新型四臂扶持式康復機器人設計

毛志賢，韋建軍*，王春寶，，4，孫正迪，王 同，劉銓權 ，段麗紅，王玉龍，龍建軍

（1.廣西科技大學機械與交通工程學院，廣西柳州545006；2.深圳市老年醫學研究所，廣東深圳518035；3.深圳大學第一附屬醫院，廣東深圳518035；4.華南理工大學，廣東廣州510641）

0 引言

腦卒中是一種由腦血循環障礙引起的急性腦血管疾病.2010年“世界卒中日”的主題是“六分之一”，即全世界每6個人中就有1個人可能罹患腦卒中，每6秒鐘就有1人死于卒中，每6分鐘就有1人因卒中而致殘[1].為了緩解偏癱患者數量增多而治療師缺口嚴重的形勢，可輔助患者進行下肢康復訓練恢復步態行走的康復機器人相繼問世，偏癱患者的生活質量可在康復機器人的輔助下有所提高.目前較為普遍用于恢復步態行走的外骨骼機器人治療方式與治療師手法存在較大差異，使患者康復效果達不到最佳，如Lokomat機器人[2]通過電機帶動各關節運動實現對下肢各關節的運動訓練，但是該機器人體積大，患者穿戴復雜，無法全面反饋患者的運動信息；美國Delaware大學的下肢外骨骼步態矯形器[3]采用被動式外骨骼，機器人無法實現步態的輔助調整；清華大學研發的步行康復訓練機器人GRTS[4]采用外骨骼形式，穿戴復雜，限制了患者主觀能動性發揮；哈爾濱工程大學開發的減重式步態康復訓練機器人[5]存在功能單一或適應性差的問題，缺乏康復訓練評價系統.針對外骨骼康復機器人穿戴不便、與治療師效果存在較大差異的缺點，參照仿生機器魚[6]可高效進行海資源勘查的優勢，從仿生角度出發，仿治療師手法創新設計四臂扶持式康復機器人，減小與治療師手法的差異，實現康復訓練效果的最佳化.

基于治療師康復手法分析，為減小治療師在康復訓練中手臂的擺長，使患者在步態訓練時保持姿態的穩定，設計具有四臂的扶持式康復機器人（如圖1所示）.該康復機器人由上雙臂和下雙臂組成，可模擬多名治療師對患者進行步態康復訓練.上雙臂扶持嚴重肌無力患者的肩部，以恢復患者的正常體姿；下雙臂扶持患者的髖部，輔助步態訓練.通過4只機械臂的協調運動來模擬治療師操作并快速適應患者肩部和髖部的生理差異.

圖1 新型四臂扶持式康復機器人Fig.1 New four-arm assisted rehabilitation robot

1 四臂康復機器人結構的創新設計

1.1 治療師康復操作建模

本文設計的康復機器人可實現治療師最大有效康復手法的量化，從而使患者在每一次訓練時接受到最有效的治療手法.在分析治療師手法的同時，分析治療師手臂的生理結構和患者的病理特征，建立治療師手臂模型，如圖2所示.

患者的步態訓練主要由治療師雙臂來完成.常規訓練中，患者的髖部在治療師雙手的扶持下，患者肌力不足的影響可以通過治療師手臂的力量和手臂的自由度來緩解，同時患者運動自由度缺失所造成的影響也可通過治療師手臂自由度得到緩解.另外對于早期偏癱患者，在進行步行訓練時，需要一名治療師扶持患者的肩部，以恢復患者的正常體姿，同時需要另一名治療師扶持患者的髖部，輔助步態訓練.治療師的雙手能夠主導患者肩部和髖部運動的軌跡，通過腕部的靈活度來適應患者在訓練過程中自身姿態的差異，以滿足患者步行訓練時肩部和髖部的協調運動.另外，治療師通過腿部的屈伸動作來彌補患者的身高差異，基于以上手法分析建立了人體坐標系，如圖3所示.

圖2 治療師手臂簡化模型Fig.2 Therapist arm simplified model

圖3 治療師康復操作手法建模Fig.3 Modeling therapist's rehabilitation operation

1.2 人體髖部運動空間分析

圖4 髖部運動測試Fig.4 Hip exercise test

為測量人體步態訓練髖部運動空間，利用實驗室已開發的WB姿態傳感器[7]測人體髖部運動角度，以1位25歲的健康者作為測試對象，測試場景如圖4所示，測試對象站立在y軸（冠狀軸）方向，面向x軸（矢狀軸）正向軸.測試過程中朝x軸正向軸步行，當右腿向前邁出第一步時，右髖在xoy平面（水平面）的前進角度記為j，yoz平面（冠狀面）的上升角度記為k.經過多次步態測試并取各角度平均值計算結果如下：人體髖部前進角度j的范圍為[-5°，5°]，上升角度k的范圍為[-3°，3°].測量人體左右髖之間的距離為330 cm，并將其簡化為連桿L.結合人體髖部運動角度和桿長L在matlab中繪制髖部的運動空間散點圖如圖5所示.由圖5（b）、圖5（c）可見，左髖和右髖運動空間都為半球面，分別從左髖右髖運動空間中截取平面圓如圖5（a）所示，表示人體左右髖部運動空間為球面，可直觀表示人體髖部運動空間范圍.

