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摘 要：随着时代的发展，人们的物质生活得到了极大改善，各种运动成为人们生活中不可或缺的一部分，但运动的同时总是伴随着一定的风险性，因为运动而受伤的人每年都呈现出递增的趋势。经过调查发现，在众多的康复仪器中，对于手腕的康复仪器还没有过多研究，这导致了目前生活中，人们依旧在大部分时间使用绷带夹板或者石膏固定等方式来进行恢复，这些传统的方式有着恢复周期慢，拆卸困难，更换复杂等问题。目前已研究出的腕部康复仪器，大多是大中型仪器，不能携带，无法起到实时保护作用，也无法很好的应用到日常之中。基于此，本文提出一种结合传统绑带夹板与现代传动以及柔性定位的辅助手腕部可穿戴式的周期恢复机器人。
关键词：可穿戴;手腕辅助恢复机器人;设计与控制研究
中图分类号：TP242.3 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2021）04-0000-00
随着时代的发展，医疗有了长足的发展，科学家们根据人体的各种病症，发明出了许许多多的医疗恢复器械，这对众多病症起到了十分有效的治疗效果，然而经过实际调查发现在众多医疗器械中，对于骨折方面的开发研究还不够丰富，其中就没有确切的应用于手腕部骨折扭伤的恢复器械仪器。
经过分析手腕部骨骼分布图，见图1，可以发现手腕部为骨骼密集区，这些骨头分布紧密，也较为脆弱，在受到强冲击或者重压之时容易发生脱臼、扭伤、骨折甚至是骨裂，由于手腕部为经常活动关节，所以恢复周期长、完全恢复难度大。基于此，手腕康复方面的机器人把研究方向定为便于穿戴与携带，便于调整的辅助手腕恢复的周期性治疗机器人，其意在于去辅助治疗由于摔伤、撑地、重压等原因所引起对的手腕处像舟状骨等附近的骨折，通过机器人的结构运动逐步调整角度位置，辅助并加快骨折的康复，同时进行固定，进一步去防止意外而导致的二次受伤情况，并且同时附有固定式治疗仪理疗的功效，从而加强手腕柔韧性与骨骼强度，起到预防保护效果，实现对于手腕部的全方位保护治疗。
本研究创新性的提出了一种整体式的气动柔性管机构，并利用气动柔性管作为主要的弯曲方式，通过气动三元件来对气动柔性管进行加压，从而改变形状。同时本研究根据机械原理的方式设计了机械外骨骼形状，对于手部进行了全方位的保护与包裹，采用齿轮传动与连杆传动等方式实现手指部与手腕部的运动，从而加强防护性与机动灵活性[1]。
1 手腕辅助恢复机器人的外骨骼设计
1.1 腕关节运动形式与运动范围分析
根据腕关节结构可以发现，腕关节整体上属于典型的椭圆关节，分别由以上三种关节构成了上下两种椭圆形的关节面，腕部也是在这上下两个椭圆形的关节面的基础上，可以灵活的做到向前或向后的屈伸运动和左旋或右旋的伸展运动。由于腕骨之间连接性与侧韧带较为坚韧的缘故，导致手腕在做伸运动时受到一定限制，伸运动的运动方式没有曲运动的运动方式幅度大。后文中手腕活动范围角度，见表1，依据手掌朝下，手與前臂伸直成一条直线时开始认为为0°。
腕部的每一个骨骼都有自己的意义和作用，任何一个腕部骨骼出现损伤都会导致腕部运动受到巨大影响。因此当腕部受到首次伤害以后，合理控制腕部的运动范围，从而避免腕部受到二次伤害，同时还要保证康复过程中的合理活动状态，不同的骨骼受伤后的骨骼恢复周期，根据恢复周期与恢复状态适当扩大或改变腕部活动范围，从而加强腕部的自主恢复能力[2]。
1.2 腕关节伤后护理与二次受伤保护
腕部辅助恢复机器人最重要的是在最大程度上保证腕关节处伤后护理的安全性。在受伤初期，手要与手腕以及小臂始终保持水平0°的状态，见图2，这样在保证血液流通顺畅的前提下，保证初期腕部骨折部位骨骼良好定型。因此需要延长外骨骼的腕部下端板面长度，在下端板面引出吊带，吊带可挂在脖子上，以此来减轻抬手臂的压力，并保证手与腕部的水平。
