坐姿式上肢康復訓練機器人

摘要：康復機器人作為一種康復訓練輔助設備，現如今廣泛應用于臨床康復醫療中。據統計資料顯示，目前全國約有800百萬癱瘓患者需要進行康復訓練。因此，康復機器人的研究發展能夠對這些患者起到積極的幫助作用。本文設計了一種坐姿式上肢康復訓練機器人，主要用于幫助肢體殘疾患者進行上肢運動訓練。

關鍵詞：康復機器人；輔助設備；康復醫療；運動訓練

1 引言

傳統的患者康復治療一般通過康復醫療師協助患者進行肢體運動，引導患者肢體做多次的往返運動，逐步刺激患者的運動神經中樞，這種類型的康復治療增加了治療費用和患者的負擔[1]。與傳統的人力康復方法相比，康復機器人能根據不同患者的運動需求，在牽引過程中能夠準確地引導上肢到達位置；同時，可以在運動過程中對肢體的實時狀態和位置進行監控并反饋給控制系統。本文設計的上肢康復訓練機器人通過機器人末端執行器帶動患者的手臂運動，促進其上肢運動功能的恢復。

2 上肢生理學原理

依據生理學結構，人體上肢的結構組成可以分為四大部分，它們分別是手、腕、前臂和上臂，各部分通過關節進行連接，包括腕關節、肘關節、肩關節。設上臂長度為L1，前臂長度為L2，手腕的長度為L3[2]。上肢癱瘓患者一般以成年人居多，患病后身體的尺寸不會較患病之前發生太大變化，因此機器人設計應該參照我國成年人的身體尺寸進行設計。上臂長度L1≈320mm，前臂長度L2≈260mm，手腕的長度L3≈70mm。

根據人體上肢尺寸長度以及成年人的整體身高尺寸，本文設計的上肢康復機器人的長度大約為1.7m，寬度大約為1m，高度大約為1.5-1.8m。

3 康復機器人設計

本機器人旨在帶動上肢進行運動訓練，設計的核心在于康復機器人的運動形式以及范圍。上肢的主要運動有肩關節的屈伸運動、收展運動以及內外旋轉動作；肘關節的繞中心軸轉動以及繞前臂中心軸的旋轉運動[3]。為了帶動上肢進行以上運動，機器人的設計可以分為以下三個部分：上肢前后擺訓練機構、上肢屈伸訓練機構、上肢分合訓練機構。訓練時，既可以多個機構同時啟動工作進行復合運動訓練，也可以只啟動其中一個進行單一訓練。

3.1 上肢前后擺訓練機構設計

上肢康復機器人在進行前后擺訓練時，擺動的角度要符合正常人運動學規律，這樣才能既讓上肢的各個相應關節得到充分的康復訓練，又不會因為擺動幅度過大給患者造成意外傷害。依據肩關節以及肘關節同時運動時的范圍，設定最大擺動角度為45°，轉動角速度ω=0.05rad/s。

本機構由兩根傳動軸、一臺直流伺服電機、一個雙軸輸出減速器、軸承座等組成。安裝時，兩根傳動軸通過聯軸器與雙軸輸出減速器相聯，減速器與電機相聯并固定在底板上。工作過程如下：由電機驅動雙軸輸出減速器帶動傳動軸旋轉，從而帶動傳動軸以上部分轉動。由于傳動軸的軸向長度較大，為了防止轉動機構存在卡死現象，軸的剛度和加工、安裝精度要足夠高。其三維示意圖如圖1中結構1所示。

3.2 上肢屈伸訓練機構設計

依據康復醫學基礎，屈伸運動速度要在人體承受范圍以內，設定屈伸運動的速度v=0.08m/s。本次設計的上肢屈伸運動訓練機構主體為兩根升降柱，該升降柱機構由錐齒輪、絲桿、絲桿螺母、內套筒、軸承、傳動軸、外套筒及密封圈等組成。其傳動原理如下：電機通過彈性聯軸器與錐齒輪軸相聯，當電機啟動后轉動時，首先將帶動電機軸上的錐齒輪轉動，通過錐齒輪副，將轉動傳遞給軸向固定的絲桿，絲桿在外套筒內作定軸旋轉運動時，絲桿螺母通過螺紋連接作直線運動，從而帶動與絲桿螺母相固定的內套筒作直線升降運動。其三維示意圖如圖1中結構2所示。

3.3 上肢分合訓練機構設計

上肢分合訓練機構在工作中要考慮到人體上肢的分合運動空間最大，因此，在設計時，要盡量能讓患者的肢體得到伸展。基于人體運動學基礎，設定上肢分合訓練運動速度v=0.10m/s。本機構主要由直流減速電機、帶輪、同步齒形帶、滑軌、滑塊、橫梁等組成。安裝時，主動帶輪與電機相聯，由于采用的是同步齒形帶，不容易產生打滑現象，傳動比幾乎保持不變，同時也降低了機構的復雜程度，在帶的下部安裝滑軌作為支撐，減輕了同步齒形帶的受力變形。為了確保皮帶的張緊，在安裝時，從動帶輪的位置應能夠方便調整。工作過程如下：直流減速電機安裝在電機座上，電機座通過法蘭盤安裝在內套筒頂端。同步齒形帶與帶輪相聯，滑塊通過螺釘連接在皮帶上。電機通電后，皮帶將帶動滑塊在滑軌內作勻速直線運動。其三維示意圖如圖1中結構3所示。

4 總結

本設計功能齊全，使用方便，操作簡單，可用于上肢癱瘓患者的肩、肘、手腕等部位的康復訓練，能降低患者的康復治療費用，同時緩解了現階段康復治療師緊缺的問題。使用該機器人能夠為患者的康復治療提供較大的便利性，預計在臨床實際應用中有較為廣闊的前景。

參考文獻：

[1]包呼和.上肢康復機器人GA--RBF神經網絡控制[D].沈陽：東北大學，2013.

[2]趙琰.家居環境下上肢主動康復訓練設備設計[D].杭州：浙江理工大學，2017.

[3] 楊勇.手臂康復機器人系統研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

作者簡介：楊崇文，出生年月：1996年6月，男，漢，籍貫（精確到市）：江西省豐城市，學歷：本科，研究方向：機械制造及其自動化。