基於增強柔性氣動執行器的可穿戴上肢康複機器人的研製

由中風、運動損傷或交通事故引起的上肢運動障礙限製了日常生活活動的能力。正確科學的關節康複訓練是上肢治療過程中重要的輔助手段，除了必要的醫療治療外。傳統的上肢康複機器人存在結構複雜、順應性差、成本高、可移植性差等缺點。本研究開發了一種新型軟穿戴上肢康複機器人(SWULRR)，該機器人采用增強式軟氣動執行器(rspa)，可承受高壓，具有良好的負載特性。在rspa的驅動下，這種便攜式SWULRR可以進行手腕和肘關節的康複訓練。在此基礎上，分析了一種SWULRR的運動學，並對RSPA的受力和運動特性進行了實驗研究。研究結果為可穿戴上肢康複機器人的研製和應用提供了參考。通過對手腕旋轉角度和RSPA壓力的實驗研究，檢驗康複訓練效果，驗證理論模型的合理性。對腕部康複訓練過程進行了測試和評價，結果表明，SWULRR配合rspa可提高康複訓練的靈活性、舒適性和安全性。本工作有望促進基於模塊化增強柔性氣動執行器的可穿戴上肢康複機器人的發展。

為了使患肢各關節的運動功能盡快恢複，對各關節進行正確科學的輔助康複訓練是除傳統醫學治療外必要的輔助方法[1，2，3.］．運動障礙上肢關節的康複訓練可由康複機器人進行，以防止肌肉萎縮[4，5，6，7］．

傳統的康複機器人多采用電機驅動的剛性外骨骼結構，可以幫助上肢在康複訓練中取得成功[8］．剛性康複機器人可為患者手臂提供支撐和保護，具有運動控製精確的優點[9］．然而，剛性外骨骼結構的柔韌性較差，可能會由於剛性結構的快速運動或不適當的控製所產生的衝擊力而對關節造成二次損傷[10，11］．訓練時，康複機器人末端的矯形器需要固定在患者上肢上[12，13]，但剛性外骨骼結構很難與人體關節精確匹配。這限製了人體的活動範圍，通常會使病人感到不適[14］．此外，傳統的康複訓練係統價格昂貴，且結構複雜、笨重、不可攜帶，這意味著康複訓練隻能在固定的地點進行，而不能在患者醫療需求需要的地方進行[15，16］．

為了提高傳統剛性康複機器人的性能，許多研究者嚐試在康複機器人中加入柔性部件。許等人。[17，18，19在康複訓練中應用電纜驅動技術。隨著近年來軟質材料的快速發展，軟質執行器已逐漸應用於機器人輔助康複領域，如氣動人工肌肉[20.，21，22]，形狀記憶合金[23，24]，以及各種聚合物囊[25，26]，克服了傳統剛性康複機器人的缺點[27，28］．李等人。[29]設計了一個柔軟的仿生外骨骼機器人，具有7個自由度，由肌腱驅動，以幫助中風患者。Andrikopoulos等人[30.]設計了一種氣動肌腱驅動的手腕外骨骼康複機器人，通過控製四個氣動肌腱的長度，使手腕實現兩個自由度的運動。Oguntosin等人[31]提出了一種基於聚乙烯軟致動器模塊的上肢康複機器人，通過對每個致動器模塊進行擴展，實現肘關節和肩關節的康複訓練。奧尼爾等人。[32]設計了一種可穿戴軟肩康複機器人，利用兩種柔性編織織物氣動執行器實現肩關節康複訓練。由軟執行器驅動的康複機器人可以避免因操作不當或突發事故對患者造成二次傷害，具有較高的人機交互安全性和良好的應用前景的優勢[33，34，35，36］．

本研究的主要貢獻來自於一種新型可穿戴康複機器人的開發和實驗評估，該機器人由增強軟氣動執行器(rspa)驅動，可為康複提供足夠的驅動力。新型RSPA由熱塑性聚氨酯(TPU)複合囊和彈性支架組成。TPU複合材料膀胱的表麵被一層高強度尼龍材料層壓，形成增強膀胱結構，與傳統膀胱相比，它可以承受更高的壓力，同時保持靈活性。將這些新型柔性執行器應用於可穿戴柔性外骨骼機器人，用於人體上肢康複。這種便攜式可穿戴康複機器人可以通過rspa的擴展和變形對腕、肘關節進行康複訓練。

本研究設計的穿戴式康複機器人具有以下特點:(1)可根據患者的需要進行腕、肘關節的康複訓練;(b)由軟構件組成，具有較高的人機交互安全性;(c)機器人本身及其維護成本極低;(d)可根據患者的需要隨時隨地進行康複訓練，具有較高的可移植性，便於獨立使用。