腕部辅助恢复机器人另一重要作用是避免二次受伤，一是腕部活动范围大，导致恢复周期变长，恢复效果变差，面对这种情况就要始终良好的把握住手掌部分上夹板与下夹板的位置，上下夹板的位置控制需要通过气动柔性管进行合理把控，通过气动柔性管的压差变化来控制上下夹板的位置，改变手掌部与腕部的角度位置以及活动范围。二是外力在此冲击手腕部分所导致的腕部二次受伤，因此为避免这种情况发生，将手腕部由上下夹板的结构创新性的改为，椭圆环形全包裹式一体结构，利用椭圆形抗冲击，分散局部力的作用效果，可能保证手腕部能更好的避免冲击而带来的二次受伤。三是要尽量避免因手指部分戳伤，而导致的连带性腕部损伤，因此外骨骼结构设计将全方位的对手指进行包裹性保护，采用3D打印技术为每个手指制作指套，每根手指关节都将采用连杆进行辅助连接，来保证手指抗冲击能力。四是要避免寒冷天气所带来的骨骼疼痛的症状，因此在手腕部分将搭载电极板来进行加热，保证手腕部分的血液流通以及腕部温度。
1.3 外骨骼自由度分析
外骨骼由9个球面副和3个球销副组成，由弹簧k1连接g1杆与g2杆，经过实际分析可以发现弹簧k1为系统提供一个自由度，通过机构简图，见图3，可以发现在图中总共存在11根杆，同时包含有16个转动低副，经过自由度的计算可以得到，外骨骼的整体自由度数量为2，由于外骨骼实际应用时，转动副1与转动副13会被气动柔性管所固定，弹簧k1被手掌厚度所决定，因此可以进一步对转动副1与13以及弹簧进行等效，得到新的机构简图，见图4。
根据图4的外骨骼简化机构简图，可以进一步计算自由度为4，在实际穿戴过程中，手指部分的三个指节都可以主动弯曲，因此可以得到在机构简图中有三个主动件，由于主动件数量小于简图的自由度数量，因此机构的运动不确定，可以在平面内任意运动[3]。 1.4 外骨骼力学分析
1.4.1 宏观力学分析
由于外骨骼的主要目的是要保证手腕部不会受到伤害，创新性的将腕部外骨骼设计成椭圆形的拱形形状，利用拱形原理，来尽可能的分散力的作用，从而起到减小冲击的目的。拱形原理是在拱形承受压力时，能把压力向下向外传递给相邻的部分，使受到的力分给不同的受力点，因此比起单面受力形状的物体来说，拱形能承受的力更大。
利用拱桥式的以拱肋为主要承重构件，其受力特点是拱肋承受压力、支承处承受水平推力。拱桥式的最大的结构特点是当受到竖向压力的作用下，常见的直梁下侧受拉，上侧受压，根据材料的特性，由于外骨骼将采用3D打印技术，因此所选用材料为plv塑料，抗拉性能远远低于抗压性能，若将矩形直梁改为拱形之后，外骨骼上面的荷载通过拱圈传递推力给拱座，拱座将被设计为承重支撑物，因此两侧边的拱座加厚来承受拱圈传递的推力。这样的结构可大大减小构件下侧的拉应力，甚至使得构件内不出现拉应力，能更加良好的保证外骨骼的受压承重能力，提高了结构的承载能力，从而进一步避免腕部的二次受伤。根据拱形原理設计出了腕部外骨骼形状，见图5。
1.4.2 微观力学分析
外骨骼的拱形结构采用的是半椭圆凸弧，通过拱形与平面力的作用效果的力-位移曲线图可以发现（见图6）。当水平位移相同时，两者同时竖直方向上的速度为0时，根据微积分原理，拱形所产生的功会更少，因此所产生的平均作用力也就更小，因此拱形相较于平面在整个冲击过程中所受到的平均压力也会更小，因此拱形更适合于作为外骨骼的形状，从而来避免二次受伤[4]。
1.5 腕关节辅助恢复机器人外骨骼建模
为了保证恢复和保护效果，概念性的提出了手部以及腕部的全方位包裹式的外骨骼设计思路，为使手指部分可以灵活转动，在手指节连接处采用45#号钢材的M4的螺钉进行连接，利用销固定好指节之后，为防止指节的过度弯曲所带来的手腕的牵扯疼痛，设计了连杆装置，连接于每个指节之间，起到指节与指节之间弯曲时的交互，并避免了指节弯曲过度对手腕的伤害[5]，见图7。
为保证腕部具有一定的活动范围，因此需要通过下侧的气动柔性管来控制弯曲程度，通过上方气动柔性管来控制上下夹板之间的大小，控制手腕及手掌的活动范围。同时在手腕部与手掌部之间通过齿轮传动的方式进行连接，手腕部前端被设计成一种1/4齿轮，在手掌上端设置有一个全齿轮，当气动柔性管弯曲时会带动手腕部1/4齿轮旋转，进一步带动手掌上面的齿轮旋转，由于设有气动柔性管，因此上方的气动柔性管起到了使得腕部与掌部齿轮传动自锁的效果，使得齿轮之间啮合严密，不会松动，避免造成对手腕的裹夹性不足而带来的不良后果。
