肩部康復(fù)外骨骼擬人化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

朱德海，張繼國，王 昊，李 坤*，徐 楠

（1.山東建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，濟(jì)南 250101；2.山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250101）

0 引言

近年來，受高血壓、糖尿病、血脂異常、吸煙、酒精攝入、腹型肥胖等因素影響，中國腦卒中患者呈現(xiàn)快速增長狀態(tài)，極大影響了人類的健康生活。據(jù)全球疾病負(fù)擔(dān)出具的數(shù)據(jù)指出，截止到2016年，我國第一壽命年損失（YLL -Years of Life Lost）病因是腦卒中[1]。其發(fā)病率為每10萬人中有401.1人發(fā)病，且從2005年至2016年，缺血性腦卒中患者從每10萬人中170人增至270人[2]。2007～2008年患者在3個(gè)月、半年、1年的復(fù)發(fā)率分別為1.9%、13.4%、14.7%[3]；而2008～2009年康復(fù)后的腦卒中患者在1年后的復(fù)發(fā)率達(dá)到了17.1%[4]；在高發(fā)病率、患病率及復(fù)發(fā)率的背景下致殘率達(dá)到了88%[5]。

伴隨著腦卒中患者的增加，傳統(tǒng)的物理治療方式已經(jīng)不能滿足病人的需要。傳統(tǒng)物理治療主要由康復(fù)醫(yī)生對患者一對一治療，時(shí)間短、費(fèi)用高、頻次低、康復(fù)周期長。而肩部康復(fù)機(jī)器人具有頻次高、大時(shí)長且無需占用康復(fù)醫(yī)生的特點(diǎn)，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)物理治療。

國內(nèi)外對肩部外骨骼康復(fù)機(jī)器人的研究日趨完善，控制方式趨于多樣性。ARMin系列[6]是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的康復(fù)機(jī)器人，能驅(qū)動(dòng)肩部4個(gè)自由度（也叫主動(dòng)控制），但機(jī)器人旋轉(zhuǎn)中心做豎直運(yùn)動(dòng)，缺失水平方向位移補(bǔ)償，導(dǎo)致肩部前伸/后縮屬于主動(dòng)運(yùn)動(dòng)下肌肉連帶運(yùn)動(dòng)（也叫被動(dòng)康復(fù)）；馬里蘭大學(xué)的MGA機(jī)器人[7]能主動(dòng)控制肩部的3個(gè)自由度，考慮了肩胛骨運(yùn)動(dòng)對肩部運(yùn)動(dòng)的影響，但用機(jī)器人肩部旋轉(zhuǎn)中心為圓弧軌跡來替代正常人因肩胛骨內(nèi)旋、外旋導(dǎo)致的肩部瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心非圓弧軌跡，即瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心人機(jī)不重合，存在拉扯感。還有許多類似康復(fù)設(shè)備，此處不再贅述。

僅從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，目前康復(fù)機(jī)器人都存在肩部自由度主動(dòng)控制數(shù)不足及任意位置的瞬時(shí)肩部旋轉(zhuǎn)中心與康復(fù)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)中心不重合，出現(xiàn)肢體拉扯感而產(chǎn)生不舒適、運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)。

針對上述存在的問題，本文利用肩部解剖學(xué)結(jié)構(gòu)確定肩部運(yùn)動(dòng)自由度；以肩峰為研究對象，確定肩部運(yùn)動(dòng)特性；采用二自由度肩胛帶機(jī)構(gòu)用以實(shí)現(xiàn)肩部上升/下降、前伸/后縮運(yùn)動(dòng)，采用三自由度球鉸機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)肩肱關(guān)節(jié)屈曲/伸展、外展/內(nèi)收、內(nèi)旋/外選運(yùn)動(dòng)；最后通過完整機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，確定關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)空間。

