一种食指康复外骨骼机器人设计与分析_田宇.pdf

第 59 卷第 9 期 2023 年 5 月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.59 No.9 May 2023 DOI：10.3901/JME.2023.09.040 一种食指康复外骨骼机器人设计与分析*田 宇1 王洪波1,2,3 刘 颖4 杜家正1,5 牛建业1,5(1.燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室 秦皇岛 066004；2.复旦大学工程与应用技术研究院 上海 200433；3.上海市老年疾病临床医学研究中心 上海 200040；4.秦皇岛市海港医院 秦皇岛 066099；5.燕山大学先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室 秦皇岛 066004)摘要：针对现有手部康复机器人精细化操作不足与人机相容性较差的问题，从脑卒中临床康复需求出发，基于人体解剖学理论，提出一种新型欠驱动食指外骨骼康复机器人。采用 2-UPS 并联机构与鲍登线的新型组合设计，实现了掌指关节二自由度主动康复运动，提高了机器人精细化操作能力；在设计过程中将指骨作为人机闭式运动链的组成部分，并探讨了食指屈曲/伸展与内收/外展运动的耦合关系，完善了患者康复训练中的约束条件，使机器人运动与人体自然运动更加协调，提高了机器人的人机相容性；求解了机构的运动学反解，分析了机构的工作空间并完成了仿真验证；搭建实验样机并开展了机构性能测试，基于对 15 个被试开展的人机工程学与康复运动舒适性的调查问卷结果，采用层次分析法对设备进行了评价，结果表明该机构可以满足使用者的康复需求。关键词：食指康复；运动学分析；工作空间；仿真验证；性能测试 中图分类号：TP242 Design and Analysis of an Exoskeleton Robot for Index Finger Rehabilitation TIAN Yu1 WANG Hongbo1,2,3 LIU Ying4 DU Jiazheng1,5 NIU Jianye1,5(1.Hebei Provincial Key Laboratory of Parallel Robot and Mechatronic System,Yanshan University,Qinhuangdao 066004;2.Academy for Engineering&Technology,Fudan University,Shanghai 200433;3.Shanghai Clinical Research Center for Aging and Medicine,Shanghai 200040;4.Qinhuangdao Haigang Hospital,Qinhuangdao 066099;5.Key Laboratory of Advanced Forging&Stamping Technology and Science of Ministry of Education,Yanshan University,Qinhuangdao 066004)Abstract：To tackle the problems of insufficient precision of operation as well as poor human-machine compatibility of conventional hand rehabilitation robots,a novel underactuated index finger exoskeleton is proposed based on human anatomy to meet the clinical demand.By adopting the combination of 2-UPS parallel mechanism and Bowden wire,two degree-of-freedom active movements of the metacarpophalangeal joint are accomplished,and the operation precision of the robot is enhanced.During the design process,the phalanx is regarded as a