医疗机械手的研究

朱磊

  上海工程技术大学 200335

摘要：

手在与环境的交互中发挥着至关重要的作用，但在高频使用中容易受伤。手指创伤在工伤意外中占比高达四分之一，而康复治疗大部分无法恢复到受伤前水平，影响日常生活和工作，给心理带来负担。目前，康复治疗主要依赖人工协助，但存在费时、费力、成本高、医患关系复杂等问题。

为解决这些问题，本课题研究了自动手指康复机械臂。该机械臂通过电缸驱动连杆机构模拟人类手指运动轨迹，避免复杂医患关系，让患者自主训练，促进手部技能恢复。设计灵感来源于自然手指运动，采用电缸技术、智能传感器和控制系统，实时监测和调整，确保治疗效果最大化。

该机械臂不仅适用于工伤康复，还可拓展至神经康复、运动康复等领域。通过其辅助，更多患者有望重获手部功能，重拾生活信心。本研究为手指康复治疗提供新思路和方法，随着技术进步和应用拓展，将为人类健康事业做出更大贡献。

一、绪论

1.1医疗机械手的研究背景及意义

随着科技的发展，生活水平提高，但人口老龄化问题也愈发严重。脑卒中，即脑血管意外，成为老龄化人群中的常见疾病，具有高发病率、致残率和致死率。其主要症状包括肢体偏瘫、面部麻痹、语言障碍等，其中肢体偏瘫最为常见。调查显示，约55％-75％的脑卒中患者会出现肢体运动功能障碍，其中手指运动功能障碍占八成以上，且只有约30％的患者能完全恢复。中风患者两年内复发率达到25％，四年内复发率达到75％。尽管现代康复技术有所发展，但致残率和复发率仍然很高，严重影响患者生活。

对于脑卒中导致的手部运动功能障碍，科学的康复训练至关重要。手部康复外骨骼机器人，具有自动化、精细程度高、加速康复等优点，是康复医学与机器人技术的结合。其研究涉及康复医学、生物力学、机械工程等多个学科，具有重要的现实意义。手指康复机器人基于临床康复医学理论，能辅助或取代医生完成康复治疗，降低残疾率，恢复患者运动能力，提高生活满意度，节省护理成本和社会资源。

1.2研究现状

1.2.1技术发展

技术进展方面，手指康复机器人近年来取得显著突破，得益于人工智能、机器人技术和生物医学工程的融合。高端机器人已具备精准定位、个性化治疗和实时反馈能力，可根据患者情况智能调整，提高康复效果。

国际上，以美国为例，投入巨资研发创新产品，全球已有超100款上市，美国占近一半市场份额，应用领域广泛。国内虽起步较晚，但发展势头强劲，科研机构和企业加大研发力度，取得重要成果，如某高校研究团队研发出基于深度学习算法的手指康复机器人，可自动调整治疗方案，提高康复效果。

此外，国内应用领域也在扩大，除神经和骨科康复外，还应用于体育训练、康复治疗等领域。总之，手指康复机器人在技术进展方面取得显著成就，未来将在康复医学领域发挥更重要作用。

1.2.2应用领域

手指康复机器人在医疗康复领域的应用越来越广泛。这些机器人能帮助患者恢复手指功能，提高生活质量。全球有数千万人因各种原因导致手指功能受限，市场需求巨大。国际上，手指康复机器人技术已相对成熟，多款商业化产品已推出。这些产品通过精准控制和训练，帮助患者恢复手指灵活性和力量。同时，随着人工智能技术的发展，这些机器人能根据患者的康复情况自动调整训练计划，提高康复效果。

在国内，手指康复机器人的发展也呈现出蓬勃的态势。国内科研机构和企业加大投入，取得了一系列重要成果。例如，国内某知名医疗机器人企业推出的手指康复机器人已成功应用于多家医院和康复中心。该机器人采用先进的算法和模式，能制定个性化的康复方案，明显改善患者的手指功能。此外，国内研究团队还在探索新的技术应用，如虚拟现实、脑机接口等，以期进一步提高效果。

除了医疗康复领域，手指康复机器人在工业、军事等领域也有广阔的应用前景。在工业制造中，使用这些机器人可以帮助工人快速恢复手指功能，提高生产效率。在军事领域，它们可以为受伤的士兵提供及时的康复支持。这些领域的应用将推动手指康复机器人的技术发展和市场普及。

总之，手指康复机器人在不同领域的应用展现出巨大的潜力和价值。随着技术的不断进步和市场的拓展，这一领域将迎来更广阔的发展空间和应用场景。

1.2.3市场现状

手指康复机器人市场正快速发展，随着全球老龄化加剧和神经系统疾病、外伤的增加，其需求不断上升。市场研究报告显示，全球手指康复机器人市场规模持续扩大，并预计保持高速增长。

在国际市场上，以美国、欧洲和日本为首的发达国家在机器人技术研发和应用上领先，其产品已广泛应用于医院、康复中心和家庭，为患者提供便捷高效的康复手段。技术不断创新，产品性能提升，满足个性化需求。