1 肩部解剖學(xué)結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)特性

針對目前肩部康復(fù)機(jī)器人在主動(dòng)康復(fù)自由度數(shù)不足及人機(jī)瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心不吻合問題，可通過分析肩部解剖學(xué)結(jié)構(gòu)對復(fù)雜的肩部運(yùn)動(dòng)進(jìn)行劃分，識(shí)別出肩部運(yùn)動(dòng)在人體基準(zhǔn)面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)類型及運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。

1.1 肩部解剖學(xué)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，肩部復(fù)合體是由鎖骨、胸骨、肩胛骨及肱骨組成，兩兩形成關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)肩肱節(jié)律行為，如上肢外展180度時(shí)，肱骨實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)120度，肩胛骨內(nèi)旋運(yùn)動(dòng)60度。

圖1 人體肩關(guān)節(jié)復(fù)合體結(jié)構(gòu)[8]

從矢狀面、橫截面、冠狀面出發(fā)，如圖2所示對運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行分類：以平行于橫截面為一類，平行于矢狀面為一類，以沿冠狀面為一類共分為五個(gè)自由度。

HSP60是一種主要存在于線粒體的伴侶蛋白，可抑制細(xì)胞凋亡，可通過促進(jìn)免疫炎癥、促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化形成參與糖尿病發(fā)生[15]，并與缺氧誘導(dǎo)因子2α存在蛋白相互作用[16]。本研究顯示HSP60在不同血糖狀態(tài)的結(jié)直腸癌樣本中的表達(dá)無差異，其mRNA表達(dá)量隨結(jié)直腸癌患者年齡增大而增高，可能與其參與多種慢性疾病的病理過程有關(guān)。

圖2 人體解剖基準(zhǔn)面

分別為肩部的上升/下降、前伸/后縮；外展/內(nèi)收、內(nèi)旋/外旋及屈曲/伸展運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。

圖3 肩部五自由度運(yùn)動(dòng)示意圖

為研究實(shí)際肩部復(fù)合體各關(guān)節(jié)對肩部運(yùn)動(dòng)的綜合影響，以肩部復(fù)合體的局部尖點(diǎn)肩峰為研究對象，肩峰的運(yùn)動(dòng)軌跡就是整個(gè)肩部復(fù)合體綜合運(yùn)動(dòng)的體現(xiàn)。把肩部復(fù)合體節(jié)律行為轉(zhuǎn)變?yōu)榧绶宓能壽E問題，通過控制肩峰的軌跡以實(shí)現(xiàn)肩部在節(jié)律行為下的運(yùn)動(dòng)。

1.2 肩部運(yùn)動(dòng)學(xué)特性

根據(jù)肩部解剖分析，當(dāng)肩部做前伸/后縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，如圖4所示，預(yù)期軌跡應(yīng)以鎖骨長AB在橫軸方向的投影OB為半徑，以胸鎖關(guān)節(jié)中心點(diǎn)A在橫軸的投影O為圓心，且平行于水平面做圓弧運(yùn)動(dòng)；同理，肩部在做上升/下降運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)以O(shè)B為半徑，沿冠狀面做圓弧運(yùn)動(dòng)。

圖4 肩關(guān)節(jié)理論運(yùn)動(dòng)面

健康人右肩運(yùn)動(dòng)時(shí)肩峰的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示。實(shí)線為肩峰運(yùn)動(dòng)軌跡，沒有重合是由于試驗(yàn)者重復(fù)多次運(yùn)動(dòng)時(shí)身體出現(xiàn)X橫軸方向輕微移動(dòng)造成的；虛線代表理論軌跡線。

