基于柔性仿生关节的康复外骨骼机械手设计及运动性能分析

为解决传统康复外骨骼机械手的手指关节旋转中心不一致的缺点，设计了一种基于柔性仿生关节的康复外骨骼机械手。基于欧拉伯努利梁理论及伪刚体模型，使用有限元仿真分析研究外凸圆弧形柔性铰链的刚度特性方程，提出柔性仿生关节的设计方法。对手部外骨骼进行结构设计并进行样机制作，通过实验验证其运动性能。该外骨骼机械手手指最大弯曲角度可达115°，在该角度下的指尖力可基本保持在2.7 N左右。实验结果表明，该外骨骼可以实现手指关节活动度被动训练，并可辅助抓握物品。本研究利用了柔性仿生关节解决了传统外骨骼机械手关节旋转中心不一致的问题，可用于手功能障碍患者的康复训练和日常生活辅助。

随着人口老龄化和人们生活方式、饮食习惯的改变，脑卒中发病率逐年升高[1]。脑卒中患者会伴有不同程度的偏瘫后遗症以及中枢神经损伤， 其中运动功能障碍是最为常见的后遗症。

现代康复实践表明， 有效的康复训练能够降低致残率，同时加速脑卒中患者的康复进程[2]。但是，超过60%的患者在康复后期仍然存在上肢功能障碍，特别是手功能障碍[3]。传统治疗方法需要康复医师进行一对一的康复护理， 治疗成本较高且不适于家庭康复训练。外骨骼机械手可以很好的解决传统治疗方式的缺陷，帮助患者进行重复繁杂的康复训练，有效改善偏瘫患者的手部运动功能。对于手功能无法完全恢复的患者，外骨骼机械手也可进行日常生活辅助。

随着康复机器人技术与临床医学紧密结合，各种各样的外骨骼机械手被开发出来，其中主要包括刚性外骨骼机械手和柔性外骨骼机械手。刚性外骨骼机械手一般由多个连杆或者齿轮传动结构通过刚性铰链相互连接构成，其利用驱动器驱动刚性连杆从而带动手指运动[4] [5] [6]。这种结构可以实现对手指每个关节的控制，由于刚性铰链连接会出现旋转中心发生偏移的情况(如图2a 所示)，可采用连杆滑槽等结构来补偿手指关节旋转带来的额外位移。但此类外骨骼通常结构复杂，体积较大，且穿戴舒适性差[7]。

而柔性外骨骼具有较强的适应性、较为轻便的结构，有效解决了旋转中心偏移的问题，更加适合执行日常生活活动与操作[8]。

哈佛大学Polygerino 等人利用软体机器人技术研制了一款软硅胶气动外骨骼手套。

基于人手指的运动特性，利用气泵调节气腔的压力来重建手指所需的弯曲运动。但驱动元件较大较重， 不利于随身携带[9]。

美国哥伦比亚大学Park 等人提出了一款辅助手指伸展的手部外骨骼。该外骨骼手将驱动原件以及执行器机构都放置于手背侧，提升了绳索力传递效率。但该外骨骼手只能提供单向伸展运动，无法满足肌无力患者的需求[10]。伊朗德黑兰大学Hadi 等人设计了一款采用形状记忆合金肌腱驱动