摘要：为了使欠驱动式手指康复训练装置可提供的手指关节活动范围满足训练需求，以某一连杆机构为例，通过分析运动学模型空间状态进行结构优化。首先建立机械机构与手指的简化空间模型，以关键构件及手指关节的旋转角度作为空间向量元素，求得某一机械尺寸及手指长度下所有可能的空间向量，形成空间状态集；然后通过考察空间状态集选择最佳机构尺寸，使得手指关节活动范围满足训练需求。仿真及样机佩戴测试结果表明，经过优化设计后的连杆式机构能够辅助手指在所需的关节活动范围内进行屈曲伸展运动，对手指长度变化的适应能力较强。所提结构优化方法对于欠驱动式肢体康复训练装置的结构优化设计具有一定的参考价值。
关键词：手指康复；欠驱动；结构优化；终端牵拉
中图分类号：R318.04
文献标志码：A
文章编号：0253-987X（2015）03-0151-06
康复训练机器人可以辅助患者进行肢体关节活动，其优点是可以保证稳定的训练效率和强度，能够提供与训练效果相关的客观评价参数。研究表明，康复训练机器人能够显著改善患者的肢体运动功能。欠驱动式机器人是指独立控制输入少于系统自由度的机器人，可用于手指关节的康复训练。欠驱动式康复训练机器人通常以“握手”的形式牵拉手指终端，从而带动手指各个关节的运动。由于手指运动的不确定度更多，穿戴这种设备的时间是最少的，因此在临床上的应用较多。由于欠驱动式机器人通常带有一个或多个可自由转动的被动关节，因此自身的运动具有一定的不确定度，这种不确定度使得即使在佩戴后手指关节仍可在一定范围内自主运动，从而减小了在突发痉挛时机械机构对手指造成的伤害。
康复训练机器人需要带动手指在足够大的关节活动范围内进行训练，这对于防止关节粘连具有重要意义。当欠驱动式机器人以终端牵拉的形式带动手指进行关节训练时，手指各关节的活动范围实际是由机械机构及手指骨共同组成的运动学模型来确定的，任何一个因素的改变都可能改变最终手指关节的活动范围。这就对机械结构提出了两个层次的要求：首先，对于给定的某一手指长度，机械结构应保证在此运动学模型下有足够的手指关节活动范围；其次，当手指长度发生变化时，机械结构应能（或通过简单调节后）重新建立与之匹配的运动学模型，保证所需的指关节活动范围。本文利用欠驱动连杆机构设计了一种终端牵拉式五手指康复训练装置，通过对机械结构及手指骨构成的运动学模型进行分析，得到机械机构及手指所有可能的空间状态，即空间状态集，通过考察空间状态集来确定与手指相匹配的最佳机械结构尺寸。同时，通过观察不同手指长度下空间状态集的变化规律，证明了所设计的机构能够适应手指长度的变化，始终保持所需的手指关节活动范围。
1结构设计与运动学分析
1.1结构设计
与手指运动相关的手部骨骼主要包括掌骨、近指骨、中指骨及远指骨（见图1），并依次由掌指关节、近端指关节和远端指关节连接。依据手指关节运动规律，设计了四连杆终端牵拉式手指康复训练装置，由直线电机、弧形架、连杆及指套构成，连接点G、K、B、A、F均为铰链结构。A点有限位销，用于限定弧形架与连杆间的夹角范围，防止沿连杆方向的推力过小甚至消失。弧形架、连杆及指套构成3自由度系统，1个独立的输入控制量，因此属于欠驱动式系统，其终端运动具有一定的不确定度。当指套与远指骨固定后，手指及机械机构共同构成了六连杆结构，决定了手指关节的活动范围。
1.2运动学分析
康复训练装置必须能够带动手指在所需的范围内进行屈曲伸展运动，这需要对机械构件的各个尺寸进行优化设计。将图1中手指及前端机械构件（弧形架BA段、连杆及指套）简化为图2所示的运动学模型。C、D两点分别位于掌指关节与近端指关节转轴中心，E位于指套与手指终端接触点，且指套与远指骨相互垂直。由于远端指骨较短，所以为了便于计算忽略其长度。角β、γ分别为掌指关节和近端指关节的弯曲角度，弧形架转动角度用α表示，弧形架与连杆间夹角用δ表示，则向量（β0，γ0，α0，δ0）实际代表了手指及前端机械构件的空间状态，所有存在的空间状态构成状态集M。对机械构件尺寸进行优化设计的目的是使M包含手指在屈曲伸展过程中所有可能的空间状态。
本文所提的结构方案仅需通过调整弧形架的长度，便可适应手指长度的变化。由图7可见，当长度l1、l2增加，其他参数h1，h2及l4保持不变时，通过简单增加弧形架长度即可重新获得所需的关节活动范围。弧形架上设置有通孔（图1中H点处），可用于调节弧形架长度。
2.2机构运动仿真与样机佩戴测试
为进一步确定各机械构件尺寸，利用Pro/E进行运动仿真。依据人手的解剖学结构建立单根手指的仿真模型，根据Matlab计算结果设定关键部件尺寸，建立零件的三维模型，然后通过装配模块完成各零件的组装。通过建立运动分析文件，考察手指关节活动范围是否满足要求，并通过机构的动态干涉检查，对零件尺寸外形进行修改。不失一般性地限定角度β与γ的运动速度比为3：4，则一次运动仿真下δ、β及γ的变化曲线如图8所示。依据δ的变化规律可确定弧形架上限位销的位置。
本文所设计的康复训练机器人实物佩戴效果图如图9所示。选取6名在校研究生（其中包含两名女性）进行佩戴运动测试，测得示指可屈曲伸展的最大范围如表1所示。由测试结果可得，每位受试者的示指长度虽然不同，但掌指关节及近端指关节均可达到所设计的关节活动范围。
3结论
由于欠驱动式机器人通常含有可自由转动的关节，且本身的运动具有不确定性，因此将其作为肢体康复训练装置用于肢体关节运动时，需要对机械机构与肢体共同构成的系统进行运动学分析，以便确定肢体活动能否满足训练要求。本文以终端牵拉式手指康复训练装置为例，分析了机械机构，对手指运动学模型空间状态进行了结构的优化。仿真及样机佩戴测试表明：所用的结构优化方法能够有效提高训练装置带动手指关节活动的范围，特别是对于控制输入量有限的情况（例如直线电机行程有限），能够通过计算分析得到最佳机械尺寸以满足训练需求。本文所提结构优化设计方法对于终端牵拉式欠驱动肢体康复训练机器人的设计具有一定的参考价值。相比于全驱动式结构，患者在佩戴欠驱动式康复训练装置后，肢体关节仍然能够在一定范围内自由活动，其优劣性以及实际康复训练效果将是下一步研究的重点。