圖5(a)紅色部分表示健康人肩部上升到極限位置處脊椎呈現(xiàn)扭曲狀態(tài)，上肢發(fā)生側(cè)向偏移。介于虛線及紅色線之間表示試驗(yàn)對象脊椎不發(fā)生扭曲時(shí)所達(dá)到的最大極限。由圖可得肩部在點(diǎn){（240，1460），（255，1440）}區(qū)間內(nèi)做類圓弧運(yùn)動(dòng)，半徑方向偏離胸鎖關(guān)節(jié)點(diǎn)朝向身體內(nèi)側(cè)，在{（230，1473），（240，1465）}長度內(nèi)做類直線運(yùn)動(dòng)，在X軸方向最大位移為25mm，在Y軸方向位移35mm。

圖5(b)表示正常人右肩前伸/后縮時(shí)肩峰的運(yùn)動(dòng)軌跡（俯視），方框表示當(dāng)運(yùn)動(dòng)到前極限位置時(shí)，會(huì)出現(xiàn)右肩向左上方偏移，造成曲線在X軸負(fù)方向有位移。且肩部前伸/后縮運(yùn)動(dòng)軌跡在兩極限區(qū)間內(nèi)做變半徑運(yùn)動(dòng)，軌跡曲率中心偏離胸鎖關(guān)節(jié)點(diǎn)。對應(yīng)肩峰在X軸方向最大位移為60mm，Z軸方向位移160mm。

從圖5可以看出，肩峰在上升/下降及前伸/后縮運(yùn)動(dòng)時(shí)位移軌跡并不全是接近定半徑圓弧曲線，呈變曲率狀態(tài)。這種軌跡的變化及旋轉(zhuǎn)半徑的改變是受到內(nèi)力的作用：在肩肱節(jié)律行為的驅(qū)動(dòng)下，肩部上升/下降運(yùn)動(dòng)時(shí)肩胛骨在超過一定運(yùn)動(dòng)角后受到附著肌肉的作用出現(xiàn)上下偏移；并且當(dāng)角度進(jìn)一步擴(kuò)大，肩胛骨出現(xiàn)一定角度的內(nèi)外旋轉(zhuǎn)，造成了由類圓弧軌跡轉(zhuǎn)變?yōu)轭愔本€軌跡；同理，在肩部前伸/后縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)角度擴(kuò)大時(shí)也會(huì)發(fā)生肩胛骨做一定角度的上下翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致在兩極限區(qū)間內(nèi)肩峰軌跡呈現(xiàn)變半徑狀態(tài)。

圖5 健康人右肩運(yùn)動(dòng)時(shí)肩峰的運(yùn)動(dòng)軌跡

2 外骨骼機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

肩部的上升/下降、前伸/后縮運(yùn)動(dòng)受到肩肱節(jié)律的影響呈現(xiàn)變半徑運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，迫使肩峰在內(nèi)力作用下改變運(yùn)動(dòng)軌跡。結(jié)合肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)空間，使用繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的J1關(guān)節(jié)和平行于冠狀面的平行四邊形機(jī)構(gòu)J2組成肩胛帶機(jī)構(gòu)；對于肩肱關(guān)節(jié)，用球鉸機(jī)構(gòu)J3&J4&J5來代替，以三個(gè)獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)裝置作為肩部三個(gè)自由度的驅(qū)動(dòng)源，如圖6所示。

圖6 外骨骼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)簡圖

圖6中J代表驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)。O1胸鎖關(guān)節(jié)點(diǎn)，O2表示肩肱關(guān)節(jié)中心，共分為二個(gè)部分：J1&J2（肩胛帶機(jī)構(gòu)）及J3&-J4&J5（球鉸機(jī)構(gòu)）。

2.1 兩自由度肩胛帶機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

外骨骼機(jī)器人第一部分為肩胛帶機(jī)構(gòu)J1&J2，如圖6所示JJ1為主動(dòng)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)軸線垂直冠狀面穿過胸鎖關(guān)節(jié)點(diǎn)O1。當(dāng)J1繞軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)肩部的上升/下降運(yùn)動(dòng)。

J2為平行四邊形機(jī)構(gòu)，如圖7所示，桿AB平行于矢狀軸，整個(gè)機(jī)構(gòu)與冠狀面垂直。當(dāng)角度由Φ變化到θ時(shí)實(shí)現(xiàn)肩部的前伸/后縮運(yùn)動(dòng)。