part of the human-machine closed chain and the coupling relationship between the flexion/extension and the adduction/abduction movements is discussed to clarify the relationship of the constraint conditions during the rehabilitation training,which improves the coordination characteristics in the movement between human and robot and also the human-machine compatibility.The inverse kinematics of the mechanism is solved,the workspace is analyzed through both the theoretical analysis and 国家自然科学基金(U1913216)和河北省省级科技计划(E2020103001、20371801D)资助项目。20220509 收到初稿，20220921 收到修改稿 月 2023 年 5 月 田 宇等：一种食指康复外骨骼机器人设计与分析 41 simulation verification.A prototype is built to test the robots performance,and based on the questionnaire of 15 subjects,the comfortability of the device is evaluated by using the analytic hierarchy process.The results show that this robot can satisfy the rehabilitation needs of patients.Key words：finger rehabilitation；kinematic analysis；workspace；simulation validation；performance test 0 前言 手位于上肢末端，是人体重要的器官之一，具有复杂的结构、灵敏的感知和精细运动的能力，人体 54%的功能是通过双手来实现。手功能障碍的成因很多，脑卒中、脊髓损伤、骨外伤、血管和淋巴管疾病以及慢性病等都会导致手功能异常1。脑卒中是临床上最常见的原因之一，目前我国已经是全球卒中终生风险最高的国家，其中约有 60%的中风患者具有手部功能障碍且大部分患者在中风后没有实现手功能的完全恢复2。目前，研究人员对人体四肢大关节的康复关注较多，对手康复的关注度低，这在一定程度上也降低了手功能康复的治愈率。临床上针对手康复的运动疗法主要是由医护人员牵动患者手部进行肌力训练、关节活动度训练、运动再学习训练等，这种传统的训练方式劳动强度大、康复效率低、人员成本高、使得有限的医疗资源难以得到充分利用。采用机器人康复是将先进的机器人技术与康复医学进行有效结合，能够辅助甚至替代医师执行重复繁琐的运动、实现智能精确的康复治疗，在降低康复成本的同时提高训练效果，这在临床上已达到共识3-4。除拇指外，食指在剩余四指中最灵活复杂，也是最重要的，在开展手康复机器人研究时应首先考虑。目前，国内外在围绕食指展开的手康复机器人研究上已经取得了丰硕成果，它们的工作原理也各有特色。从形态结构上主要可以分为三类，第一类为纯刚性结构，例如印度鲁尔基理工学院设计了一款双指康复机器人5，基于四杆机构对人手指骨进行建模，并依据指骨运动轨迹进行优化，其每个关节采用一个步进电机直接驱动，这台设备能够跟踪人体的食指与拇指运动；日本岐阜大学研制的手指康复机器人6采用齿轮、连杆等结构，将人手的各个关节用电机直接控制，以达到对患者康复训练的目的，但是结构比较复杂；西安交通大学郑杨等7研发的手指康复训练装置采用单指单驱动的末端牵引式结构，该机构以关节活动度为目标开展了机构优化，能够辅助手指实现较大范围内的屈曲/伸展运动，对手指长度变化具有一定的适应能力。