康復機器人設計分析

楊昭顯 梁興波 黨海釗

摘要：該文結合人體生理結構特征，按照人體慣性參數等數據，分析了人體尺寸和關節的活動度，設計一種康復訓練機器人，并建立運動機構的運動學和動力學模型，利用ADAMS軟件對運動機構進行動力學分析，得出關節處的角度、加速度與時間變化曲線。結果表明：電動推桿的推力在所選擇的推力范圍內，踏輪電機的輸出力矩在合適范圍內，驗證此模型的可靠性。

關鍵詞：機器人 運動學 電動推桿 可靠性

中圖分類號：TP242 ? 文獻標識碼：A ? 文章編號：1672-3791（2022）04（a）-0000-00

Design and Analysis of Rehabilitation Robot

YANG ZhaoxianLIANG XingboDANGHaizhao

（1.Zoomlion HeavyIndustry Co.，Ltd.， Changsha，Hunan Province，410200 China;2.Liuzhou Wuling Automobile Industry Co.， Ltd.，Liuzhou，Guangxi Zhuang Autonomous Region，5453000 China）

Abstract：Combining with the characteristics of human physiological structure， according to the human body inertia parameters such as data， analysis of the human body size and mobility of joints， design a kind of wheeled rehabilitation training robot， and establish the mechanism kinematics and dynamics model of ADAMS software is used to analyse the mechanism dynamics analysis， it is concluded that the Angle of the joints， acceleration and time change curve. The results show that the thrust of the electric push rod is in the selected thrust range， and the output torque of the pedal motor is in the appropriate range， which verifies the reliability of the model.

Key Words： Robot;Kinematics;Electric putter;Reliability

根據數據顯示截至2018年，我國老年人口總數達1.56億人，占總人口的比重達11.19%[1]。隨著我國人口老齡化的加劇，以及各類疾?。ㄓ绕淠X卒中、脊柱受傷）等引起的人體運動功能性障礙的人數不斷升高[2]。此外，平均每年有20萬人因交通事故等原因，導致不同程度的傷病和殘疾[3-4]。面對目前中國康復醫療服務需求巨大的現狀，傳統的靠人工的康復手段已經遠遠滿足不了康復需求。隨著機器人技術在醫療領域的飛速發展，醫用機器人以醫學理論為依據，可以科學有效的幫助患者逐步恢復運動機能。

1康復機器人模型的建立

根據人體的生理結構、人體慣性參數、關節的活動度、人機工程學等因素，設計一款康復訓練機器人，如圖1所示。

圖1機器人模型

康復機器人的機構設計主要由兩部分組成：床體和踏輪。床體由床身和升降平臺組成。升降臺上座與升降臺底座之間通過支撐桿和銷軸鉸接在一起，電動推桿作為動力源，推動升降機構的上升與下降。床身通過銷軸和電動推桿安裝在升降平臺上座上。

2運動機構力學模型建立

按照床身的設計要求，建立康復機器人運動機構動力學模型，如圖2所示。

圖2中，桿尺寸為已知量，輸入為電動推桿位移量，設輸出為翻轉連桿的角度α1。圖中A1點坐標為（0，ya1），B1點坐標為（xb1，0），C1點坐標（l1cosα1，ya1+l1sinα1），A2點的坐標（d1，hd+ya1），設B2點的坐標（xb2，yb2），C2點坐標（d1+l2cosα2，hd+ya1+l2sinα2），ya2為A2點與B2點間的豎直距離，設S11，S21分別為床身電動推桿、靠背電動推桿的行程，則根據電動推桿參數可得最小安裝位置為S1=S11+160，S2=S21+160。

床身機構轉角α1與電動推桿長度S1之間的幾何關系為：

（1）

則床身電動推桿的行程s11為：

（2）

床身翻轉角度的范圍為0°～90°，靠背機構轉角α2與電動推桿長度S2之間的幾何關系：

（3）

靠背翻轉角度的范圍為0°～90°，圖2中對轉動副的A1力矩平衡有：Fn1n1=G1n1，其中n1=l1cosβ1，由數學知識和聯立上式的關系式：

（4）

（5）

以上關系式為床身受力總成與電動推桿提供的支撐力之間的關系。

3運動機構運動學分析

在ADAMS中建立人機運動機構的簡化模型，其中關鍵構件和人體部位包括：支撐桿、翻轉架、電機模塊、大腿、小腿。

在進行康復訓練時，影響髖關節和膝關節角度變化的因素有大腿長度a，小腿長度b，床的高度h，踏輪電機翻轉角度δ，A點到G點在x軸方向上的投影距離，支撐桿長度已定。如果試驗取5個變量，每個變量選取3個不相等的值，則需要進行243次試驗，工作量變得極大。為了減少工作量，同時又不對結果產生影響，采用正交試驗設計。正交試驗設計方法是一種用來研究多水平多因素的設計方法[5]，它利用試驗點的正交性將部分具有代表性的點從全面試驗點中挑選出[6]。用正交試驗設計是一種快速有效、經濟的多變量試驗設計方法?；颊叩拇笸乳L度和小腿長度會成組變化，所以視為一個變量，床的高度已定，踏輪撐桿已定ε角已定。有2個變量，每個變量取3組不同的值，則需要做9次仿真試驗。試驗中有試驗指標和試驗因素，即衡量試驗效果的特征量和影響試驗指標的因素。

踏輪電機翻轉角度δ分別為45°、60°、75°，髖關節A點到G點關于x軸的投影距離分別為635mm、685mm、735mm。在模型處添加驅動，設置角速度為30/s，腳踏轉兩周需要24s，仿真步數為120步，每次仿真完成后，按照表的數據修改模型構件的位置，再次進行仿真。按照人體坐姿狀態下肢關節活動度角度定位，髖關節和膝關節角度仿真結果分別如表1所示。

坐姿人體關節活動范圍髖關節：65°～120°，膝關節75°～180°。從表1可得：試驗號1.5的髖關節和膝關節的角度都不在坐姿人體關節角度范圍內。以上說明在坐姿狀態下，電機翻轉的角度過大時，改變人與踏輪的水平的距離會影響人體的正常康復訓練。試驗號1.6、1.8、2.8中的踏輪電機翻轉角度都是相同值，說明電機模塊的翻轉角度δ在一定范圍內，增加人體的髖關節與踏輪的水平距離l能使人體的關節角度處于正常范圍內。但對于髖關節和膝關節比較脆弱的患者，關節活動范圍不宜過大，所以在人體的髖關節與踏輪的水平距離一定時，建議選用小的角度即δ=45°。這樣患者在進行康復訓練時，髖關節和膝關節的活動度較小，符合下肢康復訓練關節的允許變化范圍。

圖3 髖關節角速度變化規律

由圖3可得，髖關節的角度都是先增大再減小，電機在同一翻轉角度δ，髖關節的角度隨著距離的增大而增大;在同一距離條件下，髖關節的角度隨著翻轉角度的增大而減小。在同一角度δ條件下，膝關節的角度也隨著距離的增大而增大;在同一距離條件下，膝關節的角度隨著距離的增大而減小。腿長較長的人體，膝關節角度先減小后增大。腿長較短的人體，膝關節角度先增大后減小，且出現相對較大的角度。但對于髖關節和膝關節比較脆弱的患者，關節活動范圍不宜過大，所以在人體的髖關節與踏輪的水平距離一定時，建議選用小的角度即δ=45°。這樣患者在進行康復訓練時，髖關節和膝關節的活動度較小，符合下肢康復訓練關節的允許變化范圍。不同因素條件下，髖關節的角加速度的變化走勢相同，試驗號1.8膝關節的角加速度變化最大，試驗號1.5膝關節的角速度變化最小，其他試驗號角速度變化相差不大。由圖7可知， 試驗號1.8膝關節的角速度變化最大，試驗號1.5膝關節的角速度變化最小，試驗號1.3角加速度曲線變化相近。試驗號1.8的髖關節角加速度小，但膝關節的角加速度大;試驗號1.5膝關節角加速度小，但髖關節角加速度大。兩者任一角加速度過大不利于病人平緩康復的要求，其中試驗號1.5髖關節角度與膝關節角加速度組合相對較小，結合方案可得，可選取l為735mm作為踏輪與床體之間的適宜距離。

4結語

結果表明：電動推桿的推力在所選擇的推力范圍內;踏輪電機的輸出力矩在合適范圍內;利用ADAMS仿真分析，真實反映了床身翻轉的運動過程;建立了下肢簡化模型，并設計了二因素三水平試驗的運動學仿真，判斷出電機模塊在45°時，隨著水平距離的變化，男性K95的髖關節與膝關節的角度變化在坐姿人體角度范圍內，并分析總結出床體與踏輪間的適宜距離為735mm。

參考文獻

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