朱德海

【摘? 要】康復(fù)機(jī)器人現(xiàn)在發(fā)展的還是比較成熟的，但大都是下肢的康復(fù)，比如輔助行走、膝關(guān)節(jié)的往復(fù)擺動及髖部分的三自由度康復(fù)設(shè)備;但對于上肢，還是比較稀缺的?，F(xiàn)在很多高校都有上肢部分的試驗機(jī)，但總的來說，沒有臨床試驗經(jīng)驗，并且，上肢結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能性shoulder gridle錯綜連接，并且人的運(yùn)動角度與支持骨結(jié)構(gòu)及肌肉連接比例復(fù)雜，所以，上面的康復(fù)設(shè)備（試驗機(jī)）都沒有全部滿足上肢康復(fù)的要求。

【關(guān)鍵詞】康復(fù);試驗機(jī);機(jī)器人;

Abstract：Rehabilitation robots are still relatively mature，but most of them are lower limb rehabilitation，such as assisted walking，reciprocating swing of knee joint and three-degree-of-freedom rehabilitation equipment of hip part.But upper limbs are scarce.Now a lot of colleges and universities have upper part of the machine，but on the whole，has no experience in clinical trials，and the upper extremity structure is complex，functional shoulder gridle intricate connection，and Angle of motion and support bone structure and muscle connection proportion is complex，so the above rehabilitation equipment（machine）are not all meet the requirements of upper limb rehabilitation.

Key words：rehabilitation，testing machine，robot;

1 設(shè)計背景

隨著社會的發(fā)展，人們越來越關(guān)注生活的質(zhì)量。人們向往自由，渴望“走出去”。但是，對于很多身患半癱的病人來說，在自己不能自理的情況下，還需要一個人專門就那些照料，就像關(guān)在牢籠里的鳥兒，失去了本該有的天空。很多脊椎受損的病人，由于得不到鍛煉，造成終身癱瘓，這樣一來，對后面陪護(hù)人員的要求又增加了挑戰(zhàn)?！坝眠M(jìn)廢退”一詞在人類進(jìn)化史體現(xiàn)的淋漓盡致。

對肩部解剖學(xué)運(yùn)動分析后，本人設(shè)計了一款專門針對上肢脊柱受損后可修復(fù)病人的一款康復(fù)機(jī)器人：采用五自由度的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，分別補(bǔ)償人肩部關(guān)節(jié)的三個自由運(yùn)動及人肩部肌腱的兩個自由運(yùn)動——采用人體外骨科可穿戴設(shè)計，機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖如下圖所示，其中，J1固連機(jī)架，做上下運(yùn)動，從而使整個機(jī)構(gòu)做上下運(yùn)動;最后的輸出關(guān)節(jié)為J5，付連于人肱骨位置，通過其余關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的連接實現(xiàn)肩部五個自由度的運(yùn)動。右圖是機(jī)構(gòu)運(yùn)動示意圖。

對于目前已經(jīng)完成的運(yùn)動系統(tǒng)的三維設(shè)計機(jī)構(gòu)，由于運(yùn)動十分復(fù)雜，除了要考慮靜態(tài)時的連接特性外，還需要考慮在運(yùn)動時，某一關(guān)節(jié)在在外加條件激勵（如J5運(yùn)動時，肱骨的一個單自由度運(yùn)動會給J5關(guān)節(jié)一個瞬時激勵）時整個機(jī)械臂的動態(tài)特性。這在設(shè)計時除了在保證強(qiáng)度、使用條件和最緊湊結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上也要考慮的地方。往往采用有限元分析就可以做到。

針對康復(fù)機(jī)器人在實際工作中會因受激勵振動而影響工作性能，對康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行諧響應(yīng)分析，并根據(jù)分析情況對康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。此過程中運(yùn)用proe參數(shù)化建模，與Workbench 17.0協(xié)助，共同保證康復(fù)機(jī)器人的強(qiáng)度、剛度，確定固有頻率（當(dāng)然，一旦確定好質(zhì)量及材料，固有頻率就已經(jīng)確定了）。通過選取最佳優(yōu)化參數(shù)作為優(yōu)化方案，從而提高機(jī)械臂的整體工作性能。確保設(shè)計的結(jié)構(gòu)能夠承受住不同頻率的各種正弦載荷，避免共振發(fā)生。