第二类是刚柔结合机构，例如韩国蔚山科学技术院以食指为着手点，利用弹簧的储能特性与连杆的运动精确性，研发了一款手康复机器人8，该装置对患者的运动轨迹具有自动纠偏功能，但是忽略了食指的内收/外展运动；瑞士联邦理工学院研制的手部辅助外骨骼9将滑动弹簧片与齿轮齿条结构进行融合，能够辅助患者进行抓握训练，但是无法实现对患者单关节的康复训练；北京航空航天大学李继婷等10研制的食指康复训练器采用鲍登线驱动，利用多个四杆机构实现食指关节的屈曲/伸展运动，采用摩擦轮实现食指的内收/外展运动，采用线绳作为驱动的还有哈尔滨工业大学张福海等研制的手康复外骨骼装置11和中国科学院自动化研究所程龙等研发的手康复机器人12等。第三类是柔性手部康复装置，佐治亚理工学院研制的机器人康复手套13采用镍钛合金丝引导驱动手指进行抓握运动，结构轻便紧凑，适应性较强；上海交通大学费燕琼等14研制的软康复手套为气动驱动，具有质量轻、动力强、响应速度快和便于穿戴等优点；但是柔性康复装置的不足之处在于无法对单关节进行训练，精细的手部康复动作难以实现。通过对国内外手康复机器人进行分析，可以发现一些不足之处，包括对主动内收/外展运动关注度不够、精细化操作能力不足、系统复杂度较高、适应性较低等问题。本文提出的新型食指外骨骼康复机器人，采用并联机构与鲍登线的组合方式，满足常规屈伸运动，同时，实现了主动内收/外展这一临床上不可忽视的康复运动，将电机远端布置，也减轻了患者的穿戴负担；对于手部自然运动范围的探讨和欠驱动形式的引入，使该机器人具有良好的人机融合度与适应性，能够满足脑卒中患者的手部康复需求。1 食指康复机器人设计 1.1 食指康复机器人设计依据 依据运动解剖学知识了解到，人手包括 27 块骨头、19 个关节、28 块肌肉以及韧带、肌腱、神经和 机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 42 脉管系统等，生理结构复杂、运动灵活度高。食指包括掌指关节(Metacarpophalangeal joint,MCP)、近端指间关节(Proximal interphalangeal joint,PIP)和远端指间关节(Distal interphalangeal joint,DIP)，运动形式上包括内收/外展、屈曲/伸展以及轻微的回旋运动15。由于布置空间、运动范围等因素的限制，目前大多数手康复机器人以实现屈曲/伸展运动为主要目标，内收/外展运动经常被忽略，研发的优先级较低16-17，但从临床康复的角度来看，内收/外展运动患者手部功能的恢复具有至关重要的作用，因此该功能的增加，是实现精细化操作的基础，对手康复机器人意义重大。在确定食指的基本运动形式后，还应对食指各关节的转动角度进行分析，由于韧带、关节囊的屈伸程度不同，人手在被动运动时的关节活动度大于主动运动，为了避免过度拉伤，保证康复训练的安全性，机构设计的参考选取了人手主动运动时的转动角度，如表 1 所示。此外，由于掌骨侧韧带等组织与肌肉的限制，在手指完成屈曲/伸展动作的同时，内收/外展的动作幅度会受到一定的限制，在机构设计的过程中应进行考虑，以保证患者的安全。从康复医学角度来看，物理训练和作业训练既有交叉又各有侧重，前者更关注患者的关节活动度、肌力恢复情况，后者则关注患者在真实场景中完成日常生活中活动(Activities of daily living,ADL)的能力，两者结合对提高患者康复效果具有重要意 义18。在设计食指康复机构时，通过驱动食指屈伸与收展的独立运动，可以实现患者完成物理训练与作业训练所需的基本动作，进而实现两种训练方式的有效结合，提高手部康复训练的效果。机器人的主要技术参数如表 1 所示，样机整体概况如图 1 所示，主要包括食指穿戴部分、控制盒、PC 上位机以及手臂支承托等。该机器人可以进行单关节训练，也可进行多关节协同训练。此外，还可以结合表面肌电信号(Surface electromyography,sEMG)进行主动辅助训练。表 1 食指康复外骨骼机构的技术参数 机构参数 技术指标 机构自由度 3 穿戴质量/g 189 MCP 关节屈/伸运动范围/()0-70 MCP 关节收/展运动范围/()0-15 PIP 关节屈/伸运动范围/()0-80 关节最大运动速度/(r/min)8.3 图 1 食指外骨骼康复机构样机 1.2 机构设计 提出了一种食指康复外骨骼机构，如图 2 所示。当患者进行康复训练时，食指MCP关节由2-UPS+U并联机构与包含近节指骨的四杆机构驱动，两个UPS 支链是平行布置的，通过配合运动来实现 U 副的俯仰与摆动，进而带动 MCP 关节的屈伸与收展，食指的 PIP 关节由包含中节指骨的曲柄滑块机构驱动，该机构未考虑对 DIP 关节的主动驱动，因其与PIP 关节耦合，单独布置驱动增加了系统的复杂性，也会降低系统的安全。