柔性可穿戴腕部动力手套的设计与分析丨JME封面文章

提示：点击上方"机械工程学报"↑关注我吧

随着中国迈入老龄化社会，老年人所占的比例不断增加。由于老年人四肢的灵活性不断下降，容易造成骨折、肌肉萎缩等运动性障碍。此外由于事故引起的各种神经性、组织性运动障碍的病人也在显著增加。尤其是人体上肢的腕部很容易受到损伤，影响患者的日常生活，严重时增加家庭的生活负担。为了尽快恢复腕部功能避免残疾的发生，在康复恢复治疗期间除了必要的医学相关技术实现主动治疗外，对腕部进行正确、科学的康复训练是一种非常关键的辅助医疗手段。

传统的康复训练装置大多采用由电动机驱动的刚性外骨骼结构，刚性结构虽可提供支持和保护，但结构柔顺性较差、整体质量大。急剧变化时引起的冲击力易造成关节的二次损伤，同时刚性外骨骼结构很难与人体骨关节完全匹配，在运动过程中会限制人体非康复训练自由度的活动，引起穿戴者的不适感，且不易形成人机友好性交互。另外，其结构复杂、价格昂贵、重量大，不利于应用人群和应用地点的普及。

随着气动技术的快速发展，气动人工肌肉 (Pneumatic artificial muscles, PAM) 成为一种新兴的柔性驱动器，其具有柔顺性、轻量性、绿色性、类生物肌肉力学特性等优点，基于气动人工肌肉的柔性康复助力装置具有集安全性、友好性、便携性、经济性于一体，在医疗康复方面具有重要的应用价值，被广泛应用在康复训练领域。

近几年柔性外骨骼装置引起了国内外学者广泛的关注，2011年OGUNTOSIN等[8]设计了一种基于硅橡胶的肘关节助力装置，2017年O’NEILL等设计了一种基于气囊的肩关节助力装置，2012年SASAKI等设计了一种基于铝箔气囊的膝关节可穿戴康复助力装置。腕部外骨骼装置也得到了深入发展，2015年ANDRIKOPOULOS等设计了一种基于气动人工肌肉的外骨骼腕部助力装置，该装置主要靠四根FESTO气动肌腱的协同配合实现腕部的两自由度运动，并且用ABS材质的刚性连接架起连接、固定和导向作用。此柔性外骨骼装置结构简单新颖，但其布置了较多的刚性部件，并且所用的气动肌腱需要较大的驱动气压影响了其舒适性和便携性。2017年AL-FAHAAM等设计了一种柔性腕部康复机器人，该装置由三根收缩型和两根伸长型人工肌肉协同配合进行腕部屈/伸、外展/内收运动。这种外骨骼结构紧凑适合穿戴，但其伸和缩两种类型的人工肌肉在运动过程中存在非线性耦合。

保证柔性康复训练或助力装置具有优良的性能，一方面在于柔性驱动器的设计和制作，目前应用比较广泛的气动人工肌肉因制作工艺不同其性能也相差甚远，为了提高柔性动力装置的舒适性和便携性，在满足收缩率及驱动力条件下，尽量降低人工肌肉的驱动压力，避免驱动系统庞大笨重。另一方面在于柔性穿戴装置的设计，选择舒适的材质，设计出符合人体工程学的穿戴结构，运用纯柔性的连接方式，能够有效提升柔性动力装置的整体性能。

针对现有问题，燕山大学的姚建涛教授团队设计了一款柔性可穿戴的便携式腕部动力手套，同时具备康复训练和助力功能。他们的该项科研成果作为封面文章发表在《机械工程学报》2018年19期，主要内容如下。

(1) 以装置整体的轻量化和小型化为目标，对动力手套的驱动原理、驱动元件和柔性穿戴装置进行设计，并对驱动、传感及多模式控制系统进行设计。

(2) 针对动力手套穿戴时受力状态进行静力分析，为手套的性能评估提供理论依据。

(3) 通过对人工肌肉及手套整体测试验证柔性驱动器及手套整体性能。

该文从医疗康复产品的安全性、舒适性、便携性、经济性基本角度出发，设计制作了一款穿戴式柔性动力手套，在结构上注重其轻量化设计，在选材上大量应用了柔性材质，在控制上进行硬件紧凑性布局，在功能上集康复训练和辅助助力于一体。通过解析腕部穿戴静力模型，为康复助力过程中动力装置性能参数要求及对腕部作用力提供理论参考。

