索控式手部康复训练器设计.pdf
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1、专论21现代仪器与医疗2 0 2 3年第2 9 卷第4期索控式手部康复训练器设计张凯孟青云1.2.3*彭家睿沈宏涛2.3魏明霞2.3(1.上海健康医学院医疗器械学院,上海2 0 1318;2.上海理工大学健康科学与工程学院,上海2 0 0 0 9 3;3.上海穿戴式医疗技术与器械工程研究中心,上海2 0 1318)【摘要】为了解决脑卒中、手部骨折等疾病导致的手部功能障碍间题,本研究设计了一款便携式索控手部康复训练器。通过对人手骨骼特征、自由度和运动学的分析,利用SolidWorks软件设计了索控康复训练器的结构零件,并将它们组装成完整的装配体。随后,使用Motion插件进行运动仿真实验,分析手
2、指屈曲/伸展角度和线性位移的可靠性。最终的运动学仿真曲线结果证实了该手部康复训练器能够平稳地完成预定的轨迹动作,验证了机械结构设计的合理性和方案的可行性。综上所述,索控式手部康复训练器具有轻便、经济、安静和结构简单的优点,可以有效辅助患者进行各种康复运动。【关键词】手部康复训练器;索控式;运动学仿真;外骨骼结构;SolidWorks【中图分类号】R197.39【文献标志码】A【D O I】10.118 7 6/m im t2 0 2 30 40 0 4Design of a rope controlled hand rehabilitation trainerZhang Kai,Meng Qi
3、ngyunn2.,Peng Jiaruil,Shen Hongtao,Wei Mingxia.(1.College of Medical Instrument,Shanghai University of Medicine&Health Sciences,Shanghai 201318,China;2.School of Health Science and Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;3.Shanghai Wearable Medical Technol
4、ogy and Device Engineering Research Center,Shanghai 201318,China)Corresponding author:Meng Qingyun,E-mail:Abstract In order to address the issue of hand dysfunction caused by conditions such as stroke and hand fractures,a portablecable-driven hand rehabilitation training device was designed in this
5、study.Through analysis of human hand skeletal features,degreesof freedom,and kinematics,the structural components of the cable-driven rehabilitation training device were designed using SolidWorkssoftware,and they were assembled to form a complete assembly.Subsequently,motion simulation experiments w
6、ere conducted usingthe Motion plugin to analyze the reliability of finger flexion/extension angles and linear displacements.The final results of the kinematicsimulation curves confirmed that the hand rehabilitation training device could smoothly perform the planned trajectory movements,thereby valid
7、ating the rationality of the mechanical structure design and the feasibility of the proposed solution.In conclusion,the cable-driven hand rehabilitation training device has the advantages of being lightweight,cost-effective,quiet,and structurally simple,makingit an effective assistive tool for vario
8、us rehabilitation exercises for patients.KeywordsHand rehabilitation trainer;Cable control;Kinematics simulation;Exoskeleton structure;SolidWorks手部功能障碍是许多疾病和事故后遗症的常见结果1.2 ,如脑卒中、手部骨折、神经系统疾病以及手部创伤等情况下,患者常常出现手指灵活性下降、握力减弱和手指协调性缺失等功能损伤,严重限制了他们在日常生活中的自理能力和社交能力。然而,科学研究发现,人手平均每天要进行约150 0 次的抓握动作,故手部是人与外界环境沟通
9、交流的重要工具,手部的健康灵活是人们生活质量的重要保障3。因此,对手部康复进行系统有效的训练是提高老年人群体生活质量的关键4.5。康复训练是恢复手部功能的主要手段之一,其早期和持续性的实施对于患者康复的成功至关重要。传统的康复训练方式存在一些局限性,例如单调乏味、缺乏趣味性和个性化,以及康复效果不尽如人意。因此,设计一种创新且高效的手部康复训练器对于改善康复训练的质量和效果具有重要意义。基金项目:国家级大学生创新创业训练计划项目(G202310262003,S2 0 2 310 2 6 2 0 2 8,S2 0 2 310 2 6 2 0 46);基于医工交叉的智能医疗器械创新实验室,2 0