图 2 食指外骨骼康复机构 该机器人在并联分支上引入了镍钛合金丝，使机构具有一定的柔性，也提升了系统的适应性。机构的驱动为布置在控制箱中的电动推杆，通过鲍登线将动力传递给执行端，在并联机构 P 副外布置的弹簧可以为机构传动提供预紧力，消除鲍登线在线管中运动时的误差，这种驱动形式可以节约机构的布置空间、减轻患者手部负重。患者手掌固定在带有软胶衬套的弧形手掌固定板上，食指通过宽绑带固定在指套上。手掌固定板采用树脂材料 3D 打印制成，连杆支架通过铝合金金属打印制成，鲍登线采用的是柔韧性良好的直径 1.5 mm 的特氟龙涂层钢丝线。2 食指康复机器人运动学分析 2.1 机构自由度分析 该机器人的传动机构由 2-UPS+U 并联机构与月 2023 年 5 月 田 宇等：一种食指康复外骨骼机器人设计与分析 43 包含人体指骨的两个四杆机构(其中一个演化成了曲柄滑块机构)组成，机构中包含的四杆机构的自由度数为 1，在此不再赘述。对于 2-UPS+U 并联结构，输入为两个平行布置的 UPS 分支，输出为 U 副的俯仰运动和左右摆动，输出端与 MCP 关节构成的四杆机构相连，所以通过上述分析可以得出，该机构整体的自由度数为 3 个，输入分别为两并联分支和曲柄滑块机构中推杆的伸缩量，输出为人体食指MCP 关节的屈曲/伸展运动、内收/外展运动以及 PIP关节的屈曲/伸展运动。2.2 机构位置反解 机构的结构简图如图 3 所示，输入为电机(鲍登线)的运动变化量 qi(i=1,2,3)，在不同康复训练模式下，系统的输出不同，进行运动训练时更关注患者关节活动度，输出为食指各关节的转动角度，在进行作业训练时关注患者的 ADL 能力，输出为食指末端点的位置xyzp p p=P，运动训练的输出是作业训练输出的中间变量，因此计算后一种输出来分析机构的运动学关系。图 3 食指外骨骼康复机构的结构简图 为了方便计算，可分三部分逐个进行运动分析，即 2-UPS+U 机构和两个四杆机构，分别计算再联立得出结果。结构简图中U1、U2分别为与定平台相连的U副中心点，U3为与动平台相连的U副中心点，S1、S2为与动平台相连的S副中心点。坐标系的建立规则如下：定坐标系原点O选在经过U3的水平线与经过U1U2中点的竖直线的交点，X轴平行于U1U2连线的方向，Z轴方向由O指向U3，Y轴方向由右手定则确定，动坐标系的原点在U3处，坐标轴的初始方向与定坐标系分别平行，动平台绕X1轴的转动角度为1，绕Y1轴的摆动角度为1，则动平台相对于静平台的旋转矩阵01R为 0111111111111111Rot(,)Rot(,)cossinsincossin0cossinsinsincoscoscos=|=|YXR(1)式中，U1、U2、U3相对于固定坐标系的坐标以及S1、S2相对于运动坐标系的坐标可分别表示为 11220001121102200132355/2/20000/2/2|=|=|lllllllllllUUOSS(2)则S1、S2在固定坐标系O中的坐标可以表示 为 110000111100002112=+SOR SSOR S(3)根据各点的位置坐标及矢量关系，可以得到输入量q1、q2与U3副的俯仰角1、摆动角1在固定坐标系O中的矢量关系方程()22200131111=(,)=iiiiqO SOUfSU(4)式中 矢量的2-范数。并联机构的输出U3运动副与食指掌指关节U4之间在Y1O1Z1平面上组成了四杆机构，在绕Y1轴旋转的方向上转动角度相同，这也是装置能够驱动食指做内收/外展运动的原因，食指掌指关节机构简图如图4所示。图 4 掌指关节机构运动简图 运用复数矢量法对该四杆机构进行分析，可以得到U3俯仰角1与U4俯仰角1的关系 2221111111=2arctan+BABCAC(5)机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 44 式中字母的含义为()()2214128672221126722222222113451131334coscossinsin22=+=+=+AlllllBlllABlllABlClll(6)杆 长 之 间 的 几 何 关 系 为：221=，176=arctan(/)ll是与机构设计参数有关的一个常量。