上肢偏癱康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析*

蔡國(guó)慶，李 杰，石 巖，周利杰

(1.河北省工業(yè)機(jī)械手控制與可靠性技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 滄州 061001；2.河北水利電力學(xué)院 機(jī)械工程系，河北 滄州 061001；3.滄州市人民醫(yī)院 康復(fù)科，河北 滄州 061001)

0 引言

偏癱是腦卒中常見的后遺癥，嚴(yán)重影響患者日常生活[1]。隨著我國(guó)人口老齡化程度提高，康復(fù)需求將進(jìn)一步增加，而康復(fù)機(jī)器人能夠有效解決當(dāng)前問題[2]。目前，國(guó)內(nèi)外一些機(jī)構(gòu)、院校已經(jīng)將機(jī)器人應(yīng)用到康復(fù)領(lǐng)域，并取得了一定的進(jìn)展。日本筑波大學(xué)[3]、韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院[4]、西安電子科技大學(xué)[5]、上海康復(fù)器械工程技術(shù)研究中心[6]等都對(duì)康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。但現(xiàn)有的這些上肢康復(fù)機(jī)器人存在訓(xùn)練形式單一、關(guān)節(jié)復(fù)合鍛煉程度不高等不足。本文設(shè)計(jì)了一種6自由度上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，可以完成肩、肘、腕關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練，并通過仿真分析驗(yàn)證了其合理性。

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

1.1 自由度的選取及運(yùn)動(dòng)范圍的確定

通過對(duì)人體上肢解剖結(jié)構(gòu)分析可知，肩關(guān)節(jié)有5個(gè)自由，肘關(guān)節(jié)有1個(gè)自由度，腕關(guān)節(jié)有3個(gè)自由度。考慮康復(fù)訓(xùn)練需求及上肢穿戴空間的局限性，機(jī)器人選取肩部屈伸、收展、內(nèi)外旋運(yùn)動(dòng)，肘部屈伸運(yùn)動(dòng)，前臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和腕部屈伸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。關(guān)于外骨骼結(jié)構(gòu)尺寸，根據(jù)我國(guó)人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)GB10000-88給出，如表1所示，各關(guān)節(jié)康復(fù)運(yùn)動(dòng)范圍如表2所示。

表1 人體上肢尺寸參數(shù)

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)選取的自由度，設(shè)計(jì)康復(fù)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)，其三維模型如圖1所示。肩部屈伸軌道1與機(jī)架固定，電機(jī)2裝于肩部屈伸軌道1，通過齒輪3帶動(dòng)扇形齒圈4旋轉(zhuǎn)，完成肩部的屈伸運(yùn)動(dòng)。屈伸齒圈連桿5與扇形齒圈4固連，電機(jī)6裝于屈伸齒圈連桿5，帶動(dòng)上臂連桿7完成肩部的收展運(yùn)動(dòng)。上臂連桿7末端為扇形軌道，電機(jī)10置于上臂連桿7上，通過齒輪8帶動(dòng)扇形齒圈9旋轉(zhuǎn)，完成肩部的內(nèi)外旋運(yùn)動(dòng)。內(nèi)外旋齒圈連桿11與齒圈9固連，電機(jī)12置于內(nèi)外旋齒圈連桿11上，帶動(dòng)前臂連桿13旋轉(zhuǎn)，完成肘部的屈伸運(yùn)動(dòng)。前臂調(diào)節(jié)板14通過螺栓與前臂連桿13連接，通過3對(duì)螺栓孔調(diào)節(jié)長(zhǎng)度。電機(jī)15置于前臂調(diào)節(jié)板14上，帶動(dòng)腕部連桿16旋轉(zhuǎn)，完成腕部屈伸運(yùn)動(dòng)。電機(jī)17置于腕部屈伸連桿16上，帶動(dòng)把手18旋轉(zhuǎn)，完成前臂的旋前旋后運(yùn)動(dòng)。

1-肩部屈伸軌道；2，6，10，12，15，17-電機(jī)；3，8-齒輪；4，9-扇形齒圈；5-屈伸齒圈連桿；7-上臂連桿；11-內(nèi)外旋齒圈連桿；13-前臂連桿；14-前臂調(diào)節(jié)板；16-腕部屈伸連桿；18-把手

表2 人體上肢各關(guān)節(jié)康復(fù)運(yùn)動(dòng)范圍

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

參照D-H參數(shù)法建立康復(fù)機(jī)器人坐標(biāo)系，如圖2所示，得到機(jī)器人連桿長(zhǎng)度ai-1、連桿轉(zhuǎn)角αi-1、連桿偏距di、關(guān)節(jié)角θi，見表3。

圖2 機(jī)器人連桿坐標(biāo)系

表3 D-H連桿參數(shù)表

Rot(x,αi-1)Trans(ai-1,0,0)Rot(z,θi)Trans(0,0,di)=

(1)

(2)

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型仿真驗(yàn)證

根據(jù)表3中的參數(shù)，應(yīng)用MATLAB建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。以肩關(guān)節(jié)外展90°與肘關(guān)節(jié)屈曲90°的復(fù)合康復(fù)運(yùn)動(dòng)為例對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，機(jī)器人末端位姿與期望位姿一致，驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的正確性。

圖3 肩關(guān)節(jié)外展90°與肘關(guān)節(jié)屈曲90°復(fù)合康復(fù)運(yùn)動(dòng)示教

2.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

本文以上肢最為常見的飲食、擴(kuò)胸、抓物動(dòng)作為例，應(yīng)用ADAMS對(duì)康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。機(jī)器人仿真時(shí)的初始位姿條件為θ1=0°，θ2=90°，θ3=90°，θ4=-90°，θ5=90°，θ6=0°，仿真終止時(shí)的期望關(guān)節(jié)角及角位移如表4所示。設(shè)定3個(gè)仿真動(dòng)作均在勻速的條件下進(jìn)行，仿真時(shí)間設(shè)定為5 s,各動(dòng)作時(shí)把手位移曲線如圖4～圖6所示。由圖4～圖6可以看出：機(jī)器人末端在各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)連續(xù)平穩(wěn)，可以完成規(guī)劃的康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作。

表4 康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作仿真參數(shù)

圖4 飲食動(dòng)作把手的位移曲線 圖5 擴(kuò)胸動(dòng)作把手的位移曲線 圖6 抓物動(dòng)作把手的位移曲線

3 結(jié)論

針對(duì)當(dāng)前康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形式單一的問題，設(shè)計(jì)了一種6自由度康復(fù)機(jī)器人，并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和驗(yàn)證。以飲食、擴(kuò)胸、抓物動(dòng)作為例對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，證明了康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠幫助偏癱患者完成多關(guān)節(jié)復(fù)合康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。本文研究可為樣機(jī)開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐。