□ 丁和標 □ 廖泰明 □ 李雨彬

廣州城市理工學院 機械工程學院 廣州 510800

1 設(shè)計背景

近年來,由人口老齡化帶來的腦卒中患者數(shù)量增加,因交通事故及高強度作業(yè)環(huán)境等造成的上下肢肢體損傷患者、脊髓損傷患者數(shù)量同樣在高位。為了幫助患者重新獲得較高的生活自理能力,治療后的康復(fù)訓練必不可少[1]?，F(xiàn)有的康復(fù)醫(yī)師數(shù)量已經(jīng)難以應(yīng)對日漸增多的腦卒中患者,并且傳統(tǒng)的康復(fù)治療一般為一對一人工輔助訓練,花費大,周期長,無法實現(xiàn)運動能力的恢復(fù)與評估,康復(fù)效果受到影響。

上肢運動功能障礙是腦卒中、創(chuàng)傷性腦損傷、脊髓損傷、多發(fā)性硬化癥的常見后遺癥[2],近年來,國內(nèi)外醫(yī)療輔助設(shè)備研究工作者對康復(fù)機器人開展了大量研究,通過康復(fù)機器人代替康復(fù)醫(yī)師輔助患者進行更加有效合理的康復(fù)訓練,已經(jīng)成為康復(fù)領(lǐng)域的前沿研究熱點[3-9]。

上肢康復(fù)機器人的工作原理為利用機械手臂帶動患者手臂在空間內(nèi)進行康復(fù)運動訓練,模擬日常生活中手臂的運動,并通過計算機控制實現(xiàn)手臂各個關(guān)節(jié)的運動訓練、肌肉鍛煉及神經(jīng)功能的恢復(fù)訓練,使機械手臂與患者手臂協(xié)調(diào)運動,從而達到最佳的康復(fù)訓練效果。

筆者選用患者上肢關(guān)節(jié)康復(fù)最常用的五個自由度作為上肢康復(fù)機器人的基本構(gòu)造,參考李鵬克等[10]的研究成果,對上肢康復(fù)機器人進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,通過關(guān)節(jié)處的電機產(chǎn)生牽引動力,為患者完成康復(fù)訓練。同時仿照杜海龍等[11]的研究,基于Denavit-Hartenberg法分析上肢康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)的運動學關(guān)系。

2 上肢康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)

所設(shè)計的上肢康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)如圖1所示,包含肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、機架四個部分。肩關(guān)節(jié)的一端與機架相接,肘關(guān)節(jié)的一端與肩關(guān)節(jié)的另一端相連,腕關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)的另一端連接。機架置于地面上,穩(wěn)定上肢康復(fù)機器人的質(zhì)心。

▲圖1 上肢康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)

3 肩關(guān)節(jié)

肩關(guān)節(jié)需要完成手臂前屈和后伸、內(nèi)收和外展、內(nèi)旋和外旋等動作。肩關(guān)節(jié)屬于球窩關(guān)節(jié),球副的設(shè)計和控制復(fù)雜度較高,對此,所設(shè)計的肩關(guān)節(jié)使用三個旋轉(zhuǎn)軸線相互垂直的旋轉(zhuǎn)副代替較為復(fù)雜的球副。

肩關(guān)節(jié)大臂內(nèi)旋和外旋機構(gòu)如圖2所示,包括肩塊、肩塊左固定件、肩塊右固定件、機架連接件、舵盤、電機。機架連接件與機架固定連接,肩塊右固定件與機架連接件連接,電機固定于肩塊右固定件,肩塊右固定件與肩塊左固定件連接,電機的輸出軸端與舵盤的一端連接,舵盤的另一端與肩塊連接。肩塊大端面的一端開圓形凹槽,用于放置和固定舵盤。電機轉(zhuǎn)動,完成肩關(guān)節(jié)大臂內(nèi)旋和外旋動作。

▲圖2 肩關(guān)節(jié)大臂內(nèi)旋和外旋機構(gòu)

肩關(guān)節(jié)大臂內(nèi)收和外展機構(gòu)如圖3所示,包括肩峰、電機、舵盤、肩袖。肩峰的一端與肩塊連接,肩峰的另一端與舵盤的一端相連。肩峰與舵盤的連接端開圓形凹槽和階梯面,用于放置舵盤。舵盤的另一端與肩袖連接。電機固定于肩峰,電機轉(zhuǎn)動,完成肩關(guān)節(jié)大臂內(nèi)收和外展動作。

肩關(guān)節(jié)大臂前屈和后伸機構(gòu)如圖4所示,包括電機和大臂。電機固定于肩袖,電機輸出端與大臂一端連接。電機轉(zhuǎn)動完成,肩關(guān)節(jié)大臂前屈和后伸動作。

▲圖4 肩關(guān)節(jié)大臂前屈和后伸機構(gòu)

圖4中的大臂調(diào)節(jié)塊、上固定塊、下固定塊、調(diào)節(jié)擋塊組成大臂長度調(diào)節(jié)機構(gòu)。大臂調(diào)節(jié)塊的下端與下固定塊連接,大臂調(diào)節(jié)塊的上端與上固定塊連接。調(diào)節(jié)擋塊與大臂的另一端固定連接。大臂調(diào)節(jié)塊能夠在大臂上滑動,滑動范圍為大臂圓形槽兩端之間的距離。圓形槽的一端與調(diào)節(jié)擋塊的一端重合,防止大臂調(diào)節(jié)塊滑出。在確定合適的大臂長度后,大臂與大臂調(diào)節(jié)塊固定連接,實現(xiàn)大臂長度的調(diào)節(jié)。

