基于三维建模手部康复训练装置的设计与分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.53.007

中国组织工程研究 ›› 2016, Vol. 20 ›› Issue (53): 7952-7958.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.53.007

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基于三维建模手部康复训练装置的设计与分析

骆丽，池鹏飞，马明，赵勇，孙武东，黄海洋

东南大学附属中大医院康复科，江苏省南京市 210009

修回日期:2016-11-25 出版日期:2016-12-23 发布日期:2016-12-23
通讯作者: 赵勇，副主任康复工程师，东南大学附属中大医院康复科，江苏省南京市 210009
作者简介:骆丽，女，1985年生，江苏省宿迁市人，汉族，2007年南京医科大学毕业，治疗师，主要从事脑血管病的运动康复工程研究。
基金资助:
江苏医药卫生职业教育集团资助项目(MS201509)

Design and analysis of hand rehabilitation training device based on three-dimensional modeling

Luo Li, Chi Peng-fei, Ma Ming, Zhao Yong, Sun Wu-dong, Huang Hai-yang

Department of Rehabilitation, Zhongda Hospital, Southeast University, Nanjing 210009, Jiangsu Province, China

Revised:2016-11-25 Online:2016-12-23 Published:2016-12-23
Contact: Zhao Yong, Associate chief rehabilitation engineer, Department of Rehabilitation, Zhongda Hospital, Southeast University, Nanjing 210009, Jiangsu Province, China
About author:Luo Li, Therapeutist, Department of Rehabilitation, Zhongda Hospital, Southeast University, Nanjing 210009, Jiangsu Province, China
Supported by:
the Foundation of Jiangsu Medical and Health Vocational Education Group, No. MS201509

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

三维建模：是指设计人员直接从三维概念和构思入手，借助三维设计软件构建虚拟的三维模型来仿真分析和评价设计方案的可行性与可靠性等问题。通过三维建模设计产品，一方面可将抽象的概念和构思快速转化为可视化的图形；另一方面，通过可行性分析和评价能够显著提高方案设计、改进的效率。文章借助Creo三维设计软件设计了虚拟的手部康复训练装置，并利用该软件中的运动分析模块对模型的运动性能进行了仿真分析，通过虚拟技术验证了设计方案的可行性。

康复训练：康复训练是康复医学的一个重要手段，主要是通过训练方法使患者患肢恢复正常的自理功能，达到治疗效果。传统的康复训练采用的是人工康复训练方法，需要康复治疗师对患者进行手把手的重复性训练，训练效率较低且会占用治疗师大量的时间，使治疗师无法专注于治疗方案的改进和优化。文章针对康复训练中存在的上述问题，开发设计了一种自动化的康复训练装置，以期实现对患者手部的康复训练并将治疗师从繁重的康复训练中解脱出来。

摘要

背景：现有的人工康复训练方法效率较低，且会占用治疗师大量的时间，使治疗师无法专注于治疗方案的改进和优化。

目的：针对存在手部运动障碍的患者，设计了一种用于康复训练的手部康复训练装置。

方法：基于对手部的运动功能分析，得出了掌指关节与指间关节的活动范围，并在此基础上对手部康复训练装置进行设计，主要包括外骨骼执行系统的设计和控制检测系统的设计，最后对设计完成的训练装置进行了运动学仿真分析。

结果与结论：①仿真结果表明，虽然手部康复训练装置的指节活动范围与人手的测试轨迹之间存在一定的误差，但最大差值仅为5.13 mm，且结构设计中预留有调节余量，可有效弥补上述差值；②此外，该手部康复训练装置的每个指部件均由气缸单独控制，可用于辅助患者完成某些简单的日常生活活动能力；③试验设计的手部康复训练装置能够帮助患者完成简单的抓握动作和拿捏动作，且与现有的康复设备相比，传动机构较简单、质量较轻、穿戴轻便，具有较强的实用性特点，可用于患者的手部康复训练。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
ORCID: 0000-0002-3474-0977(赵勇)

关键词: 骨科植入物, 数字化骨科, 三维建模, 康复训练, 手部, 运动学仿真

Abstract:

BACKGROUND: The existing artificial rehabilitation training method has low efficiency, and it would take a lot of time, so the therapist cannot focus on the improvement and optimization of treatment.

OBJECTIVE: To design a hand rehabilitation training device for the patient who has hand movement disorder.

