选取的是改性酚醛材质，选择康铜箔片制成的栅丝[12]，与此同时，选择聚酯树脂粘合剂作为黏贴应变片的粘合材料。力的传感器的本体结构如图5所示。

3 手指康复机器人实验验证

手指康复机器人的实验平台的搭建主要有以下几部分：手指机器人的本体结构、带有电源系统的控制板底座、上位机软件系统。手指的本体结构是按照标准成年人手指长度设计，实验平台如图6所示。实验过程中发现，通过上位机软件，将需要康复的效果输入手指康复机器人内，可以很好地实现患者的康复活动。

4 结束语

本文介绍了手指康复机器人的结构设计以及其运动原理，根据手指的运动状态，选取了合适的电机型号，有效地解决手指康复中动力不足的影响，同时也能很好地保护手指免受损害。通过搭建实驗平台，采用低电压稳压源控制，可以实现康复训练效果。本文介绍了第一代手指康复样机，在设计思路方面对康复医疗行业方面具有指导性作用，目前在这一代样机基础上增加传感功能，提升智能化，增加多指联动，提高康复效果，现阶段手指康复机器人的发展仍比较缓慢，未来还有很长的路要走。

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