2 气动柔性管的使用与搭建
2.1 气动柔性管工作原理
气动柔性管采用长方体的设计结构，中间采用空腔的设计原理，利用上下两侧的管层壁厚不同来实现气动弯曲的目的。气动柔性管通过采用软橡胶为材质制作而成，气动柔性管的空腔，充当气囊的作用，通过气动三元件向内冲压把气体压入空腔之内，改变空腔内的压强，由于上下侧的管层壁厚的不同，使得随着气体的充入，空腔内压强的增加，管层薄壁层的弯曲形变量会大于管层厚壁层的弯曲形变量，从而进一步使得气动柔性管向管层厚的一方弯曲。
2.2 气动柔性管的设计
根据需求手掌下夹板端与腕关节连接的气动柔性管需要从手腕部分一直延伸到手掌部分，经过测算气动柔性管的长度为150mm，由于需要气压的精准控制，因此需要避免因气压的小幅度变化所引起的，气动柔性管弯度的较大幅度改变。由此上下侧的壁厚均不能设计太薄，同是上下侧的壁厚差距应稍大一些，因此把上壁厚设为2mm，下壁厚设为9mm。放置于手掌部和手腕部下方的气动柔性管，因为要承担支撑以及稳定的作用，因此采用整体式的设计思路，设计成扁长形的长方体形状，从横截面来看，宽度为50mm，高度为25mm，两侧的壁厚为4mm。
根据需求，由于手掌上夹板与腕关节之间存在齿轮连接，因此手掌上夹板与腕关节连接的气动柔性管需要避开齿轮连接的地方，故采用两根气动柔性管，分列与齿轮的左右两侧，由于上侧的气动柔性管的作用是控制手掌的整体活动区间，因此上侧的两根气动柔性管需要完全一样，才能保证上夹板的左右平行与活动空间的稳定均衡。因为气动柔性管处在上侧，因此根据扇形的结构特点，上侧的气动柔性管要比下侧的气动柔性管要长，因此取长度为160mm的两根气动柔性管。同下侧的气动柔性管设计结构一样，由于上侧的气动柔性管也是下弯曲，因此气动柔性管从横截面来看时的上壁厚度要小于下壁厚度，左右两边的壁厚要相等，因此上壁厚去2mm，下壁厚取8mm，左右两端壁厚取4mm，从横截面来看，宽度为20mm，高度为20mm。
利用3D打印技术设计出气动柔性管的两种模具，向两模具中分别注入硅橡胶液体等待冷却，冷却后取出浇筑出来的3根气动柔性管，完成气动柔性管设计制作。
2.3 气动柔性管的测试
由于气动柔性管在外骨骼的设计中主要作为一种驱动力使得手掌部分的上下夹板发生弯曲，因此需要测量出当施加不同的压强时气动柔性管弯曲所带来的压力的大小，因此根据需求设计了一款压力传感器检测装置，利用压力传感器来检测随着气体的充入气动柔性管产生弯曲所带来的压力大小。在使用过程中，先把气动柔性管装入压力传感器装置中，厚壁一侧贴紧压力传感器一侧，向气动柔性管内部充压，由于气动柔性管的上下两壁厚的不同，导致气动柔性管有了一个向压力传感器一端弯曲的趋势，随着气压的逐渐增大，会给压力传感器一个逐渐增大的压力，根据压力传感器测出的压力与加入气动柔性管内部的气压，可以得到压力-气压-角度关系曲线，见图8。
2.4 气动柔性管的密封
气动柔性管在充进去气体以后就会与气动三元件分开，为保证气动柔性管内的压强一定且不会发生漏气等现象，因此需要对气动柔性管进行密封，而由于气动柔性管并不是一次性使用品，所以要采用可反复充气放气的结构来对气动柔性管进行密封，因此联系到自行车轮胎的结构，决定采用气门嘴来进行密封，通过气门嘴来控制管内的气压变化。在气动柔性管中气门嘴的作用是作为充气的接口及放气的阀门，并保持所充空气不会外泄，并采用的是铜制的气门嘴，气门嘴主体装有像单向阀一样工作的气门芯，压缩空气能充入内胎里而不能自由漏气，来保证气动柔性管的功能。 3 理疗机构的搭载使用
3.1 电热片的选择
为避免因低温而导致的血液流通不畅与骨骼隐痛问题，将采用电热片的方式来使得腕部的温度维持在一个温暖的温度之下，保证血液的流通，保证腕部恢复周期的稳定，从而起到稳定的辅助保护作用。通过查阅各种电热片的工作原理与使用参数，最终只有石墨烯电热片与碳纤维电热片能很好地满足需求。经过进一步对比碳纤维的电热板在经济层面更好，同时碳纤维电热板还附带合理波长的红外线可以对手部起到更好的促进血液流通、缓解局部镇痛、减轻手腕部疲乏感的作用，因此最终选用了碳纤维电热板。
