下肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)與分析

楊 力,徐林森，王海平

(1.常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院軌道交通學(xué)院，江蘇 常州 213164)(2.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究所，安徽 合肥 230031)(3.江蘇理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213163)

下肢康復(fù)機(jī)器人基于運(yùn)動(dòng)再學(xué)習(xí)理論而研發(fā)，是用于輔助肢體運(yùn)動(dòng)功能有障礙的患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,并能提供患者康復(fù)信息的輔助治療自動(dòng)化設(shè)備。機(jī)器人與人在同一個(gè)作業(yè)空間內(nèi)帶動(dòng)患肢完成康復(fù)訓(xùn)練,使患肢逐漸恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能。機(jī)器人輔助治療的優(yōu)點(diǎn)為:可以將治療師從康復(fù)訓(xùn)練過程中解放出來,使其能專心地針對(duì)患者病情變化制定合理的訓(xùn)練方案；能精確記錄訓(xùn)練參數(shù),對(duì)康復(fù)過程和效果進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)；還能讓患者直觀地看到自己的訓(xùn)練進(jìn)展,使訓(xùn)練過程更具有吸引力,從而提高患者參與治療的積極性。

目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上已投入生產(chǎn)的下肢康復(fù)機(jī)器人多為助力式直立行走模式或是懸吊減重模式[1-2]，前者需要患者有足夠的上肢力量，其有一定的平衡性隱患，后者則因?yàn)樵O(shè)備安裝要求高、整體尺寸過大等難以普及。國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)正在研究坐姿下肢康復(fù)機(jī)器人[3-4]，該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能齊全、適用于家庭康復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。

本文根據(jù)坐姿下肢康復(fù)機(jī)器人特點(diǎn)，開展康復(fù)機(jī)器人構(gòu)型與尺度優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)關(guān)鍵功能部件[5]進(jìn)行一體化、輕量化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步保證患者使用該機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練的安全性與康復(fù)效果。

1 下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

如圖1所示，該下肢康復(fù)機(jī)器人共有4個(gè)自由度，即髖關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收、髖關(guān)節(jié)屈伸、膝關(guān)節(jié)屈伸、踝關(guān)節(jié)背屈/跖屈，適用于身高150～190 cm、體重在120 kg之內(nèi)的用戶，左右腳通用，運(yùn)動(dòng)范圍：髖關(guān)節(jié)屈伸10°～120°，膝關(guān)節(jié)屈伸0°～135°，踝關(guān)節(jié)背屈30°～跖屈45°。

圖1 腦卒中下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)總圖

1.1 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，髖關(guān)節(jié)具有2個(gè)自由度，即1個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度、1個(gè)屈伸自由度，各用1個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，2個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸線共面且垂直，考慮到不同患者的腰圍不同，兩個(gè)關(guān)節(jié)之間的距離可以調(diào)整。

圖2 髖關(guān)節(jié)總圖

經(jīng)計(jì)算可知，減速器輸出最大扭矩小于髖關(guān)節(jié)扭矩，同時(shí)考慮到動(dòng)力在傳遞過程中的傳動(dòng)效率問題，本文采用同步帶傳動(dòng)，通過對(duì)減速器輸出扭矩進(jìn)行放大處理可以滿足需求。另外，考慮到加工誤差、裝配精度、傳動(dòng)效率等問題，設(shè)計(jì)了彈簧輔助機(jī)構(gòu)來平衡機(jī)械臂及人體下肢重力。

1.2 膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖3所示，膝關(guān)節(jié)具有1個(gè)屈伸自由度，由1個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了采購(gòu)方便，膝關(guān)節(jié)電機(jī)選擇與髖關(guān)節(jié)電機(jī)一致。根據(jù)GB 10000—1988中國(guó)成年人人體尺寸，大腿長(zhǎng)度為380～520 mm，故大腿采用可調(diào)式的抽拉結(jié)構(gòu)，以滿足不同身高患者的需求。

圖3 膝關(guān)節(jié)總圖

膝關(guān)節(jié)也采用帶傳動(dòng)并設(shè)計(jì)了彈簧輔助機(jī)構(gòu)，其中彈簧的變形量通過調(diào)節(jié)螺母在帶孔螺桿上移動(dòng)的距離來調(diào)節(jié)。

1.3 踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖4所示，踝關(guān)節(jié)具有1個(gè)屈伸自由度，由1個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，踝關(guān)節(jié)電機(jī)、諧波減速器選型均與膝關(guān)節(jié)一致。根據(jù)GB 10000—1988中國(guó)成年人人體尺寸，小腿長(zhǎng)度為320～420 mm，故小腿采用可調(diào)式的抽拉結(jié)構(gòu)，以滿足不同身高患者的需求。

圖4 踝關(guān)節(jié)總圖

因踝關(guān)節(jié)處所需扭矩較小，故所選電機(jī)、諧波減速器的輸出扭矩完全可以滿足需求，不需要帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用電機(jī)帶動(dòng)諧波減速器直接驅(qū)動(dòng)。

1.4 ANSYS靜力學(xué)分析[6]

根據(jù)GB 10000—1988 中國(guó)成年人人體尺寸，取大腿長(zhǎng)為520 mm，小腿長(zhǎng)為420 mm。

大腿約占體重的14%，小腿約占體重的4%，腳約占體重的1.5%。根據(jù)本文設(shè)定，最大穿戴者體重為120 kg，故大腿質(zhì)量m1為17 kg，小腿質(zhì)量m2為5 kg,腳質(zhì)量m3為2 kg。機(jī)器人材料為鋁合金，機(jī)器人大腿及小腿的厚度為6 mm，寬度為80 mm。機(jī)器人大腿尺寸為520 mm×80 mm×6 mm，質(zhì)量m4為0.68 kg，小腿尺寸為420 mm×80 mm×6 mm，質(zhì)量m5為0.55 kg。膝關(guān)節(jié)處電機(jī)+減速器+磁流變等質(zhì)量取為m6=3 kg，踝關(guān)節(jié)處電機(jī)+減速器等質(zhì)量取為m7=2 kg。髖關(guān)節(jié)處扭矩T1為

T1=m1×10×0.26+m2×10×0.47+m3×10×0.94+m4×10×0.26+m5×10×0.47+m6×10×0.55+m7×10×0.94=126.153(N·m)

膝關(guān)節(jié)處扭矩T2為

T2=m2×10×0.21+m3×10×0.42+m5×10×0.21+m7×10×0.40=28.455(N·m)

簡(jiǎn)易靜力學(xué)分析如下：

在SolidWorks中建立模型并導(dǎo)入ANSYS中，設(shè)置材料屬性、重力、外力及固定位置。分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 分析結(jié)果

由圖可知，最大位移為2.3 mm，最大應(yīng)力為21.083 MPa，機(jī)器人能滿足康復(fù)使用要求。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1.1運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的建立

機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示。本文采用D-H法[7]對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，在機(jī)器人的每個(gè)連桿上都固定一個(gè)坐標(biāo)系，如圖7所示，用4×4的齊次變換矩陣來描述相鄰兩連桿的空間關(guān)系，則該4自由度的腦卒中下肢康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程TH為：

圖6 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 圖7 坐標(biāo)系圖

(1)

式中：A1,A2,A3,A4為各連桿對(duì)應(yīng)的變換矩陣；nx，ny，nz為機(jī)械臂末端坐標(biāo)系的X軸在基坐標(biāo)系中的方向矢量；ox,oy,oz為機(jī)械臂末端坐標(biāo)系的Y軸在基坐標(biāo)系中的方向矢量；ax,ay,az為機(jī)械臂末端坐標(biāo)系的Z軸在基坐標(biāo)系中的方向矢量；px,py,pz為機(jī)械臂末端在基坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

2.1.2運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[8]

采用基于MATLAB下的Robotics Toolbox機(jī)器人工具箱對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)可視化計(jì)算仿真，仿真結(jié)果如圖8所示。通過調(diào)節(jié)各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角變量θ1，θ2，θ3，θ4的值，可以得到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖8 仿真結(jié)果

輸入θ1=θ2=θ3=θ4=0°可以確認(rèn)解的正確性。

2.2 動(dòng)力學(xué)分析

2.2.1動(dòng)力學(xué)方程的建立

采用拉格朗日法對(duì)腦卒中下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

動(dòng)力學(xué)的普遍方程為：

(2)

2.2.2動(dòng)力學(xué)仿真[9]

在SolidWorks中建立簡(jiǎn)化模型三維圖，機(jī)器人工作時(shí)需帶動(dòng)患者的腿部進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，故仿真關(guān)節(jié)扭矩時(shí)需考慮人腿的質(zhì)量，本文取大腿質(zhì)量m1為17 kg，小腿質(zhì)量m2為5 kg,腳質(zhì)量m3為2 kg，仿真時(shí)將人腿的質(zhì)量平均分布于對(duì)應(yīng)的連桿上。建模后三維圖及質(zhì)量屬性如圖9，10所示，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖9 康復(fù)機(jī)器人簡(jiǎn)化模型三維圖

圖10 康復(fù)機(jī)器人簡(jiǎn)化模型質(zhì)量屬性

機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過程中慣性較大，為了保證機(jī)械臂能夠平穩(wěn)運(yùn)行，需要研究運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)械臂各個(gè)連桿動(dòng)能的變化情況，從圖11中可以看出，在運(yùn)行過程中各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)行平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)大的突變，符合工作要求。

圖11 各連桿動(dòng)能變化曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)腦卒中的下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙患者對(duì)康復(fù)訓(xùn)練的要求,從人體下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)理出發(fā),完成了一款具有4個(gè)自由度的腦卒中下肢康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)。

通過機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)建模與仿真，得出4個(gè)關(guān)節(jié)處的動(dòng)能數(shù)據(jù)，為動(dòng)力傳遞方式的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，優(yōu)化了機(jī)器人結(jié)構(gòu)，保證了康復(fù)訓(xùn)練的安全性。