对于近端指间关节与滑动副组成的曲柄滑块机构，其机构简图如图5所示，运用几何关系 分析 2229122114211321012231332sinsinsincoscos+=+=+lllllllqllqlq(7)消去中间变量3，可以得到输入3q与PIP关节俯仰角度之间的关系()()()()2239122222222101391213912210cos2sinsin=+qllllllllll (8)图 5 近端指间关节机构运动简图 对一般位型下食指末端点坐标与关节角度之间的关系进行分析，如图6所示。根据投影与几何关系，可以得到手指末端点P在动坐标系2O中的坐标与手指MCP关节和PIP关节之间的运动角度之间的关系 2221222222212|cos=arctanarctansinarctanarccos2yDPMPxzxzxyzMPDPMPPlllPPPPPPPlll l+=+=(9)图 6 一般位型下食指末端点位置分析 末端点P在动坐标系中的坐标与在静坐标系O中的坐标xyzp p p=P之间的关系为 80=+=xxyyzzPPPPlPPl(10)将上述公式(1)(10)联立，即可得到食指外骨骼的机构的位置反解 112233()()()=xyzxyzxyzqf PPPqfPPPqfPPP(11)3 机器人工作空间 3.1 机构尺寸分析与约束条件 在康复机器人的参数设计过程中，要同时满足运动性能要求和人体穿戴要求19-20。食指康复机 器 人 的 设 计 过 程 参 考 了 国 家 标 准GB/T16252-1996成年人手部号型21，以全国男子手部号型表中最大的覆盖率与手部控制尺寸回归方程计算出食指长度并作为参考，同时参照各节长度统计测量结果22，得到机构设计的参考尺寸，如表2所示。月 2023 年 5 月 田 宇等：一种食指康复外骨骼机器人设计与分析 45 表 2 人体尺寸参数 结构名称 尺寸/mm 结构名称 尺寸/mm 手长 180 食指背长 93.58 手宽 24.29 第一节长 46.63 食指长度 67.55 第二节长 22.20 依据运动解剖学知识，由于人手掌骨上的侧韧带在食指屈曲运动时会逐渐拉紧，这导致了MCP关节的屈曲角度越大，外展所能达到的角度越小，目前绝大多数手康复机器人未考虑这一耦合关系，因此，针对这一规律开展实验研究，筛选10名食指尺寸接近于设计尺寸的志愿者并记录其食指指骨总长，之后使其首先完成最大角度的主动外展动作，在保持最大外展位置的同时再完成最大角度的屈曲动作，通过Intel RealSense L515深度相机识别粘贴在食指末端的标记点记录运动轨迹，经过阈值筛选、二值化膨胀与孔洞填充等处理后，提取运动数据并在Matlab中转化为角度值，进行多项式拟合得到屈伸角度2与收展角度2之间的函数关系，作为机器人工作空间的边界条件之一，其公式表达为 3222223222220.0016440.055820.9 07370.371500.0016440.055820.9 07370.37015=+=+(12)此外，由于穿戴外骨骼会占据患者手背空间，因此在机构设计阶段应对食指与中指的交叉行为进行规避，避免机构与中指的碰撞。3.2 工作空间求解 除食指尺寸参数外，机构工作空间的计算还需要杆长尺寸参数，采用图3所示的机构杆件标号，列写机构的关键尺寸参数如表3所示。表 3 机构关键尺寸参数 杆件标号 尺寸/mm 杆件标号 尺寸/mm l1 3.4 l6 47 l2 10 l9 17.55 l3 14 l10 15 l4 36 l11 19.72 l5 40.73 l13 35.34 基于机构尺寸参数对食指康复机器人的工作空间进行求解，结果如图7所示。图 7 食指外骨骼康复机构工作空间 计算过程中考虑了式(12)中拟合出的食指屈伸与收展角度之间的函数关系作为约束条件。操作步骤为选取略大于工作空间边界的立方体，将该空间内的点以一定的步长依次带入位置反解方程验证，约束条件为推杆电机的行程，满足条件的点即为工作空间内部的点。通过笛卡儿坐标系来描述其工作空间，利用Matlab编程计算即可得到机构的工作空间。可以观察到，食指的自然运动范围约束了该欠驱动外骨骼机器人的工作空间，即该机构能够满足食指的主动运动范围，工作空间内部不存在奇异点，能够满足患者康复训练的需要。4 机构运动学仿真 将食指康复机构与人手模型简化合并后导入Adams软件中并建立人机各关节的约束，并设置模型中零件的质量特性参数。对患者的被动训练模式进行运动分析，并求解三个驱动推杆的运动参数。对机构在矢状面的屈曲/伸展运动进行规划，设MCP关节与PIP关节的运动角度分别为1和2，其运动方程为 机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 46 12=3535sin01542=4040cos01542tttt+(13)运动周期为8 s，运动时间为15 s，MCP的屈伸运动范围070，PIP的屈伸运动范围080，对桡/尺侧鲍登线进行位移观测，得出对应的桡/尺侧电机的变化规律，如图8、9所示。