测试表明手套能够满足康复训练及辅助助力要求，并且应用超薄型乳胶管作为气动人工肌肉的膨胀气囊能够有效地减小其工作气压，有助于供气元件的小型化。

在接下来的工作中，进一步优化柔性驱动器的制作工艺，改进柔性驱动器的驱动结构，实现多维柔性驱动，改善动力手套的整体性能。

手套驱动原理图

动力手套柔性外骨骼装置

手套康复训练运动效果图

穿戴及模式切换测试

姚建涛，男，1980年出生，教授。主要研究方向为机器人机构理论及多维力感知机构。2004年7月毕业于燕山大学机械电子工程专业，获工学学士学位；2004年9月免试推荐至燕山大学机械电子工程专业攻读硕士学位；2006年9月于燕山大学直接攻读机械电子工程专业博士学位，2009年10月毕业获工学博士学位，博士论文获燕山大学优秀博士学位论文。毕业后工作于燕山大学机械工程学院机械电子工程系，2013年3月担任机械电子工程系副主任，2013年5月担任河北省并联机器人与机电系统重点实验室副主任、机械工程学院创新基地主任（兼）。

近5年，主持国家自然科学面上项目1项，国家自然科学基金青年科学基金项目1项，主持国家重大基础研究计划973子课题1项，主持河北省自然科学基金2项，教育部博士点基金1项，军口863子课题1项，河北省高等学校自然科学优秀青年基金项目1项，主持纵向省部级专用项目2项、主持企业新技术合作等项目6项，参与完成国家自然科学基金、国家重大科技专项等国家级项目2项，河北省自然科学基金等省部级项目2项。发表学术论文80篇，其中SCI收录29篇，EI收录51篇；获得国家专利79项（已授权），其中发明专利50项，实用新型专利29项。目前担任国际电气和电子工程师协会（IEEE）会员、机械工程学会高级会员，担任国际著名传感器杂志、国际著名机械学杂志、国内权威期刊“机械工程学报”和 “振动与冲击”等期刊论文审稿专家。2015年入选燕山大学新锐工程人才和河北省新世纪“三三三人才工程”第三层次人选，2015、2016和2017年度机械工程学报优秀审稿专家，2016年评为机械工业优秀科技工作者，2017年获“河北省模范教师”。

自任教以来，先后承担三门专业主干课的教学工作，作为主讲教师参与了《机电一体化系统设计》国家精品课程的申报和建设工作，参与了“先进设计与制造系列课程”国家优秀教学团队的申报和建设工作、参与了省级精品课程《微机原理及应用》的评估建设工作，参与多项大学生科技创新大赛的指导工作，指导的学生获优秀毕业设计5人次，多次被评为学院的优秀青年教师，2014年评为燕山大学教学标兵，2015年被评为燕山大学新锐工程人才。目前指导硕士研究生12名，已毕业研究生7名，其中1人获河北省优秀硕士论文1篇。

李海利，男，1992年出生，博士研究生。主要研究方向为连续型机器人理论及应用。

曹开彬，男，1993年出生，硕士研究生。主要研究方向为柔性医疗康复装置。

寻觅合作伙伴

有一种合作叫做真诚，有一种发展可以无限，有一种伙伴可以互利共赢，愿我们合作起来流连忘返，发展起来前景可观。关于论文推荐、团队介绍、图书出版、学术直播、招聘信息、会议推广等，请与我们联系。

感谢关注我们！我们《机械工程学报》编辑部将努力为您打造一个 有态度、有深度、有温度 的学术媒体！

1.涂层对绕水翼云状空化的运动特性及动力特性影响的试验研究丨JME封面文章

2.钻削CFRP的双顶角钻头磨损及抑制新方法丨JME封面文章

3.基于树蛙脚掌湿黏附的仿生手术夹钳表面研究 | JME论文推荐

4.板结构振动与噪声抑制研究综述丨JME文章推荐

5.基于可拓决策和人工势场法的车道偏离辅助系统研究 | JME论文推荐

6.高速无人驾驶车辆最优运动规划与控制的动力学建模分析丨JME文章推荐

7.大尺寸个体化PEEK植入物精准设计与控性定制研究丨JME封面文章

版权声明：

本文为《机械工程学报》编辑部原创内容，欢迎转载，请联系授权！

在公众号后台留言需要转载的文章题目及要转载的公众号ID以获取授权!

联系人：张强

电话：010-88379891-2

E-mail：cjmezhang@126.com

网 址：http://www.cjmenet.com.cn