人體肘關(guān)節(jié)及腕關(guān)節(jié)康復機構(gòu)的性能分析

山西中北大學機械與動力工程學院 申登高 梅瑛 李瑞琴 李小龍

1 引言

單獨的曲柄搖桿機構(gòu)可實現(xiàn)肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的康復訓練，但是對于人體上肢各個關(guān)節(jié)都受損的患者而言，如果需要多次移動患肢分別對不同關(guān)節(jié)進行康復訓練，無疑增添了麻煩；并且多次移動患肢加大了患肢損傷的風險，有可能會使即將痊愈的患肢在移動中受到損傷；再者更換關(guān)節(jié)康復訓練裝置給患者形成了一定的心理壓力，導致患者進行康復訓練的積極性降低，增加了患者患肢實現(xiàn)康復的難度。如果將3-RRS機構(gòu)與曲柄搖桿機構(gòu)進行適當?shù)亟M合，可以有效地進行肘關(guān)節(jié)及腕關(guān)節(jié)的康復訓練，并且減少了患者的痛苦，方便使用[3]。

2 肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)康復訓練機構(gòu)的構(gòu)型

本文采用曲柄搖桿機構(gòu)實現(xiàn)肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的康復訓練，并將其置于3-RRS康復機構(gòu)的動平臺上，該人體上肢康復訓練機構(gòu)可采用UG軟件建立三維模型如圖2.1所示。

圖2 .1 人體上肢康復訓練機構(gòu)的三維模型

3 運動學分析

根據(jù)肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)康復訓練機器人機構(gòu)的模型，為實現(xiàn)腕關(guān)節(jié)的康復訓練，有必要對該機構(gòu)連桿上的手柄位置進行運動學分析。已知曲柄搖桿機構(gòu)的桿件參數(shù)如圖3.1所示，設連桿上手柄距離連桿與搖桿形成的轉(zhuǎn)動副的距離為e，在圖3.1中（參照3.2實體圖），以E點標示連桿上手柄所在位置，且EC的長度為e，輸入的曲柄轉(zhuǎn)速為ω。根據(jù)前文的分析，搖桿能夠?qū)崿F(xiàn)肘關(guān)節(jié)的康復訓練，則求C點能否實現(xiàn)腕關(guān)節(jié)的康復訓練，就有必要對E點相對于C點的相對運動進行分析[4]。

圖3 .1 含手柄標示點的曲柄搖桿機構(gòu)圖

E點相對于C點的相對速度分析：根據(jù)B、C點的絕對速度可得E點相對于C點 的 相 對 速 度 為：

其中：

圖3 .2 曲柄搖桿機構(gòu)實體圖

4 運動學仿真與驗證

為說明曲柄搖桿機構(gòu)用于肘關(guān)節(jié)康復訓練時，搖桿轉(zhuǎn)速與輸入轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，此處以ω=10r/min采用Matlab進行仿真研究[5-6]，運動仿真的速度和加速度幅值曲線圖如圖4.1所示，時間均設置為2s。

圖4 .1ω=10r/min 時搖桿運動的幅值曲線

由圖4.1可知，搖桿與連桿轉(zhuǎn)動副處的速度曲線和加速度曲線基本是平滑的過渡，沒有突變。當曲柄搖桿機構(gòu)用于人體上肢肘關(guān)節(jié)康復訓練時，可根據(jù)患者的損傷程度調(diào)節(jié)曲柄的輸入轉(zhuǎn)速。為說明曲柄搖桿機構(gòu)用于腕關(guān)節(jié)的康復訓練時連桿上手柄的運動與輸入轉(zhuǎn)速的關(guān)系，則采用曲柄以ω=10r/min進行仿真研究。運動仿真的幅值曲線圖如圖4.2所示。

對比圖4.1和圖4.2，可以發(fā)現(xiàn)在曲柄同一輸入轉(zhuǎn)速下輸出曲線的共同之處：除了曲線沒有突變，過渡相對平緩外，速度和加速度曲線類似，說明該手柄與腕關(guān)節(jié)處的運動沒有強大的沖擊，因此手柄的存在對于實現(xiàn)人體上肢腕關(guān)節(jié)的康復訓練具有重要的實踐意義[7]。

5 結(jié)論

（1）利用UG軟件進行運動軌跡的仿真建立三維模型與理論計算的結(jié)果相一致，證明理論推導的正確性。

（2）在理論推導的基礎上進一步通過Matlab進行分析得到速度幅值、加速度幅值曲線圖，軌跡平滑，證明機構(gòu)的可行性，以及運動沒有較大的沖擊，因此對于實現(xiàn)人體肘關(guān)節(jié)及腕關(guān)節(jié)的康復訓練具有重要的實踐意義[8]。

[1]楊啟志,曹電鋒,趙金海.上肢康復訓練機器人研究現(xiàn)狀的分析[J]. 機器人,2013, 35(5)： 630-640.

[2]車仁煒,呂廣明,孫立寧.五自由度康復機械手臂的設計[J]. 機械設計,2005,22(4)： 18-21.

[3]楊勇.手臂康復訓練機器人系統(tǒng)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學, 2009.

[4]張秀峰,季林紅,王景新.輔助上肢運動康復訓練機器人技術(shù)研究[J].清華大學 學 報： 自 然 科 學 版, 2007, 46(11)：1864-1867.

[5]杜寧.基于3-RRC 并聯(lián)機構(gòu)的上肢康復訓練機器人設計[D]. 燕山大學,2012.

[6]張濟川,金德聞.新技術(shù)在康復工程中的應用和展望[J]. 中國康復醫(yī)學雜志,2003, 18(6)： 352-355.