图 8 掌指关节屈曲/伸展时桡/尺电机运动规律 图 9 近端指间关节电机的位移、速度和加速度 对机构在水平面的内收/外展运动进行规划，设MCP关节运动角度为3，其运动方程为 37.57.5cos0154tt=+(14)运动周期为 8 s，运动时间为 15 s，MCP 关节的运动范围为外展 015，观测得到桡/尺侧电机的变化规律，如图 10、11 所示。图 10 掌指关节内收/外展时尺侧电机运动规律 图 11 掌指关节内收/外展时桡侧电机运动规律 通过运动学仿真的结果可以得到相应转角规划与轨迹规划条件下机构运动与输入杆长之间的变化关系。由图 811 可以看出，食指进行屈伸运动时，尺侧电机与桡侧电机的变化规律相同，食指进行收展动作时，两推杆仅存在一定的相位差，控制规律简单清晰。5 食指康复外骨骼样机试验及预评价 食指康复外骨骼选用了因时科技 LAF30 微型直线伺服驱动器作为驱动部件，这款电动推杆的最大行程为 30 mm，重复定位精度为0.06 mm，最大推拉力可达 50 N，还具有位置控制、力反馈以及调速功能，可以依据其控制协议设置电机的位置与运动速度，进而完成对食指康复外骨骼样机的控制。设计的上位机界面包含了串口搜索、速度调节、运动控制、当前状态识别、人体肌电信号观测等功能，如图 12 所示。图 12 上位机操作界面 5.1 关节运动范围实验 该样机的关节运动范围通过一名青年男性的穿戴试验进行了验证，可以带动患者进行前文所述的屈曲/伸展运动与内收/外展运动训练，为后续研究五指康复机器人的作业训练奠定基础，典型训练方式如图 13 所示。月 2023 年 5 月 田 宇等：一种食指康复外骨骼机器人设计与分析 47 图 13 典型康复训练动作 在患者进行康复运动的过程中，仍采用 Intel RealSense L515 深度相机对机构的转动角度进行拍摄测量，为了方便识别，排除背景干扰，关节屈伸过程采用黑色绑带作为标记物进行位置识别，收展过程采用红色绝缘胶带作为标记进行位置识别，得到测量与仿真结果的效果对比，如图 14 所示。图 14 康复训练过程中食指转动角度 表 4 机器人关节角度实验数据 MCP 屈伸 MCP 收展 PIP 屈伸 期望角度/()70 15 80 实验极值/()74.35 13.94 61.24 表 4 展示了机器人关节角度极值的实验数据，整体上看，机构能够满足患者康复运动角度的需求。进一步地，还可发现该机构的实际运动角度均略小于理论值，这一误差产生的原因包括装配间隙、控制精度、穿戴误差和运动误差等，其中最重要的原因是运动误差，当手指弯曲时，皮肤、肌腱和结缔组织受到压缩，手指外径增大，相邻指骨间的软组织干涉、绑带干涉会随着弯曲角度的增大而变大，从而限制了手指的弯曲角度，这一现象在 PIP 关节的屈伸运动中表现尤其明显。5.2 患者指腹力测试实验 极限抓握能力是评价外骨骼手康复机器人的重要指标之一，也决定了患者执行 ADL 任务的能力上限，因此，招募一名青年男性对力性能开展评估。实验过程分别对近节指骨和中节指骨的极限指腹力开展测试，选取了大洋传感 DYHW-108 纽扣式压力传感器，其量程范围 030 N，采样频率设置为 20 Hz，相较于薄膜压力传感器，其受力点集中，能够防止由于对齐程度、侧滑等原因产生的测量误差。传感器分别布置在食指的近节指骨与中节指骨的指腹绑带处，采用多层双面胶粘贴牢固，所接触物体为大理石板。电机工作在位置模式，往复运动周期为 8 s，传感器在完全接触到大理石板后，堵转时间为 4 s，实验数据通过上位机软件读取并保存。为消除实验过程中因意外抖动和关节力矩产生的噪声干扰，将原始采集数据进行分段并求取均值，具体操作为每 5 个采样点求取一次均值并存入新数组，该均值数组的变化规律即反映了指腹压力的周期变化情况，实验结果如图 15 与图 16 所示，三 个运动周期中的最大指腹力均值与标准差如表 5 所示。图 15 近节指骨指腹力变化曲线 图 16 中节指骨指腹力变化曲线 机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 48 表 5 指腹力均值与标准差 指腹力均值/N 标准差/N 近节指骨 6.175 7 0.102 6 中节指骨 3.185 3 0.087 2 手部的摩擦系数约为 0.65，因此可以计算出当患者穿戴本设备进行垂直抓握运动时候，施加给物体的合力为 6.084 7 N，这足够使患者抓紧一瓶500 mL 的纯净水，若将设备进一步完善为五指机构，其抓握能力将会更高，因此该设备能够满足患者的基本 ADL 训练需求。