METHODS: Based on the analysis of hand movement function, the range of motion of the metacarpophalangeal and interphalangeal joints was obtained, and the hand rehabilitation training device was designed. The device mainly included the exoskeleton executive system and control test system. Finally, the designed device was used for kinematics simulation.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The simulation results showed that the hand rehabilitation training robot’s knuckle range and trajectory had a certain error to human, but the maximum difference was only 5.13 mm. Moreover, the designed adjustment allowance could effectively compensate for the difference. (2) Moreover, each component of the hand rehabilitation training device was controlled by cylinder, and could help patients to complete simple daily life activities. (3) The designed hand rehabilitation training device could help patients to complete simple grasping, holding and kneading. Compared with modern rehabilitation device, the hand rehabilitation training device was simple, lighter weight and wearable. It has good practicability and can be used for hand rehabilitation training.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Hand, Rehabilitation, Activities of Daily Living, Imaging, Three-Dimensional, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

骆丽，池鹏飞，马明，赵勇，孙武东，黄海洋. 基于三维建模手部康复训练装置的设计与分析[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(53): 7952-7958.

Luo Li, Chi Peng-fei, Ma Ming, Zhao Yong, Sun Wu-dong, Huang Hai-yang. Design and analysis of hand rehabilitation training device based on three-dimensional modeling[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(53): 7952-7958.

图/表（结果） 1

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引言

脑卒中偏瘫后患者的手部运动功能将会降低,甚至丧失，临床表明，对患者手部进行及早的康复治疗可有效减轻病情的恶化，提高康复的可能性。目前对于患者手部的康复治疗，主要采用的方法是由治疗师对患者进行手把手训练。手把手式的康复训练效率较低，且训练会占用治疗师大量的时间，使治疗师无法专注于治疗方案的改进和优化。此外，手把手式的训练效果受治疗师经验和水平等人为因素的限制，无法保证治疗效果的稳定性和可靠性，并且，患者只能在有限的时间内进行被动的训练，训练强度和主动性不足。因此，为了提高康复训练的效果，并将治疗师从繁重的训练工作中解放出来，康复训练装置被引入到了手部的康复训练中。

目前，国内外已研制出多种针对手部康复训练系统^[1-10]，但现有的手部康复训练装置普遍存在着一些问题，主要包括：①各指部不能单独活动，康复运动模式单一；②各指部的活动自由度小于正常手指的自由度；③无法实现对拇指的康复训练；④结构复杂、体积庞大；⑤患者穿戴后身体受限制，无法自由活动。

针对上述问题，文章研究设计了一种手部康复训练装置，该装置以正常手部的生理运动功能为基础，结合机械运动学和控制检测技术，实现了对手部康复运动的模拟，其主要特点为：①各指部均能够单独活动，可满足多种康复运动模式的需求；②能够较精确模仿正常手各个手指的多自由度活动；③能够对康复运动过程进行力学检测，具备安全防护功能；④结构简单、质量轻、体积小，穿戴轻便；⑤患者穿戴该系统后身体不受限制，活动自由。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计 手部康复训练装置的三维建模与运动分析实验。

1.2 时间及地点 于2015年1至4月在东南大学附属中大医院完成。

1.3 实施条件及材料 Creo 2.0三维设计软件、Matlab数据分析软件、DNI三维运动测试系统。

人手食指和拇指的运动轨迹数据来源于东南大学附属中大医院康复科于2016年3月收治的1例男性患者，该患者已签署知情同意书。

纳入标准：①年龄30-60岁；②初发脑卒中，病程1-3个月；③患侧手部运动功能有所恢复，Fugl-Meyer上肢评分> 40分；④患者手部尺寸为平均水平；⑤患者手部无明显外伤。

1.4 方法

1.4.1 外骨骼执行系统的设计手部康复训练装置主要由外骨骼执行系统、动力系统和控制检测系统组成，外骨骼执行系统用于模仿人手完成各种康复训练动作，动力系统可为外骨骼执行系统提供动力，控制检测系统用于控制和检测外骨骼执行系统的运动。外骨骼执行系统分为执行机构和传动机构，具体结构如图1所示。

执行机构包括手掌部件、拇指部件、食指部件、中指部件、环指部件和小指部件，手掌部件为固定于人的手掌和手腕处的固定件，上述各指部件均包含3个指节，且均为具有3自由度的活动机构。其中，手掌部件中靠近手指处和靠近手腕处均设置有弹性尼龙卡带，尼龙卡带的长度可通过卡扣进行调节，以便使手掌部件套紧在人的手掌与手腕处。手掌部件与各指部件通过铰链连接，铰链轴上套设有扭簧，各指部件在扭簧的扭力作用下与手掌部件之间具有合拢的趋势，该合拢的趋势用于模仿拇指CMP关节或手指MP关节的屈曲动作。拇指部件、食指部件、中指部件、环指部件和小指部件的结构与手掌部件相似，不再赘述。

在临床实践中可知，患者手部通常处于屈曲痉挛状态，对患者手部的康复训练主要是进行伸展运动，因此，扭簧的扭力设置无需过大，指节即可在扭簧和患者手指的屈曲痉挛作用下实现屈曲动作。