本文的結構如下。節2介紹了RSPA的設計思想和由RSPA驅動的軟穿戴式上肢康複機器人(SWULRR)。節3.，報告了SWULRR的運動，並以腕關節為例詳細分析。節4，對RSPA和SWULRR的力學和運動學特性進行了實驗研究和評價。最後，在第一部分中報告了本研究的結論和未來的研究方向5．

RSPA設計

如圖所示1(a) - (c)， RSPA主要由一個彈性支架、一個法蘭座、一個偏轉板和兩個TPU複合氣囊組成。法蘭座和TPU複合氣囊嵌入由矽橡膠組成的彈性支架內。該TPU複合囊主要由TPU薄膜和表麵與高強度纖維材料層壓而成的增強囊結構。法蘭座的底部用TPU複合氣囊固定，並包裹在彈性支架中。法蘭座的頭部從彈性支架延伸出來，並使用螺栓連接到偏轉板。在偏轉板中設計了一個矩形通道，以方便尼龍帶通過和滑入。尼龍帶兩端與可穿戴載體連接。此外，在彈性支架底部還預留了一個矩形通道，通過該通道將RSPA通過魔術貼連接到可穿戴載體上。這樣就可以根據康複需要，在腕關節或肘關節的適當位置安裝rspa。

如圖所示1(d)偏轉板中心有一個薄膜傳感器，它可以測量RSPA與尼龍帶之間的擠壓壓力，並將壓力信號傳輸到計算機，以避免過度用力對患者造成潛在的二次損傷。

SWULRR設計

所提出的SWULRR由固定在可穿戴載體上的多個模塊組成，包括RSPA、控製係統和氣管模塊，如圖所示2．可穿戴載體由手掌、前臂、肘部、上臂和肩膀五個部分組成，按照人體工程學標準設計。可穿戴載體采用醫用織物製成，柔軟舒適，具有彈性。可穿戴載體的鬆緊度可根據患者的需要進行調節，保證舒適度。

RSPA通過尼龍帶和魔術貼固定在可穿戴載體上，可根據康複要求安裝在腕關節或肘關節的相應位置。當RSPA起作用時，TPU複合氣囊充氣並將尼龍帶向外推。由於尼龍帶不能伸展，所以皮帶連接點之間的距離減小。這樣，可穿戴載體彎曲，帶動關節旋轉。以腕關節為例，考慮到腕關節隻有兩個運動自由度，需要在腕關節周圍布置4個rspa來驅動腕關節進行康複運動，如圖所示3.．

SWULRR中的控製係統模塊布置在基於最小容積原理設計的控製盒中，主要包括氣泵、控製閥、控製電路、氣動管路等。各關節康複運動的控製策略可通過特定的默認動作和受力策略來實現，具有實時控製和人機交互頻率高的優點。控製箱尺寸為250mm ×150 mm × 100mm，重量僅為2.8 kg。控製盒由用戶放在背包中攜帶，完全滿足便攜性的要求，並消除了對使用時間和地點的限製。為了提高SWULRR的實用性和智能化，控製係統配備了各種力傳感器，實現多種控製模式，包括自動、手動和升壓模式，可以使用紅外無線遙控進行切換。在自動模式下，康複機器人可以根據預先設定的訓練計劃進行科學的訓練。在手動模式下，患者可根據需要進行獨立訓練。

本文所設計的SWULRR的功能主要是通過放置在手腕或肘關節周圍的RSPA中所包含的TPU複合囊的膨脹和膨脹來實現的，從而驅動相應的關節旋轉。由於每個關節采用相同的RSPA，運動機製相同，因此選擇腕關節進行詳細的運動分析。

如圖所示4，ABCD為TPU複合囊不展開時尼龍帶的初始位置。點一個尼龍帶的固定位置是在手臂上，和點D是尼龍帶在手上的固定位置。行廣告為臂與RSPA的接觸麵，與臂軸平行。當TPU複合氣囊充氣時，尼龍帶到達一個' b 'C會的位置。

在直角三角形上應用勾股定理B＇一個＇P₁點與點之間的距離一個“和點B”可以表示為:

在哪裏h是偏轉板和RSPA底麵之間的距離，Δh為TPU複合氣囊充氣後偏轉板的膨脹高度，l_一個手腕關節之間的距離是旋轉中心嗎O和RSPA的底麵，l_B在臂軸上的投影長度是點之間的距離嗎B和點O，r_一個到點的距離是多少一個對點O，ϕ線與線的夾角是多少AO臂軸，還有\α(\ \)是手腕關節的旋轉角度。

旋轉角度之間的關係\α(\ \)的手腕和膨脹高度Δh可表示為:

在哪裏\ (J = 2 r_{} \離開({h + \δh + L_{一}}\)\)，\(K = 2L_{B} r_{A}\)，\ (R = \離開({h + \δh + L_{一}}\右)^ {2}+ L_ {B} ^ {2} + r_{一}^ {2}+ L_{一個^ ^ {\ '}B {\ '}} ^ {2} \)．

由於尼龍帶的長度是恒定的，可以由以下幾何關係得到:

在那裏,l₁，l₂而且l_3.直線的投影長度是多少AB，公元前而且CD在初始時間的RSPA的底麵上。

腕關節中心力矩平衡方程可表示為:

在哪裏T是尼龍帶在手上的力;l_T點之間的距離是多少O和行AB；G是手的引力;l_G手重心和關節旋轉中心之間的投影距離是多少O在臂軸上的初始力矩;θ是臂軸與水平麵的夾角。

尼龍帶的受力可以表示為:

l_T根據幾何關係可表示為:

在那裏,γ線與線的夾角是多少一個b和行BB”．

行BB”而且一個傳聞是否在點上延伸和相交P₂．的價值γ三角形上的餘弦定律可以得到B 'P2A '．

在哪裏\(\眉題{{B ^ {\ '} P_ {2}}} = h + \δh + L_{一}+ L_ {B} \ tan \離開(θ}{\α+ \ \)\)，\(\眉題{B ^ {\ '} ^ {\ '}} = l_{一個^ ^ {\ '}B {\ '}} \)，\(\眉題{{^ {\ '}P_ {2}}} = r_{一}+ \壓裂{{L_ {B}}}{{\因為\離開({\α+ \ varphi} \右)}}\)．

函數的表達式T(Δh)可通過代入方程式得到。（2), (7)和(8)轉化為Eq. (6)．當RSPA擴展高度為Δ時h，在垂直於直線的方向上所需的力公元前可以表示為

在哪裏\ \(β= \反正切\壓裂{{l_ {3}}} {{h + \δh}} \)，β線與線的夾角是多少B 'C '和行C會”．

由以上分析可知，受傷關節的膨脹高度、RSPA力和旋轉角度是相關的。根據給定的參數可以求解SWULRR的輸入輸出參數。

為了確定RSPA在阻力和膨脹壓力作用下膨脹高度的關係，基於測力係統對RSPA進行了測試，該測力係統由數字測功儀、數字稱和控製係統組成，如圖所示5數字測力計和數字稱都具有數據存儲和通信功能。將數據傳輸到上位機，上位機記錄測試過程，並顯示變化曲線。

在實驗中，對RSPA中的TPU複合材料囊體施加不同的壓力，通過在給定壓力下改變測功機的位置來控製RSPA的膨脹高度。膨脹高度的值可以用數字刻度讀出，RSPA上的力可以用測功機讀出。RSPA的壓力、力和膨脹高度之間的關係如圖所示5(b)。

為了更直觀地觀察三個參數之間的關係，選取並繪製了5條力與膨脹壓力的關係曲線，如圖所示5(c)，適用於RSPA的膨脹高度為0、10、20、30及40毫米。然後選取並繪製膨脹高度與膨脹壓力關係曲線5條，如圖所示5(d)，當力為0、100、200、300和400 n時，可以從圖中觀察到5(c) - (d)當膨脹高度相同時，壓力的增加會增加RSPA的承載力。當加載力相同時，膨脹壓力的增加會增加RSPA的膨脹高度。當膨脹壓力相同時，力的增加會降低RSPA的膨脹高度。

由上述運動分析可得到關節旋轉角度與RSPA膨脹高度的關係。因此，患者可以根據受傷關節的角度和康複訓練所需的力量來確定合適的充氣壓力。

在SWULRR中使用rspa時，必須對康複訓練效果進行測量。為了消除人為因素的幹擾，我們用假肢進行了實驗測試，如圖所示6．

實驗中，安裝在手腕關節處的RSPA通過不同的氣壓充氣，通過安裝在手上的姿態傳感器記錄手腕旋轉角度數據。通過姿態傳感器檢測手腕關節在不同氣壓作用下的角度變化，並通過藍牙模塊將角度數據發送到上位機進行實時記錄。RSPA的充氣壓力與安裝在實驗測量上的手腕旋轉角度之間的關係曲線如圖中藍色線所示7，由運動理論推導出的RSPA充氣壓力與手腕旋轉角度的關係曲線在圖中用紅線標出7．

從圖中可以看出7在膨脹壓力0 ~ 0.2 MPa範圍內，實驗曲線與理論曲線存在一定誤差，最大標稱誤差為8.7%。可以發現，誤差主要是由於手腕康複運動過程中SWULRR的阻尼造成的。因此，在RSPA氣壓相同的情況下，手腕關節的實際旋轉角度小於理論旋轉角度。