5.3 整体性能的初步评价 样机预期功能的实现是完成康复训练的前提，此外，其真实的使用体验也是反映样机整体性能的重要因素，在完成系统的初步设计以后，基于层次分析法对系统做出了整体的评价，依据模糊数学中“优、良、中、差、很差”五种数学语言建立食指康复机器人舒适度评价集(),15=iVvi优秀 良好一般较差很差通过与临床医师进行探讨，在人机工程学和康复运动舒适性两个层面，共提出了 9 个指标进行分析，招募了 15 名身体健康的志愿者开展实验，所有被试在参与实验前已被告知实验风险并同意将个人数据纳入研究。系统评价的过程包括搭建分析框图、确定成对比矩阵、计算权重矢量、统计评价数据、列得评价矩阵等，最后逐层递推得到最终评价结果，层次分析框图如图 17 所示。图 17 舒适度评价结构体系 第一层与第二层的权重矢量分别为 120.40.60.16670.33330.33330.16670.09810.34880.18440.18440.1844=abb (15)依据志愿者穿戴食指康复装置后对各子因素的投票结果列写矩阵，归一化后得到的人机工程学设计子因素与康复运动舒适性子因素的评价矩阵1R与2R分别为 120.13330.73330.066 70.066 700.466 70.40.133300=0.53330.40.066 7000.33330.466 70.066 70.133300.40.466 70.1333000.466 70.40.133300=0.53330.466 70000.53330.466 70000.466 70.466 70.066 700|RR(16)联立公式(15)与公式(16)可计算出食指康复外骨骼的预评价结果 1122=0.45530.452 70.07870.01330bRW abR|=(17)此矩阵中的各元素分别对应于舒适度评价集中各因素的权重，依据最大隶属度原则，可知设备的性能为优秀，能够满足使用者的穿戴需求。但可以观察到的是，评价结果中优秀与良好的权重相差较少，这表明样机有待继续优化，具体包括指套安装方式、手背板弧度调整等。6 结论(1)通过对食指的解剖结构进行研究，提出了一种可实现食指主动屈曲/伸展、内收/外展运动的新型欠驱动康复外骨骼机构，该机构能够实现患者运动训练与任务训练的基本动作要素，满足人手食指的精细化操作需求，为提高患者日常生活活动能力提供更加有效的康复训练。(2)建立了食指康复外骨骼机构的运动模型并对位置反解进行了求解，依据相关国家标准确定人手尺寸，并探索了人手屈伸与收展运动间的耦合关系，求解了机构的工作空间。对机构的运动学进行了仿真，并对机构的康复转角进行了规划，求解各电机随时间变化的曲线，并通过实验验证了上述训练方法的有效性。(3)开展了机器人关节转角与力性能测试实验，评估了设备的性能；基于层次分析法进行了样机预评估实验，结果为优秀，证明设备能够满足食指康复训练的要求。但是优秀与良好的权重相差较小，这表明设备的性能提升空间还很大。月 2023 年 5 月 田 宇等：一种食指康复外骨骼机器人设计与分析 49 参 考 文 献 1 贾杰.手功能康复概论M.北京：电子工业出版社，2019：22-38.JIA Jie.Hand function rehabilitationM.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2019：22-38.2 吴宏健，李莉娜，李龙，等.脑卒中后手功能康复机器人综合干预研究进展J.生物医学工程学杂志，2019，36(1)：151-156.WU Hongjian，LI Lina，LI Long，et al.Review of comprehensive intervention by hand rehabilitation robot after strokeJ.Journal of Biomedical Engineering，2019，36(1)：151-156.3 方斌，孙佰鑫，程光，等.紧耦合式物理人机系统的交互研究综述J.机械工程学报，2021，57(17)：10-20.FANG Bin，SUN Baixin，CHENG 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