本文中，扭簧在未受力状态下，其两侧力臂之间的夹角设计为90°，受力时，扭簧两侧力臂之间的夹角由90°逐渐扩大到180°。本文选用了材质为SUS304-WPB的扭簧，其平均螺旋直径(D)为5 mm，线材直径(d)为0.8 mm，圈数9圈，角度90°，侧力臂长3 mm，转动角度90°，最大扭矩4 073.78 g•mm。此外，如图2所示，扭簧均套设于各铰链轴，并且扭簧的两侧力臂分别抵靠于相邻两指节，相邻两指节在扭簧侧力臂的作用下产生合拢的趋势。

传动机构包括柔性钢索和导向环，导向环固定于各个指节的指背一侧和手掌部件的手背一侧。导向环共设置有19个，用于保证柔性钢索沿指背、掌背一侧排布和运动。导向环中贯穿有柔性钢索且每一指部件包含1条柔性钢索，每条柔性钢索的一端固定于各远指节上的导向环，另一端依次贯穿过各中指节、近指节和手掌部件上的导向环并连接到动力系统上。

1.4.2 动力系统设计动力系统如图3所示，主要包括气泵、电磁阀、双作用气缸和辅助元件。其中，气泵作为气源为各双作用气缸提供运动时所需的压缩气体。本系统采用的双作用气缸为亚德客MA系列不锈钢迷你气缸，其具体参数如表1所示。该迷你气缸可提供的拉力大小与气泵的空气压力有关，最大拉力可达到120.9 N。由前述可知，每个指节部均包含3个扭簧，每个扭簧的最大扭矩约为4 073.78 g•mm，因此，使3个扭簧同时扭转所需的最大拉力约为40.73 N<120.9 N，该迷你气缸可满足对患者手指牵伸力的要求。

如图3所示，电磁阀共有5个，每个电磁阀的一端通过辅助元件与气泵相连，另一端分别与一个双作用气缸相连接，电磁阀用于实现气路的转换。每个双作用气缸均固定于手掌部件的手背一侧(如图1所示)，并且每个双作用气缸中均设置有如图3所示的活塞、活塞杆以及A、B气口。活塞可带动活塞杆运动，且活塞杆与柔性钢索固定连接。当电磁阀使A口接通为进气口时，B口为排气口，双作用气缸内的活塞在压缩气体的驱动下向右移动，推动活塞杆伸出气缸，使柔性钢索逐渐松弛，各指部件在各扭簧的作用下逐渐向掌心方向弯曲，以模仿人手指的屈曲动作；当电磁阀换向后，B口接通为进气口，A口为排气口，活塞在压缩气体的驱动下向左移动，推动活塞杆缩回气缸，将柔性钢索逐渐拉紧，柔性钢索拉动各指部件克服扭簧的扭力作用逐渐伸直，以模仿人手指的伸展动作。

1.4.3 控制检测系统的设计控制检测系统包含单片机主控系统、电磁阀控制系统和压力传感器检测系统。控制检测系统的工作原理如图4所示。其中，单片机主控系统的主要作用为：①控制电磁阀控制系统进行换向、接受压力传感器的检测信号、分析处理检测信号并记录运动数据；②根据不同的康复训练模式，设置不同的运动参数，控制执行机构完成不同的康复训练动作。电磁阀控制系统的主要作用为：接受单片机主控系统的信号，控制各双作用气缸与气泵之间气路的通断。压力传感器检测系统的主要作用为^[11-12]：①实时检测各指部件的压力信号，反馈患者的训练情况，为调整训练方案提供参考；②当检测到患者指节受力过大时，使外骨骼执行系统停止动作，起到安全防护的作用。

综上所述，上述控制检测系统一方面能够控制装置系统完成常规的康复训练动作，另一方面，还可以通过输入设定的参数，帮助患者完成某些日常生活活动^[13-16]。例如，拿捏类的活动主要由拇指和食指配合完成，当需要完成此类日常所需的动作时，向单片机主控系统中输入该类动作参数，单片机主控系统向电磁阀输出动作指令，电磁阀接受动作指令并控制拇指和食指的双作用气缸进行特定的伸缩运动，伸缩运动通过传动机构最终可转化为拇指和食指的拿捏动作。

1.4.4 运动学仿真分析为了分析验证上述手部康复训练装置对人手的模仿精度，利用Creo 2.0软件中的运动分析模块对装置的指部件进行了运动学仿真分析。由于篇幅所限，下文仅陈述了对食指部件和拇指部件的运动学仿真分析。