10、2 2 年第二批教育部产学合作协同育人项目(2 2 0 8 0 537 7 2 30 7 44);2 0 2 2 年上海健康医学院教师教学研究重点项目(CFDZ20220004)第一作者:张凯,男,本科在读,研究方向:临床工程技术,E-mail:2 39 9 7 5419 1 q q.c o m通讯作者:孟青云,女,博士,高级工程师,研究方向:智能医疗器械和智能康复机器人,E-mail:me n g q y 19 9 6 12 6.c o m22Modern Instruments&Medical.Vol.29No.4在现有的手部康复训练器中,索控式手部康复训练器作为一种新型的康复辅助设备,逐
11、渐引起了研究人员和医学界的关注。索控式手部康复训练器采用索线传递力量,通过调整索线的张力来实现手部运动的控制。相比传统的基于电机控制的康复训练器,索控式训练器具有结构简单、轻便灵活、成本较低等优点,特别适用于老年人和康复患者。然而,当前国内对索控式手部康复训练器的研究仍处于初级阶段,尚未实现大规模的临床应用。现有的一些索控式手部康复训练器存在一些问题,例如运动范围有限、功能单一、难以满足个性化需求等6,7 。因此,本研究旨在设计一款便携式索控式手部康复训练器,结合虚拟现实和生物反馈技术,克服现有训练器的缺陷,提供更加个性化和有效的手部康复训练。在设计索控式手部康复训练器时,我们首先进行了人手骨
12、骼特征、自由度和运动学的分析。通过详细的解剖学研究和运动学分析,我们了解了手部骨骼结构以及手指关节的运动自由度。这些信息对于后续训练器的结构设计和运动控制具有重要指导意义。在设计过程中,我们采用了SolidWorks软件进行结构设计和装配体设计。首先,我们设计了手部康复训练器的结构零件,包括手套式传感器、索线系统等。接下来,我们将这些结构零件组装成完整的手部康复训练器装配体,并进行运动仿真实验。通过Motion插件对手部康复训练器的运动学性能进行仿真分析,包括手指屈曲/伸展角度和线性位移等。通过这些仿真实验,我们能够验证设计的合理性和方案的可行性,为后续的实验和临床应用提供有力支持。1人体手部
13、结构和自由度设计人体器官中最为复杂的部分之一就是手部。如图1所示,根据人体解剖学原理8.9 ,人体手部由食指、中指、无名指、小拇指和大拇指组成。其中,食指、中指、无名指和小指各有3个关节、4个自由度(D e g r e e s o f f r e e d o m,D O Fs)。从指尖到手掌,3关节分别是远端指间关节(Distal Interphalangeal Joint,DIP)、近端指间关节(Proximal Interphalangeal Joint,PIP)和掌指关节(Metacarpophalangeal Joint,M CP)。其中DIP和PIP是滑车关节,只能进行屈曲/伸展运动
14、,而MCP是球窝关节,可同时进行内收/外展运动和屈曲/伸展运动。拇指也有3个关节和5个DOFs。从指端开始,3关节分别是IP、M CP和腕掌关节(Carpometacarpal Joint,CMC)。3(中指)4(无名指)2(食指)5(小指)1(拇指)DIPPIPMCPIPMCPCMC图1人体手部生理解剖图一般认为,指间关节(Interphalangeal Joints,IP)可进行屈曲/伸展运动,而人手手指的MCP和CMC具有两个自由度以完成内收/外展运动和屈曲/伸展运动,拇指的CMC同样可以完成外展/内收和屈曲/伸展两自由度的运动10.1。因此,正常人手可以用21个自由度来进行描述(不包括
15、腕部的自由度)。本文研究的正常成年男女的手指各个关节活动范围如表1所示8-1。同时,还要考虑四指运动的相互约束和联动性。在接下来的康复训练器设计中,我们主要根据表1所示的数据来验证设计的外骨骼的运动范围是否符合患者手部运动角度要求。表1正常人体手指关节自由度和患者各手指运动范围手指关节总自由度运动方式运动范围()DIP1(屈曲/伸展)屈曲/伸展070PIP1(屈曲/伸展)屈曲/伸展0110MCP12(屈曲/伸展、内收/外展)屈曲/伸展090MCP22(屈曲/伸展、内收/外展)内收/外展-2020本文根据手部骨骼分析和研究要求,考虑康复训练器的自由度对其简洁易懂和整体设计方向产生影响。调查外骨骼
16、康复训练器显示2-17 ,每增加一个自由度都会增加机械设计的复杂性和严谨考虑因此,我们遵循患者运动范围有限、结构简单且高性能的原则,尽可能地减少自由度的选择,根据Figliolini等18 】对食指新型铰链设计的相关文献,实现手指弯曲运动仅需要一个自由度的整体设计是完全可行的。由于本课题主要关注手指的伸展和弯曲问题,因此我们将采用一个自由度的康复训练器设计。23现代仪器与医疗2 0 2 3年第2 9 卷第4期根据机械设计原理可知,一个自由度的平面连杆机构十分简单易懂,由自由度计算公式:F=3n-2P,-PH(1)在(1)中,n为活动构件数3,P为低副约束数4,P为高副约束数0,得出自由度为1,
17、符合本文中如表1所示的一个自由度的设计要求。我们可用如图2所示的机构简图描述所设计的手部外骨骼的运动自由度,其中A点为固定端,可以看做人手的手部外骨骼MCP,B点可看做手部外骨骼的PIP,C点为DIP。BC图2平面连杆机构为了符合手指的轨迹规定,设计中将直线运动转换为圆弧运动,如图3所示的圆弧的圆心是MCP,跟随DIP轨迹的运动。BC连杆随之摆动,为了考虑安全问题和计算杆长的设计,本文假设乙ABC为9 0 这样的设计可以减少连杆所承受的力,减轻拉动手指时产生的冲击力,从而提高安全性和舒适性。根据如图2 中所设计新的圆弧轨迹模型,同时结合测量的长度d,可以计算出手指的弯曲角度。它们之间的关系可以
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