3.2 碳纤维电热板的制热原理与优点
碳纤维电热板采用的是非金属的碳纤维发热材料，与高强度绝缘材料经高温高压密闭复合而成一种加热器件，通过连接电源以后开始产生热量。在施加电压之后碳纤维中的微晶体会在电场作用下，产生大量的碳晶分子团，并且这些大量的碳分子团将迅速产生“布朗运动”，实现了把“电能向热能”的转换。碳纤维晶体板的表面与紧贴碳晶板的其他物体或空气形成温差，并根据热传递规律——热量的传递方向永远是由高温体向低温体的方向传导。因此，碳纤维产生的热量会向周围的物体或空气传递，从而提高环境温度。由此使得碳纤维板在充电以后具有了加热的功效。
同时由于碳纤维板的特殊结构特性，导致碳纤维板在通电之后，在电场的作用下，碳晶分子团会产生大量波长在8～15um的遠红外线。远红外线如同太阳光线的辐射能，极易被人体或物体吸收，使体温迅速升高。并且由于电热板所产生的红外波长在5～15µm之间，这种红外线波长是人体最匹配的红外波段，故被医学界誉为能够治愈疾病的“生命之光”，这种波段的红外线可以激活人体细胞组织，并与人体细胞组织形成共振吸收，促进机体新陈代谢，有明显的理疗功效。这种有碳纤维板形成的红外线，正适合与应用到手腕康复之上，既可以增强手腕部的热量，使得血液流通更加通畅，又可以促进新陈代谢，缩短腕部恢复周期红外线，增强骨骼强度。
3.3 电疗脉冲按摩片的搭载
电疗脉冲按摩片，采用的是低频电流引起的肌肉的收缩或放松，这种低频电流又被称为电疗式按摩，在医学上被叫作无针针灸。利用肌肉的泵作用的原理来进行按摩放松，当有低频电流时，这时肌肉将处于收缩状态，会将含有代谢物的血液输送出，当低频电流减弱时肌肉开始放松，此时血液开始大幅度输入，通过这样的动作循环往复，从而来帮助血液流通更加通畅，并进一步放松肌肉，缓解疼痛，对于恢复起到一定的辅助作用。
由于目前电疗脉冲按摩片的研究已经市场化，因此将直接在外骨骼上面搭载电疗脉冲按摩片，电疗脉冲按摩片将直接搭载于腕部的外骨骼上面，由于上文说到腕部的外骨骼采用的是拱桥形的结构设计，并且由于腕部外骨骼上部采用的是齿轮连接的方式，因此电疗脉冲按摩片不适合加载到腕部外骨骼的上部，因此将把电疗脉冲按摩片加载到腕部外骨骼的下方，见图9。电疗脉冲按摩片放置于外骨骼的内部与腕部皮肤能直接相接触，中间电源以及控制单元将采用嵌入式的方法，在腕部外骨骼底端流留出核心单元的地方，从内往外安装电疗脉冲按摩片，同时为保证按摩片能更好的贴紧手腕皮肤，因此将在按摩片与腕部外骨骼之间添加松紧带，让电疗脉冲按摩片完全贴合于松紧带上面，并且当手部套上外骨骼以后，由于松紧带的作用，按摩片会更加紧密的贴在皮肤之上，从而起到最好的辅助效果。
4 结语
经过试验分析可穿戴式手腕周期辅助恢复机器人能很好地起到保护效果，同时由于气动柔性管的结构特性使得可穿戴式手腕周期辅助恢复机器人有很强的机动性，能够很好地代替传统的绑带治疗，同时进一步弥补了固定式手腕恢复治疗仪笨重移动困难的问题，有很强的市场性与发展空间，本研究的可穿戴式手腕周期辅助恢复机器人有很高的延展性，可以拓展外接更多的辅助恢复以及应用模块，以便来实现更多的丰富的功能。因此综上所述，可穿戴式手腕周期辅助恢复机器人可以说是一款集成度高、发展性强、应用性广、效果优良的手腕治疗仪器，从全方位起到了对于手腕的辅助保护作用，也因此对于手腕部治疗有着重要意义。
参考文献
[1] 陈志美，曾俊，程勤何，等.自制手腕一体固定带在麻醉恢复室中的应用[J].护理学杂志，2010，25（6）：74.
[2] 王传伟，单泉，陈砚，等.自调节式手腕康复外骨骼机构设计与相容性分析[J].机电工程，2021，38（3）：398-404.
[3] 赵耀虹，夏昊，王自谦，等.手腕康复机器人功能设计与外观设计[J].包装工程，2019，40（8）：118-122.
[4] 杜妍辰，管振兴，张刚.一种新型手腕护理康复装置[J].生物医学工程学进展，2018，39（3）：138-140+150.
[5] 黄磊，孙中圣，刘源峰.基于气动柔性驱动器的手腕运动康复装置[J].机械制造与自动化，2016，45（6）：216-219.