從圖中也可以看出7手腕旋轉角度範圍為0°-26.4°。根據以上分析，可以通過擴大RSPA來控製手腕的康複訓練角度。因此，可以通過增加TPU複合囊的數量來增加RSPA的膨脹高度，從而增加關節的旋轉角度。換句話說，RSPA內部的TPU複合囊的數量可以根據每個關節所需的訓練角度來確定。

為了研究SWULRR在實際康複訓練中的依從性和安全性，選取腕關節進行rspa關節運動特性實驗。手腕關節的角度數據通過安裝在手上的姿態傳感器獲得，並發送到上位機實時記錄。記錄的腕關節角度變化曲線如圖所示8．

如圖所示8，柔性康複機器人的運動是柔順的，在腕關節單向運動時不會對關節造成二次損傷，是安全的。

正確科學的康複訓練可以幫助患者快速恢複上肢各關節的功能。傳統的康複機器人多采用剛性外骨骼結構，具有運動控製精確的優點，能滿足康複的要求。然而，剛性外骨骼結構有一些缺點，如柔韌性差，不舒服，有可能發生二次損傷。此外，傳統的康複係統結構複雜，醫療成本高，可移植性差，不能根據患者的需要隨時隨地進行康複訓練。

提出了一種新型的增強柔性氣動執行器(RSPA)，主要由一個彈性支架和兩個TPU複合氣囊組成。TPU泡囊的表麵用一層高強度尼龍材料層壓，形成增強的TPU泡囊結構，可以承受更高的空氣壓力，同時保持傳統泡囊的靈活性。將該方法應用於柔性可穿戴上肢康複機器人(SWULRR)樣機的研製中，該機器人可根據患者的需要對人的腕、肘關節進行康複訓練。該機器人采用了人機交互安全性高的軟結構，采用了便攜性高的小型化控製係統，保證了獨立使用。

介紹了SWULRR的運動，並以腕關節為例進行了詳細的分析。分析並得到了RSPA的膨脹高度、輸出力和損傷關節旋轉角度之間的關係。根據給定的參數可以求解SWULRR的輸入輸出參數。搭建了RSPA實驗平台，分析了RSPA的受力、壓力和膨脹高度之間的關係。便於患者根據受傷關節的角度和康複訓練所需的力量，確定合適的充氣壓力。為了檢驗康複訓練的效果，驗證運動理論分析的合理性，對RSPA手腕旋轉角度和壓力進行了實驗研究。最後，對腕部康複訓練過程進行了測試和分析，結果表明，穿戴式康複機器人不會對關節造成二次損傷，提高了康複訓練的安全性。

未來的工作將集中於RSPA的力學分析和可穿戴康複機器人的性能參數分析。此外，由於柔性連接和軟結構在可穿戴軟康複設備中的廣泛應用，康複訓練的精確控製仍然是一個值得進一步研究的課題。

不適用。

國家自然科學基金(資助號:51975505、U2037202);河北省教育廳科技項目(資助號:51975505、U2037202)河北省研究生創新能力培養基金資助項目(批準號:SLRC2019039);河北水利電力大學河北省工業機械臂控製與可靠性技術創新中心開放項目(批準號:CXZZBS2021135);JXKF2102)。

作者和聯係

1. 燕山大學河北省並聯機器人與機電係統重點實驗室，河北秦皇島066004

   陳新波，張帥，曹開斌，魏春傑，趙武勉，姚建濤

2. 燕山大學先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室，河北秦皇島066004

   Jiantao麼

貢獻

XC構思了這個項目，設計並製作了機器人，進行了實驗，並撰寫了手稿;SZ分析變形數據並編輯稿件;KC設計製作了機器人並進行了實驗;CW和WZ協助取樣和實驗室分析;JY建議和監督設計並編輯手稿。所有作者閱讀並批準了最終稿件。

作者的信息

陳欣波，1993年生，現為清華大學博士研究生河北省並聯機器人與機電係統重點實驗室，燕山大學，中國．他的研究興趣包括人機係統和軟機器人。

張帥，1994年生，現為清華大學博士研究生河北省並聯機器人與機電係統重點實驗室，燕山大學，中國。

曹開斌，1993年生。他獲得了機械工程碩士學位燕山大學,中國在2019年,。

魏春傑，1996年生，現為清華大學博士研究生河北省並聯機器人與機電係統重點實驗室，燕山大學，中國。

趙武勉，1995年生，現為清華大學博士研究生河北省並聯機器人與機電係統重點實驗室，燕山大學，中國。

姚建濤，1980年生，現任北京大學教授、博士生導師河北省並聯機器人與機電一體化係統實驗室而且燕山大學先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室。他的主要研究興趣包括機電一體化、工程、傳感器和軟機器人。

相應的作者

對應到Jiantao麼．

相互競爭的利益

作者聲明沒有競爭的經濟利益。

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