圖7 平行四邊形機(jī)構(gòu)移動(dòng)與轉(zhuǎn)角示意圖

如圖6、圖7所示，肩胛帶機(jī)構(gòu)的參數(shù)關(guān)系為：

H表示在X軸方向的移動(dòng)距離；Δ1max表示J1關(guān)節(jié)沿X軸方向至J2的最大距離；Δ2max表示J2驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)沿X軸方向的最大寬度；LAmax表示包含J1、J2全部寬度之和；Δb表示左右兩側(cè)肩肱關(guān)節(jié)中心之間在X軸方向的距離。Δl表示肩部前伸/后縮時(shí)肩峰在平行于縱軸方向的最大運(yùn)動(dòng)距離，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得。

平行四邊形機(jī)構(gòu)在解決運(yùn)動(dòng)學(xué)差異及剛度上具優(yōu)勢：平行四邊形兩對邊分別平行，當(dāng)四邊形機(jī)架固定后，對邊連架桿與球鉸機(jī)構(gòu)連接后能始終與機(jī)架保持一定角度，即康復(fù)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)中心O2與平行四邊形機(jī)架角度相對固定；較單一轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)在擬合人、機(jī)旋轉(zhuǎn)中心時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)差異性更小。

2.2 三自由度球鉸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

利用J3&J4&J5球鉸機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)肩部外展/內(nèi)收、屈曲/伸展、內(nèi)旋/外旋動(dòng)作。根據(jù)設(shè)計(jì)，J3、J4、J5所處的軸線交于一點(diǎn)，如圖8所示。結(jié)合圖6，J3旋轉(zhuǎn)使整個(gè)肩肱關(guān)節(jié)繞J3軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上肢的外展/內(nèi)收；J4旋轉(zhuǎn)使上肢實(shí)現(xiàn)上肢的外旋/內(nèi)旋運(yùn)動(dòng)；J5旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)上肢做屈曲/伸展運(yùn)動(dòng)。至此，肩肱關(guān)節(jié)各自由度通過球鉸關(guān)節(jié)得到了實(shí)現(xiàn)。

圖8 球鉸機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)示意圖

球鉸機(jī)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)最大化滿足肩部運(yùn)動(dòng)空間，需考慮J3、J4、J5驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的角度布置。為減小變量，結(jié)合圖6、圖8，令J5關(guān)節(jié)直接與肩部對齊，方向沿-X軸朝于身體內(nèi)側(cè)。各關(guān)節(jié)之間位置如圖9(a)～圖9(d)所示。在保證肩部運(yùn)動(dòng)空間各關(guān)節(jié)對頭部、頸部及關(guān)節(jié)間無干涉的前提下，通過比對選取了α（15度～25度）、β（55度～65度）及γ（55度～65度）值。α、β、γ角度關(guān)系如圖9(a)、圖9(b)、圖9(c)所示；坐標(biāo)系建立如圖9(d)所示。

圖9 球鉸機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)布置圖

球鉸機(jī)構(gòu)穿戴與角度配置關(guān)系如圖10所示，圖10(a)為正常穿戴時(shí)各關(guān)節(jié)與人體模型的穿戴關(guān)系。箭頭方向?yàn)楦麝P(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方向，參照圖8，J3、J4、J5轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)分別對應(yīng)內(nèi)收/外展、內(nèi)/外旋、屈曲/伸直動(dòng)作；圖10(b)表示傾斜放置的J4與J5做屈曲動(dòng)作時(shí)存在間隙；圖10(c)表示J3和J5成角度布置避免外旋運(yùn)動(dòng)時(shí)關(guān)節(jié)間干涉；由于J4與J3存在角β，使得頸部與J4關(guān)節(jié)有一定的間隙圖10(d)。