收稿日期：2021-03-06
作者简介：张军正，男，北京人，本科，研究方向：机械工程。
Wearable wrist Assisted Recovery Robot Design and Control Research
ZHANG Junzheng， KANG Cunfeng， WEI Changhai
（Beijing Institute of Technology， Beijing 100022）
Absrtact：With the gradual development of the times， people's material life has been greatly improved. All kinds of sports have become an indispensable part of people's life， but sports are always accompanied by certain risks. People injured by sports show an increasing trend every year. However， it can be found that among many rehabilitation instruments， there is not much research on wrist rehabilitation instruments， which leads to the restoration of bandage splint or plaster fixation in most of the time. These traditional methods have the problems of slow recovery cycle， difficult disassembly and complex replacement. At the same time， most of the wrist rehabilitation instruments that have been developed are large and medium-sized instruments， which can not be carried， can not play a real-time protective role， and can not be well applied to daily life. Based on this， this paper proposes a wearable periodic recovery robot with traditional strap splint， modern transmission and flexible positioning is proposed.
Keywords： Wearable; wrist assisted recovery robot; design and control research
关键词：可穿戴;手腕辅助恢复机器人;设计与控制研究
中图分类号：TP242.3 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2021）04-0000-00
随着时代的发展，医疗有了长足的发展，科学家们根据人体的各种病症，发明出了许许多多的医疗恢复器械，这对众多病症起到了十分有效的治疗效果，然而经过实际调查发现在众多医疗器械中，对于骨折方面的开发研究还不够丰富，其中就没有确切的应用于手腕部骨折扭伤的恢复器械仪器。
经过分析手腕部骨骼分布图，见图1，可以发现手腕部为骨骼密集区，这些骨头分布紧密，也较为脆弱，在受到强冲击或者重压之时容易发生脱臼、扭伤、骨折甚至是骨裂，由于手腕部为经常活动关节，所以恢复周期长、完全恢复难度大。基于此，手腕康复方面的机器人把研究方向定为便于穿戴与携带，便于调整的辅助手腕恢复的周期性治疗机器人，其意在于去辅助治疗由于摔伤、撑地、重压等原因所引起对的手腕处像舟状骨等附近的骨折，通过机器人的结构运动逐步调整角度位置，辅助并加快骨折的康复，同时进行固定，进一步去防止意外而导致的二次受伤情况，并且同时附有固定式治疗仪理疗的功效，从而加强手腕柔韧性与骨骼强度，起到预防保护效果，实现对于手腕部的全方位保护治疗。
本研究创新性的提出了一种整体式的气动柔性管机构，并利用气动柔性管作为主要的弯曲方式，通过气动三元件来对气动柔性管进行加压，从而改变形状。同时本研究根据机械原理的方式设计了机械外骨骼形状，对于手部进行了全方位的保护与包裹，采用齿轮传动与连杆传动等方式实现手指部与手腕部的运动，从而加强防护性与机动灵活性[1]。
1 手腕辅助恢复机器人的外骨骼设计
1.1 腕关节运动形式与运动范围分析
根据腕关节结构可以发现，腕关节整体上属于典型的椭圆关节，分别由以上三种关节构成了上下两种椭圆形的关节面，腕部也是在这上下两个椭圆形的关节面的基础上，可以灵活的做到向前或向后的屈伸运动和左旋或右旋的伸展运动。由于腕骨之间连接性与侧韧带较为坚韧的缘故，导致手腕在做伸运动时受到一定限制，伸运动的运动方式没有曲运动的运动方式幅度大。后文中手腕活动范围角度，见表1，依据手掌朝下，手與前臂伸直成一条直线时开始认为为0°。
