基于气动人工肌肉并联驱动手腕康复训练器

　　0　概述

　　腕关节是连接手部与小臂的重要关节,由于手部要频繁地去抓取物体、从事各类作业,使用机会特别多,当腕关节突然背伸、倾跌时手掌着地等,经常会引起腕关节的骨折损伤。而在治疗过程中,人们往往忽视骨折愈合后腕关节功能的康复,使腕关节功能部分丢失,例如出现肩关节或腕关节活动不灵,上肢不能上举等症状。所以当骨折基本愈合,就要及时地对患者实施预防、改善腕关节旋转运动受限和挛缩的康复训练。

　　市场上现有的手腕康复训练器通常采用电机驱动,它有3个运动自由度,每个自由度需要一个电机,这样势必造成设备结构复杂、价格昂贵,特别是电机驱动的机械系统刚性大、柔性差,系统急剧变化的冲击力容易造成对手腕关节的损伤。

　　针对上述问题,本文采用气动人工肌肉来代替电机作为驱动元件,充分利用了压缩空气的可压缩性和人工肌肉的柔软性,极大地提高了系统的安全性和柔顺性。并且利用4根气动人工肌肉构成并联驱动方式,可以很方便地实现手腕关节康复训练时所需的多自由度运动。文中阐述了该康复器的总体方案设计、工作原理、气动人工肌肉的制作和控制系统的构成。

　　1　总体方案设计

　　1.1　腕关节的运动

　　腕关节的结构是一种典型的椭圆关节,其运动形式有:

　　(1)屈伸运动构成关节的两骨之间,角度减小叫内屈,角度增大叫外伸。

　　(2)收展运动内收是肢体向躯干靠拢的运动,外展是肢体离开躯干的运动。

　　(3)环转运动骨的近侧端在原位转动,远侧端做圆周运动,使整个骨或肢体运动的轨道形成一个圆椎形。

　　从腕关节的3种运动形式可以看出,手腕的康复训练运动需要3个自由度,腕关节的结构和运动自由度如图1所示。

　　1.2　系统的组成

　　该系统主要由机械装置、气动系统和控制系统3大部分组成。机械装置主要由训练平台、底座、气动人工肌肉、中心支撑杆、训练手柄和小臂固定架等组成;气动系统主要由气源、减压阀和电磁换向阀组成,电磁换向阀控制气动人工肌肉的充、放气;控制系统以C8051F310高性能单片机为控制核心,由电源模块、按键开关盒(手操盒)、电磁换向阀驱动电路及外围电路组成。手腕康复训练器机械装置的构成原理图如图2a所示,气动系统和控制系统的组成原理图如图2b所示。

　　当电磁换向阀接通时,向气动人工肌肉充气,人工肌肉在气体压力作用下产生横向膨胀,而沿轴向产生伸缩位移,从而带动训练平台运动。当控制电磁阀断开时,人工肌肉内的压缩空气向外排出,恢复原位。