一种适用于慢性中风患者的柔性可穿戴额外机器人肢体

摘要

本方案介绍了一种灵活的可穿戴式冗余机器人肢体，专为协助中风患者手指康复而设计。该设计采用弯曲传感器，以实现无缝的人机交互。通过对健康志愿者和中风患者进行实验验证，结果凸显了本研究方案的有效性与可靠性。

摘要

本研究展示了一种灵活的可穿戴式额外机器人肢体，可帮助慢性中风患者进行手指康复及抓握动作。该创新性肢体的设计灵感来源于弯曲式气动肌肉以及象鼻尖端的独特特性，重点强调了轻量化结构、安全性、顺应性、防水性以及高输出-重量/压力比等关键因素。所提出的结构使机器人肢体能够执行包络式抓握和指尖抓握。人机交互通过一个柔性弯曲传感器实现，该传感器可检测穿戴者的手指运动，并通过阈值分割方法将其与运动控制相连接。此外，该系统具有便携性，适用于多种日常场景。为验证该创新的有效性，研究开展了包含六名慢性中风患者和三名健康志愿者的实际实验。问卷反馈表明，该设计机制在辅助慢性中风患者完成日常抓握活动方面具有巨大潜力，有望改善其生活质量及康复效果。

引言

根据先前的研究¹，截至2019年，全球中风病例已超过1亿例。其中约三分之二的病例导致偏瘫后遗症，超过80%的重度偏瘫中风患者无法完全恢复手部和上肢功能²。此外，预计在未来几十年中，人口老龄化趋势将持续加剧，潜在的中风患者数量将显著增加。中风后持续存在的上肢功能障碍会严重影响日常生活活动（ADLs），而手功能康复已被临床公认为提高慢性中风患者活动能力与参与度的关键目标³。

传统的电机驱动上肢机器人装置可提供较大的驱动力，但其刚性结构通常导致体积庞大且重量较高。此外，一旦发生故障，可能对人体造成不可逆的伤害。相比之下，柔性气动执行器在康复⁴、辅助⁵和手术应用⁶中已展现出显著潜力。其优势包括安全性高、重量轻以及固有的顺应性。

近年来，涌现出大量基于柔性气动执行器设计和开发的柔性可穿戴机器人，主要用于中风患者上肢的康复及康复后期辅助。这些机器人主要包括手部外骨骼^7,8和附加式肢体

方案

本方案已获得华中科技大学同济医学院附属协和医院伦理审查委员会批准。选择在作者所在医院康复科门诊及住院部接受治疗、符合诊断标准且存在上肢功能障碍的患者作为受试者。根据Brunnstrom恢复阶段²¹评估患者的运动功能恢复情况，选取处于3-5阶段的患者参与实验。所有参与研究的患者均签署了书面知情同意书。该方案包括气动抓握器的模具设计、基于固化硅橡胶的气动抓握器制作工艺、便携式设备的集成，以及抓握意图检测的软硬件实现。除硅橡胶和普通织物外，所有可穿戴部件均采用3D打印技术制造（见补充编码文件1-5）。

1. 设计与制备气动夹持器

1. 按照 图1A、B 所示组装预设计的模具²²。然后使用热熔胶将玻璃纤维固定在模具中指定的位置，如 图1C 所示。确保使用热熔胶密封所有可能导致硅橡胶泄漏的潜在区域。
2. 称取适量的硅橡胶组分A和组分B（按重量比9:1）（见材料表），并按指定比例混合。混合后，使用带有可变离心力的真空混合脱泡机，离心力由设备内部预设程序确定。混合完成后，立即如

结果

输出力实验
图7 清晰展示了我们驱动器的结构设计与尺寸，并提供了横截面示意图。该驱动器包含两组不同的腔室，每组包含五个优雅弯曲的气室。值得注意的是，在驱动器末端，我们巧妙地集成了一种突出结构，形似象鼻尖端，显著扩大了驱动器的抓取范围。

为评估软体气动执行器的输出力，进行了一系列静态抓取实验。选用单个重量分别为 20 g、50 g、100 g、200 g 和 500 g 的砝码。执行器在适当定位并充气后，随其弯曲并包络砝码而向上提起，以评估是否发生滑脱。实验结果如图8所示，其中图8A-C表示指尖抓取的实验结果，而图8D-F展示包络抓取的实验结果。

讨论

本研究介绍了一种创新的、灵活可穿戴的冗余机器人肢体，旨在协助慢性中风患者进行手指康复和抓握任务。该机器人系统注重便携性，兼具包络抓握和指尖抓握功能。系统集成了柔性弯曲传感器，以实现用户友好的人机交互控制。静态抓握实验验证了所设计机构在两种不同抓握模式下的抓握能力。研究还开展了偏瘫患者的实验，以确认抓握功能并评估用户体验，展示了该机器人在辅助慢性中风患者康复及抓握活动中的应用潜力。

在本研究背景下，关键实验步骤可简要总结如下：（1）在将硅胶注入模具的过程中，必须保持最佳的注射速度。注射过快可能导致产生过多气泡，而注射过慢则可能影响硅胶的流动性。（2）硅胶注入后，可使用真空泵去除硅胶内部的微小气泡。但需谨慎操作，避免长时间暴露于真空泵下，否则可能导致硅胶溢出。（3）为确保所制备驱动器运动的均匀性，必须高度对称地固定玻璃纤维。（4）实验前必须仔细检查驱动器的气密性以及相关设备（包括气泵）的安全性，以确保电路不存在短路风险。（5）由于患者之间病情存在较大差异，且因性别不同导致手部尺寸差异显著，因此必须生产多种尺寸的手套，以满足个体化需求。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
空气压缩机	Xinweicheng	F35L-JJ-24V	为气动夹爪提供气源
Arduino	Emakefun	Mega 2560	单片机/数据采集卡
扩展板	Mujin		集成外部设备
柔性传感器	Spectra Symbol	Flex Sensor 2.2	柔性弯曲传感器
电源	Yisenneng	YSN-37019200	供电
PU快插接头	Elecall	PU-6	PU管连接接头
PU管	Baishehui	ZDmJKJJy	气路连接
硅橡胶	Wacker	ELASTOSIL M4601 A/B	气动夹爪的材料
恒温箱	Ruyi	101-00A	恒温以加速硅胶固化
真空干燥器	Fujiwara	PC-3	进一步脱泡
真空搅拌脱泡机	Smida	TMV-200T	充分混合硅胶并脱除气泡
电磁阀	SMC	NTV1030-312CL	控制气压