腕部的每一个骨骼都有自己的意义和作用，任何一个腕部骨骼出现损伤都会导致腕部运动受到巨大影响。因此当腕部受到首次伤害以后，合理控制腕部的运动范围，从而避免腕部受到二次伤害，同时还要保证康复过程中的合理活动状态，不同的骨骼受伤后的骨骼恢复周期，根据恢复周期与恢复状态适当扩大或改变腕部活动范围，从而加强腕部的自主恢复能力[2]。
1.2 腕关节伤后护理与二次受伤保护
腕部辅助恢复机器人最重要的是在最大程度上保证腕关节处伤后护理的安全性。在受伤初期，手要与手腕以及小臂始终保持水平0°的状态，见图2，这样在保证血液流通顺畅的前提下，保证初期腕部骨折部位骨骼良好定型。因此需要延长外骨骼的腕部下端板面长度，在下端板面引出吊带，吊带可挂在脖子上，以此来减轻抬手臂的压力，并保证手与腕部的水平。
腕部辅助恢复机器人另一重要作用是避免二次受伤，一是腕部活动范围大，导致恢复周期变长，恢复效果变差，面对这种情况就要始终良好的把握住手掌部分上夹板与下夹板的位置，上下夹板的位置控制需要通过气动柔性管进行合理把控，通过气动柔性管的压差变化来控制上下夹板的位置，改变手掌部与腕部的角度位置以及活动范围。二是外力在此冲击手腕部分所导致的腕部二次受伤，因此为避免这种情况发生，将手腕部由上下夹板的结构创新性的改为，椭圆环形全包裹式一体结构，利用椭圆形抗冲击，分散局部力的作用效果，可能保证手腕部能更好的避免冲击而带来的二次受伤。三是要尽量避免因手指部分戳伤，而导致的连带性腕部损伤，因此外骨骼结构设计将全方位的对手指进行包裹性保护，采用3D打印技术为每个手指制作指套，每根手指关节都将采用连杆进行辅助连接，来保证手指抗冲击能力。四是要避免寒冷天气所带来的骨骼疼痛的症状，因此在手腕部分将搭载电极板来进行加热，保证手腕部分的血液流通以及腕部温度。
1.3 外骨骼自由度分析
外骨骼由9个球面副和3个球销副组成，由弹簧k1连接g1杆与g2杆，经过实际分析可以发现弹簧k1为系统提供一个自由度，通过机构简图，见图3，可以发现在图中总共存在11根杆，同时包含有16个转动低副，经过自由度的计算可以得到，外骨骼的整体自由度数量为2，由于外骨骼实际应用时，转动副1与转动副13会被气动柔性管所固定，弹簧k1被手掌厚度所决定，因此可以进一步对转动副1与13以及弹簧进行等效，得到新的机构简图，见图4。
根据图4的外骨骼简化机构简图，可以进一步计算自由度为4，在实际穿戴过程中，手指部分的三个指节都可以主动弯曲，因此可以得到在机构简图中有三个主动件，由于主动件数量小于简图的自由度数量，因此机构的运动不确定，可以在平面内任意运动[3]。 1.4 外骨骼力学分析
1.4.1 宏观力学分析
由于外骨骼的主要目的是要保证手腕部不会受到伤害，创新性的将腕部外骨骼设计成椭圆形的拱形形状，利用拱形原理，来尽可能的分散力的作用，从而起到减小冲击的目的。拱形原理是在拱形承受压力时，能把压力向下向外传递给相邻的部分，使受到的力分给不同的受力点，因此比起单面受力形状的物体来说，拱形能承受的力更大。
利用拱桥式的以拱肋为主要承重构件，其受力特点是拱肋承受压力、支承处承受水平推力。拱桥式的最大的结构特点是当受到竖向压力的作用下，常见的直梁下侧受拉，上侧受压，根据材料的特性，由于外骨骼将采用3D打印技术，因此所选用材料为plv塑料，抗拉性能远远低于抗压性能，若将矩形直梁改为拱形之后，外骨骼上面的荷载通过拱圈传递推力给拱座，拱座将被设计为承重支撑物，因此两侧边的拱座加厚来承受拱圈传递的推力。这样的结构可大大减小构件下侧的拉应力，甚至使得构件内不出现拉应力，能更加良好的保证外骨骼的受压承重能力，提高了结构的承载能力，从而进一步避免腕部的二次受伤。根据拱形原理設计出了腕部外骨骼形状，见图5。
1.4.2 微观力学分析
外骨骼的拱形结构采用的是半椭圆凸弧，通过拱形与平面力的作用效果的力-位移曲线图可以发现（见图6）。当水平位移相同时，两者同时竖直方向上的速度为0时，根据微积分原理，拱形所产生的功会更少，因此所产生的平均作用力也就更小，因此拱形相较于平面在整个冲击过程中所受到的平均压力也会更小，因此拱形更适合于作为外骨骼的形状，从而来避免二次受伤[4]。
1.5 腕关节辅助恢复机器人外骨骼建模
为了保证恢复和保护效果，概念性的提出了手部以及腕部的全方位包裹式的外骨骼设计思路，为使手指部分可以灵活转动，在手指节连接处采用45#号钢材的M4的螺钉进行连接，利用销固定好指节之后，为防止指节的过度弯曲所带来的手腕的牵扯疼痛，设计了连杆装置，连接于每个指节之间，起到指节与指节之间弯曲时的交互，并避免了指节弯曲过度对手腕的伤害[5]，见图7。
为保证腕部具有一定的活动范围，因此需要通过下侧的气动柔性管来控制弯曲程度，通过上方气动柔性管来控制上下夹板之间的大小，控制手腕及手掌的活动范围。同时在手腕部与手掌部之间通过齿轮传动的方式进行连接，手腕部前端被设计成一种1/4齿轮，在手掌上端设置有一个全齿轮，当气动柔性管弯曲时会带动手腕部1/4齿轮旋转，进一步带动手掌上面的齿轮旋转，由于设有气动柔性管，因此上方的气动柔性管起到了使得腕部与掌部齿轮传动自锁的效果，使得齿轮之间啮合严密，不会松动，避免造成对手腕的裹夹性不足而带来的不良后果。
2 气动柔性管的使用与搭建
2.1 气动柔性管工作原理