2 康復(fù)機(jī)器人的模型建立

2.1 康復(fù)機(jī)器人關(guān)節(jié)臂的建模

運(yùn)用proe，對整個康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行三維建模，整個機(jī)構(gòu)如下圖所示：J1關(guān)節(jié)負(fù)責(zé)控制整個機(jī)構(gòu)做上下運(yùn)動，與機(jī)架連接，為整個機(jī)構(gòu)的第一輸入關(guān)節(jié)，在實際運(yùn)動中，以垂直于屏幕的方向旋轉(zhuǎn)，通過齒條機(jī)構(gòu)換向做上下的運(yùn)動;J2連接J1與J3，采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，在單自由度運(yùn)動的情況下，控制整個機(jī)構(gòu)做沿圓弧軌跡擺動，圓弧的擺動半徑為J3外殼中點至J2電機(jī)輸出軸所在軸線的垂直距離。對于J345關(guān)節(jié)，擬合與人體肩部的運(yùn)動解剖狀態(tài)，其交點為肩關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心。最后的輸出是J5輸出臂與人上肢通過CUFF相連，以后所有的康復(fù)動作都是通過此鏈接來實現(xiàn)。在本次模態(tài)分析中，主要分析前臂做外張和內(nèi)收動作時，控制相關(guān)運(yùn)動的關(guān)節(jié)的活動情況及整個機(jī)構(gòu)相應(yīng)的模態(tài)分析

2.2 機(jī)械臂有限元的模型的建立

由于整個機(jī)構(gòu)是個復(fù)雜、多自由度機(jī)構(gòu)，可實現(xiàn)五自由度運(yùn)動，但在實際中，可能為五自由度同時運(yùn)動，本次分析康復(fù)機(jī)構(gòu)的振動及固有特性，所以，所取模型為上肢在外展時的姿態(tài)。在此基礎(chǔ)上做模態(tài)分析。

如靜力分析一樣，在有限元分析過程中為了節(jié)省計算量，需要對模型進(jìn)行簡化，本次簡化照片中，只對原螺釘進(jìn)行簡化，簡化方式是采用銷軸代替，去掉螺母，以減少較小的面;把諧波減速簡化為一個實體，并將驅(qū)動電機(jī)的較小的面去除掉，比如，導(dǎo)線截斷面的的去除。將諧波減速器、電機(jī)設(shè)置成不銹鋼，按照密度、體積計算，其質(zhì)量接近現(xiàn)實質(zhì)量。將簡化后的機(jī)械臂模型導(dǎo)入workbench17.0中，設(shè)置材料屬性，機(jī)械臂的各臂體制作材料都選用高性能7075鋁合金，7075 鋁合金的彈性模量E為71.7 GPa，材料密度ρ為2810kg/m3，泊松比u為0.33.不銹鋼的彈性模量E為191GPa，密度ρ為7900kg/m3，泊松比u為0.3。

在細(xì)化網(wǎng)格時，將螺釘處，關(guān)節(jié)鏈接處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化及加密處理，細(xì)化處網(wǎng)格大小為3mm，普通網(wǎng)格為7mm，共劃分為734327個節(jié)點，413013個四面體單元，網(wǎng)格質(zhì)量0.668，質(zhì)量滿足本次分子目的。

3 機(jī)械臂的諧響應(yīng)分析

3.1 響應(yīng)分析理論

由于整個機(jī)構(gòu)是安裝在固定支架上，后續(xù)準(zhǔn)備采用椅子，用來在其上面進(jìn)行裝配。所以，整個機(jī)構(gòu)可以看做一個多自由度的系統(tǒng)，在原則上具有無限多個自由度。在末端及支架處加負(fù)載，滿足諧響應(yīng)通用方程：

上式中，[K]是設(shè)備的剛度矩陣，[M]是質(zhì)量矩陣，[C]是阻尼矩陣，{F}是機(jī)器在負(fù)載時所受到的激勵力矩陣;U以及U的一階及二階倒數(shù)，分別是速度矢量、加速度矢量及位移矢量。

在本次分析中，在負(fù)載定的情況下，負(fù)載隨著關(guān)節(jié)的運(yùn)動角度，整個質(zhì)量矢量會發(fā)生變化，載荷做周期性的簡諧變化，其頻率為末端執(zhí)行時，人的康復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，一人而定，一般，經(jīng)減速器后，最理想為50r/min，本次分析時，設(shè)為，那么負(fù)載的力矢量{F}和變形量（振幅）{x}滿足以下關(guān)系：

4 模態(tài)分析

4.1 相應(yīng)分析理論

由于整個康復(fù)機(jī)構(gòu)安裝在固定椅子上，可認(rèn)為該分析模型是一個完成的連續(xù)關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)體，所以，對此機(jī)構(gòu)增加固定支撐，用來模擬實際工況的模態(tài)。

5 結(jié)果

本次分析的是康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人的模態(tài)分析，從分析結(jié)果看各關(guān)節(jié)的能量主要集中在前幾階模態(tài)中，葉片的振型形式是上下擺動為主，機(jī)構(gòu)最大變形在第二關(guān)節(jié)平四邊形處，機(jī)構(gòu)最小頻率為第一階固有頻率0.0063HZ，接近于0。本次設(shè)計的康復(fù)機(jī)構(gòu)，采用被動式康復(fù)：患者根據(jù)機(jī)構(gòu)本身的運(yùn)動康復(fù)頻率進(jìn)行從動運(yùn)動，應(yīng)避免上述十階固有頻率;考慮到本文所選取的電機(jī)及減速器，應(yīng)著重避免前4階自然頻率。

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