基于智能材料的手部康复训练器设计(3)

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手是人们探索和开发世界的重要工具，手功能的削弱和失效不但使患者不能参与社会劳动，甚至失去自理能力，给社会和家庭造成极大的负担。鉴于手部康复训练的重要意义，国内外各大研究机构广泛开展了这方面的研究，目前应用最广泛的手部康复训练交互设备为力反馈数据手套，如已商品化的CyberGrasp，该力反馈数据手套将外骨骼机构安装于手背上用于实现力反馈功能，利用数据手套CyberGlove测量手的姿态，在每个手指上产生最大为12N的力。Rutgers Master Ⅱ是Rutgers大学人机交互实验室研究开发的力反馈数据手套，采用玻璃-石墨气动活塞给每个手指上施加力，既具有手姿态测量能力又具有力反馈功能，静态摩擦力很小，只有0.014N，装置安装于手指与手掌之间，该力反馈数据手套相当轻巧，只有100g，而且容易穿戴，能够对每个手指施加16N的力。Rutgers大学电子与计算机工程系的Scott H Winter和Mourad Bouzit利用磁流变液设计了一种用于手部康复训练的被动式力反馈数据手套[1]，该力反馈数据手套采用外骨骼结构安装于手臂上，其最大的特点是采用了基于磁流变液的被动力反馈执行器，使得稳定性、安全性都能够得到保障，装置总重量不超过100g，没有附加的设备，能耗只有1.65W。哈尔滨工业大学的孙中圣等人利用气动人工肌肉作为驱动器研制的外骨骼力反馈数据手套，具有移动方便、手指自由伸展/握紧、集手姿态和力测量于一身等优点[2]。除了力反馈数据手套外，用于手部康复训练的交互设备还有PHANTOM，美国的 William K. Durfee等人设计的交互设备[3]，该设备利用固定于上臂的外骨骼机构连接至手指实现手的康复训练，美国西北大学的A Khanicheh等人利用电流变液设计了一种带两个旋转手柄的手部康复训练交互设备[4]，该设备可以产生较大的力。2010年，美国西北大学的Mark Sivak等人利用电流变液驱动器研制开发了一个两自由度力觉康复训练器用于手部康复训练[5]。2011年，日本Gifu大学的Satoshi Ito等人研究了运动辅助康复训练器用于手部残疾的患者康复训练[6]。国内的力交互技术起步相对较慢，能够用于手部康复训练的交互设备也不多见，除了哈尔滨工业大学[7]、北航[8-9]等做了一定的研究工作外，东南大学在这方面也进行了初步的探索[10-11]。

1.3 存在的问题

纵观目前存在的手部康复训练器，大多数是由电机、压缩空气、电磁场等驱动的主动型装置，主动型装置灵活性好，但由于主动型康复训练器稳定性、安全性相对较差，特别是出现故障时很容易失去控制，对患者造成二次伤害。另外，利用数据手套作为康复训练器能够对每个手指运动功能及手的协调性等进行康复训练，但外骨骼机构需要穿戴到患者的手上，使用不便并容易对患者造成二次伤害。也有部分研究机构利用智能材料设计手部康复训练器，但因结构的不合理使得实用性不强而得不到推广。总之，目前的大多数康复训练器结构复杂、体积庞大、价格昂贵、操作难度大并且需要医护人员现场看护，这给康复训练设备进入家庭和社区带来很大的困难。

1.4 研究的主要内容源Y自Z751W.论~文'网·www.751com.cn

针对以上问题，本文以磁流变液为功能材料，设计了一种便携式手部康复训练器，该训练器采用被动方式驱动，实现患者的主动训练；设计控制电路，患者能够根据自己的康复情况适时调整训练难度；设计康复训练游戏，康复训练器与康复游戏配合，可有效地提高患者参与训练的积极性和主动性；设置多种传感器，患者的康复效果可实时的测量和评估出来，可增强患者康复的信心。该设备具有安全稳定、体积小、结构简单、重量轻、容易操作等优点，它的研制成功将具有重要的意义和广泛的应用前景。