气动柔性管采用长方体的设计结构，中间采用空腔的设计原理，利用上下两侧的管层壁厚不同来实现气动弯曲的目的。气动柔性管通过采用软橡胶为材质制作而成，气动柔性管的空腔，充当气囊的作用，通过气动三元件向内冲压把气体压入空腔之内，改变空腔内的压强，由于上下侧的管层壁厚的不同，使得随着气体的充入，空腔内压强的增加，管层薄壁层的弯曲形变量会大于管层厚壁层的弯曲形变量，从而进一步使得气动柔性管向管层厚的一方弯曲。
2.2 气动柔性管的设计
根据需求手掌下夹板端与腕关节连接的气动柔性管需要从手腕部分一直延伸到手掌部分，经过测算气动柔性管的长度为150mm，由于需要气压的精准控制，因此需要避免因气压的小幅度变化所引起的，气动柔性管弯度的较大幅度改变。由此上下侧的壁厚均不能设计太薄，同是上下侧的壁厚差距应稍大一些，因此把上壁厚设为2mm，下壁厚设为9mm。放置于手掌部和手腕部下方的气动柔性管，因为要承担支撑以及稳定的作用，因此采用整体式的设计思路，设计成扁长形的长方体形状，从横截面来看，宽度为50mm，高度为25mm，两侧的壁厚为4mm。
根据需求，由于手掌上夹板与腕关节之间存在齿轮连接，因此手掌上夹板与腕关节连接的气动柔性管需要避开齿轮连接的地方，故采用两根气动柔性管，分列与齿轮的左右两侧，由于上侧的气动柔性管的作用是控制手掌的整体活动区间，因此上侧的两根气动柔性管需要完全一样，才能保证上夹板的左右平行与活动空间的稳定均衡。因为气动柔性管处在上侧，因此根据扇形的结构特点，上侧的气动柔性管要比下侧的气动柔性管要长，因此取长度为160mm的两根气动柔性管。同下侧的气动柔性管设计结构一样，由于上侧的气动柔性管也是下弯曲，因此气动柔性管从横截面来看时的上壁厚度要小于下壁厚度，左右两边的壁厚要相等，因此上壁厚去2mm，下壁厚取8mm，左右两端壁厚取4mm，从横截面来看，宽度为20mm，高度为20mm。
利用3D打印技术设计出气动柔性管的两种模具，向两模具中分别注入硅橡胶液体等待冷却，冷却后取出浇筑出来的3根气动柔性管，完成气动柔性管设计制作。
2.3 气动柔性管的测试
由于气动柔性管在外骨骼的设计中主要作为一种驱动力使得手掌部分的上下夹板发生弯曲，因此需要测量出当施加不同的压强时气动柔性管弯曲所带来的压力的大小，因此根据需求设计了一款压力传感器检测装置，利用压力传感器来检测随着气体的充入气动柔性管产生弯曲所带来的压力大小。在使用过程中，先把气动柔性管装入压力传感器装置中，厚壁一侧贴紧压力传感器一侧，向气动柔性管内部充压，由于气动柔性管的上下两壁厚的不同，导致气动柔性管有了一个向压力传感器一端弯曲的趋势，随着气压的逐渐增大，会给压力传感器一个逐渐增大的压力，根据压力传感器测出的压力与加入气动柔性管内部的气压，可以得到压力-气压-角度关系曲线，见图8。
2.4 气动柔性管的密封
气动柔性管在充进去气体以后就会与气动三元件分开，为保证气动柔性管内的压强一定且不会发生漏气等现象，因此需要对气动柔性管进行密封，而由于气动柔性管并不是一次性使用品，所以要采用可反复充气放气的结构来对气动柔性管进行密封，因此联系到自行车轮胎的结构，决定采用气门嘴来进行密封，通过气门嘴来控制管内的气压变化。在气动柔性管中气门嘴的作用是作为充气的接口及放气的阀门，并保持所充空气不会外泄，并采用的是铜制的气门嘴，气门嘴主体装有像单向阀一样工作的气门芯，压缩空气能充入内胎里而不能自由漏气，来保证气动柔性管的功能。 3 理疗机构的搭载使用
3.1 电热片的选择
为避免因低温而导致的血液流通不畅与骨骼隐痛问题，将采用电热片的方式来使得腕部的温度维持在一个温暖的温度之下，保证血液的流通，保证腕部恢复周期的稳定，从而起到稳定的辅助保护作用。通过查阅各种电热片的工作原理与使用参数，最终只有石墨烯电热片与碳纤维电热片能很好地满足需求。经过进一步对比碳纤维的电热板在经济层面更好，同时碳纤维电热板还附带合理波长的红外线可以对手部起到更好的促进血液流通、缓解局部镇痛、减轻手腕部疲乏感的作用，因此最终选用了碳纤维电热板。
3.2 碳纤维电热板的制热原理与优点
碳纤维电热板采用的是非金属的碳纤维发热材料，与高强度绝缘材料经高温高压密闭复合而成一种加热器件，通过连接电源以后开始产生热量。在施加电压之后碳纤维中的微晶体会在电场作用下，产生大量的碳晶分子团，并且这些大量的碳分子团将迅速产生“布朗运动”，实现了把“电能向热能”的转换。碳纤维晶体板的表面与紧贴碳晶板的其他物体或空气形成温差，并根据热传递规律——热量的传递方向永远是由高温体向低温体的方向传导。因此，碳纤维产生的热量会向周围的物体或空气传递，从而提高环境温度。由此使得碳纤维板在充电以后具有了加热的功效。
同时由于碳纤维板的特殊结构特性，导致碳纤维板在通电之后，在电场的作用下，碳晶分子团会产生大量波长在8～15um的遠红外线。远红外线如同太阳光线的辐射能，极易被人体或物体吸收，使体温迅速升高。并且由于电热板所产生的红外波长在5～15µm之间，这种红外线波长是人体最匹配的红外波段，故被医学界誉为能够治愈疾病的“生命之光”，这种波段的红外线可以激活人体细胞组织，并与人体细胞组织形成共振吸收，促进机体新陈代谢，有明显的理疗功效。这种有碳纤维板形成的红外线，正适合与应用到手腕康复之上，既可以增强手腕部的热量，使得血液流通更加通畅，又可以促进新陈代谢，缩短腕部恢复周期红外线，增强骨骼强度。