相比之下，国内市场虽起步晚但发展迅速。近年来，国内科研机构和企业加大研发力度，取得重要成果。国内产品具备市场竞争力，价格优势明显。随着市场扩大和技术进步，国内手指康复机器人市场有望实现跨越式发展。

然而，市场也面临挑战。竞争激烈，产品性能差异大，消费者选择困难。技术研发和应用需投入大量资金和人力资源，小型企业难以承受高昂成本。使用效果需进一步验证和完善。

综上所述，手指康复机器人市场前景广阔，潜力巨大。随着技术进步和市场扩大，将在康复医学领域发挥更重要作用。需加强技术研发和市场调研，提高产品性能和竞争力，满足更多患者需求。

二、手指康复机械臂的结构设计

2.1 手指结构分析

人体工学研究表明，手掌的构造复杂且精细，其独特之处在于骨骼支撑赋予手部的多样功能和灵活性。手掌骨骼架构不仅定义了其基本形态，还起到了支撑和保护内部软组织的重要作用。软组织则如灵活的纽带，通过与骨骼的连接，实现手掌的弯曲、伸展及其他复杂运动。

观察手臂骨骼结构，可见其由手臂、手腕、手掌和手指等部分组成，其中手指构造尤为独特。人类五根手指长度各异，功能各有侧重，依次为大拇指、食指、中指、无名指和小拇指。这种长度差异不仅丰富了手指功能，也在一定程度上影响了手部的审美价值。

深入分析手指结构，可发现除大拇指与手掌连接处仅有一个关节外，其余手指均拥有两个关节，这两个关节如项链上的珠子般相互串联，作为手指弯曲伸展的圆心节点。这种结构使手指能够完成更加灵活和精确的动作，满足日常生活中的多样化需求。

为了设计手指康复治疗机械手臂，需详尽了解普通人手指长度数据。通过查阅相关资料并进行统计分析，我们获得了以下宝贵数据：

表2.1-1普通人手指长度分析表

这些数据为我们提供了设计符合人体工学手指康复治疗机械手臂的重要参考。展望未来，随着科技的持续发展，相信将涌现更多创新设计，为人们的健康和生活带来更多福祉。

通过分析在设计时暂切取中值，以适应更过的患者人群，在做设计后期根据不同情况再做修改。

通过高速摄像头快速捕捉人在拿捏取放物品时各关节的状态信息，分析规律，得出人们平时不管在取用什么物品时其各关节的运动关系都想差无几，其中规律可见下图。

图2.1-1 高速摄像头下的手指运动图形

2.2机械结构分析

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， 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。

图2.2-1手指康复治疗机械手臂模型简图

三、手指康复机械手臂的三维建模

3.1软件介绍

随着科技的不断进步和工业设计的日益复杂化，三维设计软件在现代设计领域中发挥着越来越重要的作用。这类软件不仅功能强大，而且能够集成众多专业插件，从而满足各种设计需求。相较于传统的二维CAD绘图软件，三维设计软件具有更加直观、便捷和高效的特点，能够极大地提高设计效率，减少由于人为疏忽导致的不必要失误。

在众多的三维设计软件中，SolidWorks、UG、Proe、Catia、3DMAX等是较为常见的几款。这些软件各有侧重，适用于不同的设计领域。例如，SolidWorks以其丰富的标准件库，如轴承、同步轮、同步带、电动机、螺栓等，以及钣金、焊件等设计命令，特别适合机械行业，尤其是非标自动化行业的使用。然而，在曲面设计方面，SolidWorks的功能相对较弱，可能给设计师带来一定的困扰。

另一方面，UG设计软件在模具制造行业具有广泛的应用。其强大的模具制造功能，如分型面、分模命令，以及与西门子设备的集成，使其能够模拟刀路运行和直接编辑行程加工轨迹的G代码，为模具行业提供了极大的便利。

Proe和Catia则在车辆设计和飞机设计等领域具有显著的优势。这两款软件的曲面命令操作简单，为复杂曲面设计提供了有力的支持。然而，它们对设计图纸的严谨要求也对设计师提出了更高的要求。

3Dmax类软件则主要受到产品设计人员的青睐。它们特别关注产品的外观设计，通过借助专业的渲染软件，可以进一步增强产品设计的美观性和协调性。这些软件在产品设计领域具有广泛的应用。

总的来说，各种三维设计软件都有其独特的优势和适用领域。它们在设计性能上越来越便捷、高效，能够满足不同行业和领域的设计需求。掌握一两款三维设计软件，基本可以满足对产品、设备等的设计与制造需求。随着技术的不断进步，我们有理由相信，未来的三维设计软件将更加智能、高效，为设计师们带来更加便捷、高效的设计体验。

3.2机械部分建模

3.2.1 手臂支撑板的三维建模

在手指康复机械臂的设计中，手臂支撑板是一个至关重要的组成部分。为了确保其能够满足广大用户的需求，我们依据普通人手掌尺寸数据进行了的三维建模。该手臂支撑板不仅起到支撑其他零部件和固定患者手臂的作用，还采用高强度铝合金作为材料，确保了其外观美观大方且强度足够，从而可以长久地支撑手臂，为用户提供稳定而可靠的康复支持。