圖5 人體步態髖部運動空間Fig.5 Human gait hip movement space

1.3 四臂康復機器人建模

人體手臂有7個自由度，分別為肩部3個，肘部1個，腕部3個.本文根據治療師操作手法特點，合理分配簡化機械臂的自由度以輔助患者進行步態訓練.在傳統康復訓練過程中，治療師雙手夾緊患者的髖部進行步態糾正訓練，無外展內收動作，故機械臂肩部由3個自由度簡化為2個自由度，即前屈后伸和內旋外旋2個自由度，機械臂大臂的回轉動作簡化到肩關節的內旋外旋動作.因機械臂腕部扶持患者髖部，變動距離小，腕部采用無動力設計，根據這一特點，本文設計的新型四臂扶持式康復機器人手臂有6個自由度，機械臂模型如圖6所示.3個主動自由度和腕關節3個從動自由度的結合是本機器人的特點，通過機械臂肩部位置的2個自由度和肘部位置的1個自由度使機械臂末端能夠達到上下、左右、前后移動的目的.這3個自由度是本康復機器人的主動自由度，當患者相對于機械臂姿態變化所造成的自由度影響可以通過機械臂腕部的3個從動自由度得到抵消，通過機器人下雙臂各關節的配合來實現患者的步態康復訓練.腕部的靈活設計不僅控制了髖部運動的精確度，而且簡化了機構，優化了控制性能.基于以上治療師康復手法分析，建立四臂機器人模型如圖7所示.對比傳統康復訓練，兩名治療師雙手集成機器人的上下雙臂，治療師腿部屈伸動作集成機器人的升降機構.

圖6 機械臂模型圖Fig.6 Arm of robot model

圖7 四臂機器人模型Fig.7 Four-armed robot model

1.4 四臂康復機器人機構設計

設計的四臂康復機器人升降機構的運動空間相對于機械臂的運動空間很小，且主要通過絲杠來傳遞運動，機構較為簡單，故不再詳細介紹.機械臂是機器人當中最重要的結構，肩關節、回轉關節和肘關節、腕關節的結構設計如圖8所示.手臂在運動過程中，肩關節受的轉矩最大，肩部傳動部分不僅包括了齒輪組1和內齒輪組，同時包括了諧波減速器.回轉關節由電機及諧波減速器構成，肘關節是四臂機器人輔助患者進行康復訓練時最直接的控制部位，通過肘關節內外側板與上臂回轉關節連接，該關節的傳動是由一對錐齒輪、傳送帶和減速器三者來實現.機械臂腕部機構是四臂機器人輔助患者進行康復訓練時的抓取固定關節，通過前臂內外側板與肘關節連接；從動自由度設計是腕部機構的設計特點，在機械臂肩關節和肘關節的組合控制下，腕關節實現組合控制運動，以此防止機構被卡死，減少患者的二次傷害.因此，腕關節的設計不僅體現了高靈活性的特點，而且也體現了多自由度的特點，同時也體現了新型四臂扶持式康復機器人主動自由度加從動自由度的特點.在已完成的設計模型基礎上，四臂機器人樣機如圖9所示.

圖8 機械臂結構設計Fig.8 Mechanical arm structure design

圖9 新型四臂扶持式機器人Fig.9 New four-arm supporting robot

圖10 機器人坐標系Fig.10 Robot coordinate system

2 雙臂運動空間分析

下肢康復機器人通過控制患者髖部兩點位置來調整其在步態訓練中的運動軌跡.為了驗證機構設計的合理性，需要對機器人的工作空間進行計算，保證患者步態康復訓練的順利進行.結合本文設計的四臂機器人特征，機械臂腕關節處的位置即為患者髖部扶持點的位置.考慮到所研究機械臂為典型的串聯機構，采用Denavit-Hartenberg（D-H）方法建立運動學模型，通過計算運動學[8]正解進一步分析機械臂的工作空間.首先將機械臂簡化為連桿并建立D-H坐標系如圖10所示，基于已建立的坐標系列出D-H參數如表1所示.以肩關節為基坐標系，結合式（1）、式（2）計算腕關節相對肩關節的坐標變換矩陣.結合機械臂各關節的具體長度并代入式（1）、式（2）計算出運動學正解如式（3）所示.

表1 D-H參數Tab.1 D-H parameters

式（2）中：nx，ny，nz，ox，oy，oz，ax，ay，az——機械臂末端姿態坐標，px，py，pz——機械臂末端位置坐標.

式（3）中：L0，L1，L2，L3，L4——各連桿長度.

基于已計算得到的運動學正解，使用蒙特卡洛法并借助MATLAB軟件繪制機器人單臂及雙臂的計算空間如圖11所示.

在分析機器人機械臂的運動空間后，進一步對機器人的逆運動學分析并計算出機械臂各關節變量的值，作為后續位置控制算法的基礎，結果如式（4）—式（6）.

圖11 機械臂運動空間Fig.11 Arm of robot working space

通過對比機械臂運動空間與人體髖部運動空間可知：所設計的康復機器人雙臂的運動空間遠遠大于人體髖部運動空間.人體運動空間范圍以mm為單位，能到達左極限、右極限、上極限、下極限的范圍約為7 mm；設計的機械臂運動空間的極限位置以m為單位，極限位置都大于100 mm，滿足人體髖部步態運動空間，驗證了機構設計的合理性.

3 結論

1）以治療師為研究對象，首先分析了治療師手臂生理結構并建立生理模型，以健康者為測量對象，使用WB姿態傳感器測量人體髖部運動范圍.

2）基于治療師康復訓練手法，結合仿生學理論仿治療師建立康復機器人機構模型.

3）機器人采用對稱結構設計，四肢機械臂均包含3個主動自由度及3個被動自由度，可以輔助患者開展單項訓練及包含患者軀干在內的整體性協調訓練.建立機器人雙臂的運動學模型，計算運動學正解及逆解，并繪制機械臂的工作空間散點圖.測量結果表明：本文所提出的機器人滿足人體髖部運動空間需求，驗證了機構設計的合理性，為治療師手法再現模擬提供了基礎.