圖10 三自由度球鉸關(guān)節(jié)連接配置圖

3 完整機(jī)械系統(tǒng)及仿真分析

圖11為采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）的肩部康復(fù)機(jī)器人雙肩三維造型，對其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析以確定各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)空間，實(shí)驗(yàn)條件為各關(guān)節(jié)做24d/s等角速度運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行時(shí)間為5s。

圖11 康復(fù)機(jī)器人三維造型

J1關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)球鉸中心位移與轉(zhuǎn)角、時(shí)間關(guān)系如圖12所示，實(shí)線表示球鉸中心位移曲線；運(yùn)動(dòng)空間為（-180，180）mm，可達(dá)肩部上升/下降全部運(yùn)動(dòng)空間。

圖12 J1關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角特性曲線

圖13為平行四邊形機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)球鉸中心在X軸向與Z軸向位移曲線。虛線框內(nèi)為滿足前伸/后縮運(yùn)動(dòng)空間時(shí)的有效轉(zhuǎn)角，對應(yīng)轉(zhuǎn)角42度，此時(shí)Z軸向位移運(yùn)動(dòng)區(qū)間為（50mm，210mm），X軸向位移（-175mm，-75mm），滿足圖3(b)實(shí)際運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

圖13 平行四邊形機(jī)構(gòu)位移特性曲線

J3轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)肩部外展/內(nèi)收運(yùn)動(dòng)空間如圖14所示，虛線表示J3與J2干涉觸發(fā)曲線；實(shí)線表示展角，用以確定干涉發(fā)生時(shí)外展/內(nèi)收最大角度。外展最大為100度，內(nèi)收大于57.5度。

圖14 J3關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)特性曲線

肩部屈曲/伸展、內(nèi)旋/外旋兩自由度在運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象：肩部屈曲動(dòng)作在體側(cè)平行于矢狀面往復(fù)擺動(dòng)，肩部內(nèi)旋/外旋動(dòng)作在胸前擺動(dòng)，固不會(huì)受到運(yùn)動(dòng)干涉。

結(jié)合仿真曲線，可獲得球鉸機(jī)構(gòu)相對正常人自然運(yùn)動(dòng)空間[9]實(shí)際轉(zhuǎn)角性能表，如表1所示。

表1 球鉸機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)空間ROM

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)為肩部外骨骼康復(fù)機(jī)器人對肩部全部自由度康復(fù)及機(jī)器人與人體肩部瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心的吻合提供了理論設(shè)計(jì)：基于肩部解剖結(jié)構(gòu)，確定肩部在人體基準(zhǔn)面內(nèi)全部自由度數(shù)；并以肩峰為擬合點(diǎn)，對肩峰軌跡進(jìn)行監(jiān)測，得出了肩肱節(jié)律行為對上肢運(yùn)動(dòng)的影響。采用定軸轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)及平行四邊形機(jī)構(gòu)組成肩胛帶機(jī)構(gòu)，使得肩部在縱軸及矢狀軸方向得到位移補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)肩部上下及前后運(yùn)動(dòng)；采用三自由度球鉸關(guān)節(jié)來模擬肱關(guān)節(jié)在上肢外展/內(nèi)收、內(nèi)旋/外旋及屈曲/縮回三自由度運(yùn)動(dòng)，并對球鉸關(guān)節(jié)角度配置來最大化滿足肩部自然運(yùn)動(dòng)空間。令肩胛帶機(jī)構(gòu)與球鉸關(guān)節(jié)固連，實(shí)現(xiàn)肩部全部自由度主動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

后續(xù)在樣機(jī)做出后，通過真人穿戴，總結(jié)出各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)速度、協(xié)調(diào)性控制及不同人群的穿戴尺寸，以便設(shè)計(jì)出適應(yīng)性高、協(xié)調(diào)性好的康復(fù)設(shè)備，從而更好地服務(wù)于腦卒中患者。