3.2.2 大拇指支撑块的三维建模

大拇指支撑块在手指康复机械臂中承担着固定大拇指电缸的重要任务。其中，与电动缸的链接采用了旋转销设计，这种旋转销是由铜制材料制成的。由于铜制材料相较于高强度铝合金更加柔软，因此在长期的旋转摩擦过程中，它可以有效地减少大零件的磨损。在长时间旋转运行中，若转动销磨损严重，我们可以简单地更换传动销，从而节约了维修成本。这种设计不仅考虑了功能性，还兼顾了经济性和可持续性。

3.2.3 第一关节支撑块的建模

第一关节支撑块在手指康复机械手臂结构中发挥着固定第一关节和连接手指与手掌的重要作用。为了确保其稳定性和可靠性，我们采用了螺栓链接来固定其与手掌的连接，而与第一关节的连接则采用了铜制转动销的链接方式。这种设计使得在需要维修时，我们可以随机简单地更换相应的配件，从而避免了因使用不当而造成的机械手臂损坏。同时，采用铜制转动销还可以在磨损较为严重的情况下更换转动销，有效避免了更换主要零部件的需要，进一步降低了维修成本和后期保养的成本。

3.2.4 第一关节建模

第一关节是手指康复机械臂中的关键部分，它模拟了人体手掌的第一关节功能。在电动缸的作用下，电缸输出轴前伸，通过连杆的传动，第一关节在转动销的引导下围绕一圆心旋转。这种设计使得五根手指能够模拟真实的手掌动作，其中中指最长，无名指和食指次之，小拇指和大拇指最短。此外，第一关节还起到了固定第二关节的作用，与第二关节形成多连杆结构，在电缸的作用下，与第二关节支撑块的限制下模拟人体手掌手指的动作。为了确保第一关节的顺畅旋转并减少磨损，我们采用了高强度铝合金作为加工材料，并在第一关节的销空中装有无油自润滑铜套，这不仅减小了摩擦，还防止了主要零件的磨损，从而进一步降低了后期维护成本。

综上所述，通过对手臂支撑板、大拇指支撑块、第一关节支撑块和第一关节的详细建模和设计，我们确保了手指康复机械臂的稳定性和可靠性。同时，我们还充分考虑了用户的使用体验和维修成本等因素，力求为用户提供更加安全、舒适、经济的康复解决方案。

总结

本研究的主要目标是开发一种针对手指康复的机器人系统。为了实现这一目标，我们通过查阅相关论文、收集数据和进行计算等方法，构建了一个初步的手指康复机器人模型。该模型能够在电机驱动下，实现手指康复运动，从而帮助手指受伤患者在一定程度上有益于他们的康复过程。

在这个研究过程中，我们首先对现有的手指康复技术进行了深入研究，分析了各种技术的优缺点，为我们的康复机器人设计提供了理论基础。接着，我们通过计算和模拟，确定了康复机器人的基本结构和参数，为后续的实物制作和实验提供了依据。

在未来研究中，我们的团队将围绕以下几个方面展开：首先，进一步开发人机互动功能，让康复过程更加智能化和个性化；其次，结合大数据技术，实现康复过程的实时监控，以便更准确地了解患者的康复状况；最后，引入人机数据反馈机制，根据患者的需求和反馈，调整康复计划，以达到更好的康复效果。

总之，我们的研究为手指康复领域提供了一种新的解决方案。通过不断优化和改进，我们相信康复机器人将在未来为更多手指受伤患者带来希望和信心。

参考文献

[1]张帆, 郭书祥, 魏巍. 欠驱动式外骨骼手指康复机器人的设计和仿真[J]. 天津理工大学学报, 2015(2):30-34.

[2] 邢科新, 徐琦, 黄剑,等. 一种新型穿戴式手功能康复机器人[J]. 中国机械工程, 2009, 20(20): 2395-2398.

[3] 郑若隐, 李继婷, 王爽,等. 一种外骨骼式人手康复机器人的设计[J]. 中国康复医学杂志, 2011, 26(8):759-762.

[4] 张珩. 人体手部的建模与分析[J]. 计算机仿真,1998,(2).

[5] 刘博,张玉茹,任大伟,李继婷. 人手食指运动学建模[J]. 机器人,2007,(3).

[6] 张勤超. 手部功能康复机器人机械系统的设计与研究[D]. : 哈尔滨工业大学,2011.

[7] Romano, Roberto, and Eduardo Aoun Tannuri. "Modeling, control and experimentalvalidation of a novel actuator based on shape memory alloys." Mechatronics 19.7 (2009):1169-1177.

[8] Ikuta, Koji, Masahiro Tsukamoto, and Shigeo Hirose. "Mathematical model and experimental verification of shape memory alloy for designing micro actuator." Micro Electro MechanicalSystems, 1991, MEMS'91, Proceedings. An Investigation of Micro Structures, Sensors, Actuators,Machines and Robots. IEEE. IEEE, 1991.