3.3 电疗脉冲按摩片的搭载
电疗脉冲按摩片，采用的是低频电流引起的肌肉的收缩或放松，这种低频电流又被称为电疗式按摩，在医学上被叫作无针针灸。利用肌肉的泵作用的原理来进行按摩放松，当有低频电流时，这时肌肉将处于收缩状态，会将含有代谢物的血液输送出，当低频电流减弱时肌肉开始放松，此时血液开始大幅度输入，通过这样的动作循环往复，从而来帮助血液流通更加通畅，并进一步放松肌肉，缓解疼痛，对于恢复起到一定的辅助作用。
由于目前电疗脉冲按摩片的研究已经市场化，因此将直接在外骨骼上面搭载电疗脉冲按摩片，电疗脉冲按摩片将直接搭载于腕部的外骨骼上面，由于上文说到腕部的外骨骼采用的是拱桥形的结构设计，并且由于腕部外骨骼上部采用的是齿轮连接的方式，因此电疗脉冲按摩片不适合加载到腕部外骨骼的上部，因此将把电疗脉冲按摩片加载到腕部外骨骼的下方，见图9。电疗脉冲按摩片放置于外骨骼的内部与腕部皮肤能直接相接触，中间电源以及控制单元将采用嵌入式的方法，在腕部外骨骼底端流留出核心单元的地方，从内往外安装电疗脉冲按摩片，同时为保证按摩片能更好的贴紧手腕皮肤，因此将在按摩片与腕部外骨骼之间添加松紧带，让电疗脉冲按摩片完全贴合于松紧带上面，并且当手部套上外骨骼以后，由于松紧带的作用，按摩片会更加紧密的贴在皮肤之上，从而起到最好的辅助效果。
4 结语
经过试验分析可穿戴式手腕周期辅助恢复机器人能很好地起到保护效果，同时由于气动柔性管的结构特性使得可穿戴式手腕周期辅助恢复机器人有很强的机动性，能够很好地代替传统的绑带治疗，同时进一步弥补了固定式手腕恢复治疗仪笨重移动困难的问题，有很强的市场性与发展空间，本研究的可穿戴式手腕周期辅助恢复机器人有很高的延展性，可以拓展外接更多的辅助恢复以及应用模块，以便来实现更多的丰富的功能。因此综上所述，可穿戴式手腕周期辅助恢复机器人可以说是一款集成度高、发展性强、应用性广、效果优良的手腕治疗仪器，从全方位起到了对于手腕的辅助保护作用，也因此对于手腕部治疗有着重要意义。
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收稿日期：2021-03-06
作者简介：张军正，男，北京人，本科，研究方向：机械工程。
Wearable wrist Assisted Recovery Robot Design and Control Research
ZHANG Junzheng， KANG Cunfeng， WEI Changhai
（Beijing Institute of Technology， Beijing 100022）
Absrtact：With the gradual development of the times， people's material life has been greatly improved. All kinds of sports have become an indispensable part of people's life， but sports are always accompanied by certain risks. People injured by sports show an increasing trend every year. However， it can be found that among many rehabilitation instruments， there is not much research on wrist rehabilitation instruments， which leads to the restoration of bandage splint or plaster fixation in most of the time. These traditional methods have the problems of slow recovery cycle， difficult disassembly and complex replacement. At the same time， most of the wrist rehabilitation instruments that have been developed are large and medium-sized instruments， which can not be carried， can not play a real-time protective role， and can not be well applied to daily life. Based on this， this paper proposes a wearable periodic recovery robot with traditional strap splint， modern transmission and flexible positioning is proposed.
Keywords： Wearable; wrist assisted recovery robot; design and control research