食指部件和拇指部件的运动学仿真分析分别以食指部件和拇指部件中各远指节的指尖部位作为运动仿真点，并且食指部件的运动学坐标原点设置在MP关节处，拇指部件的运动学坐标原点设置在CMP关节处。其中，运动学仿真分析中食指部件和拇指部件所参照的人的手指实测值为：拇指的掌骨指节为50 mm，近指节为 45 mm，远指节为25 mm；食指的近指节为50 mm，中指节为30 mm，远指节为20 mm。为了与运动学仿真分析的结果进行比较，本文采用DNI三维运动测试系统对该生理参数的人手食指和拇指的运动轨迹进行了捕捉。其中，食指和拇指的发光点分别黏于食指指尖和拇指指尖的外侧，食指和拇指以康复训练模式进行屈伸运动，用高速摄像头捕捉发光点的运动轨迹，得到的食指和拇指的测试轨迹值。将测试得到的测试轨迹值与仿真得到的仿真轨迹值通过Matlab数据处理软件进行整合、比较。

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讨论

由仿真分析结果可知，该手部康复训练装置的运动轨迹与实测轨迹虽然相仿，但仍存在一定的偏差，分析该偏差产生的原因，作者认为主要包括以下两方面原因：①指部件与掌部件联接处的自由度小于人手。指部件与掌部件通过铰链轴联接，该联接处的自由度为1，指部件只能在垂直于掌面的平面内运动；而人的手指根部与手掌联接处的掌指关节为多自由度联接，人的手指除了能在垂直于掌面的平面内运动，还能左右摆动。人的手指在做屈曲和伸展动作时，其动作的空间是三维空间，而该手部康复训练装置中的指部件的动作空间是二维空间，动作范围(或空间)的不同造成运动轨迹的不同；②各指节的开合时间不同。该手部康复训练装置每个指部件在做屈曲和伸展动作时，指部件中各指节的开合是同时进行的，而人手各指节的开合存在一定的先后顺序，开合时间的不同也会造成运动轨迹的不同。因此，若要提高手部康复训练装置的运动精度，使其最大程度地与人手的运动轨迹相吻合，应充分利用仿生学原理，增加指部件与掌部件联接处的自由度，并实现各指节的顺序开合。

针对手部康复训练装置总体而言，作者认为，其若要满足康复训练的要求，应具备以下几方面的功能：首先，运动态势或轨迹与人手相仿；其次，能够实现多项目训练，即能够完成抓、握、捏等基本动作和精细动作的训练；最后，还应具有较高的可靠度和安全性。基于此，作者结合日常康复训练中总结的经验，借助于三维设计软件开发设计了上述手部康复训练装置。该手部康复训练装置的运动轨迹与实测轨迹相仿，每根手指均被单独控制，可实现多项目训练，同时，各指节处均加装了压力传感器，可满足对可靠度、安全性的要求。

总之，与国内外同类的手部康复训练装置相比，文章设计的训练系统主要具有以下特点：①简化了传动机构：现有手部康复训练装置或欠驱动假手的驱动原理通常为连杆欠驱动、连杆耦合或齿轮连杆驱动^[17-19]，传动机构结构较复杂，质量较大，且容易出现机械故障，而本文设计的装置系统，其采用了柔性钢索/扭簧式的欠驱动结构，传动机构结构简单，质量较小，穿戴轻便，不易出现机械故障，适应性较强；②实现了压力检测：该系统利用压力传感器技术实现了对执行机构运动状态的压力检测，可起到有效的安全防护作用；③实现了对各手指的单独控制。现有设备中，除拇指外，其余4指通常被绑定在一起同时进行康复训练，康复训练模式较单一，而本文设计的装置的各指部由双作用气缸单独控制，各指部之间可配合完成各种简单的抓握和拿捏动作；④扩大了患者自由活动的范围：本文设计的装置系统，其外骨骼执行系统和传感器检测系统分别通过气管和电线与气泵、单片机主控系统连接，患者穿戴该系统后身体不受限制，可在在一定范围内自由活动，满足了人性化需求。

作为康复治疗的重要手段，康复训练在改善患者的运动功能，使患者恢复原有的生活、工作能力方面起着及其重要的作用。而康复训练装置作为康复训练的辅助装置，其在提高康复训练的效率，降低康复治疗师的工作强度等方面的作用已初步得到了验证。因此，设计开发行而有效的康复训练装置是康复工程需要重点研究的领域^[20-48]。

文章以实现手部康复训练装置的广泛应用为设计目的，具有较强的实用性特点，但最终的康复训练效果如何，还需要进行大样本量长期随访的临床验证。此外，该系统的动力系统需要外部的气泵提供动力源，还无法满足便携式设计的需求，这也是未来需要继续改进优化的地方。

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