正常肩關(guān)節(jié)的運動范圍如圖5所示?？紤]腦卒中患者關(guān)節(jié)運動的障礙,設(shè)置關(guān)節(jié)角度限制,肩關(guān)節(jié)內(nèi)旋和外旋的運動范圍為0°～90°,肩關(guān)節(jié)內(nèi)收和外展的運動范圍為-180°～-60°,肩關(guān)節(jié)前屈和后伸的運動范圍為-45°～90°。

▲圖5 正常肩關(guān)節(jié)運動范圍

4 肘關(guān)節(jié)

肘關(guān)節(jié)需要完成小臂內(nèi)收和外展的動作,所以一個旋轉(zhuǎn)副就能滿足要求。值得注意的是,肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸線的放置方案有兩種。在手臂向前伸直的情況下,一種是肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸線平行于地面,另一種是肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸線垂直于地面。肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸線平行于地面,可以完成小臂內(nèi)收和外展動作,但當肩關(guān)節(jié)外旋一定角度后,肘關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸線會違背手臂正常旋轉(zhuǎn)規(guī)律,此時更易對患者造成再傷害,所以排除這種方案。

采取肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸線垂直于地面的方案,不僅符合手臂旋轉(zhuǎn)規(guī)律,解決上述問題,而且對患者的穿戴體驗也有明顯改善,使結(jié)構(gòu)更加緊湊,質(zhì)心更加穩(wěn)定,有效減小驅(qū)動負荷。

肘關(guān)節(jié)小臂內(nèi)收和外展機構(gòu)如圖6所示,包括肘關(guān)節(jié)連接塊、電機、小臂調(diào)節(jié)塊。肘關(guān)節(jié)連接塊的一端與大臂調(diào)節(jié)塊連接,肘關(guān)節(jié)連接塊的另一端與電機的固定端連接,電機的輸出端與小臂調(diào)節(jié)塊連接。電機轉(zhuǎn)動,完成肘關(guān)節(jié)小臂內(nèi)收和外展動作。

▲圖6 肘關(guān)節(jié)小臂內(nèi)收和外展機構(gòu)

圖6中的小臂固定塊和小臂組成小臂長度調(diào)節(jié)機構(gòu)。小臂與小臂調(diào)節(jié)塊連接,小臂固定塊與小臂調(diào)節(jié)塊固定連接。小臂能夠在小臂調(diào)節(jié)塊上滑動,滑動范圍為小臂一端的距離。在確定合適的小臂長度后,小臂與小臂調(diào)節(jié)塊穩(wěn)定相連,實現(xiàn)小臂長度的調(diào)節(jié)。

正常的肘關(guān)節(jié)運動范圍如圖7所示。考慮腦卒中患者關(guān)節(jié)運動的障礙,設(shè)置關(guān)節(jié)角度限制,肘關(guān)節(jié)內(nèi)收和外展的運動范圍為0°～135°[12]。

▲圖7 正常肘關(guān)節(jié)運動范圍

5 腕關(guān)節(jié)

腕關(guān)節(jié)需要完成內(nèi)收和外展的動作,同樣使用一個旋轉(zhuǎn)副可以滿足要求。

腕關(guān)節(jié)內(nèi)收和外展機構(gòu)如圖8所示,包括腕關(guān)節(jié)夾板、手腕連接件、電機固定架、電機、舵盤、手柄。腕關(guān)節(jié)夾板與小臂連接,手腕連接件與腕關(guān)節(jié)夾板連接,電機固定架與手腕連接件固定連接,電機與電機固定架連接,電機的輸出端與舵盤連接,舵盤與手柄連接。電機轉(zhuǎn)動,完成腕關(guān)節(jié)內(nèi)收和外展動作。

▲圖8 腕關(guān)節(jié)內(nèi)收和外展機構(gòu)

正常的腕關(guān)節(jié)運動范圍如圖9所示?？紤]腦卒中患者關(guān)節(jié)運動的障礙,設(shè)置關(guān)節(jié)角度限制,腕關(guān)節(jié)內(nèi)收和外展的運動范圍為0°～90°。

6 機架

機架如圖10所示,包括懸架、機架升降桿、機架升降固定桿、橫梁、支撐腳架、腳輪。懸架固定于機架升降桿左右兩端,機架升降桿與機架升降固定桿連接。橫梁固定于機架升降固定桿左右兩端,支撐腳架與機架升降固定桿連接,腳輪與支撐腳架末端連接。機架起到連接固定肩關(guān)節(jié)、支撐整機、調(diào)節(jié)高度和肩膀?qū)挾鹊淖饔谩?/p>

▲圖9 正常腕關(guān)節(jié)運動范圍

▲圖10 機架

7 運動學模型

上肢康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)滿足串聯(lián)機器人計算式。將基坐標系X0Y0Z0原點O建立在轉(zhuǎn)動副上,OZ軸正方向是軸線指向手臂的方向,并與水平面平行。OY軸方向由右手法則確定。利用改進的Denavit-Hartenberg法建立X1Y1Z1～X5Y5Z5各關(guān)節(jié)坐標系。上肢康復(fù)機器人坐標系如圖11所示。

圖11中,L1為135 mm,L4為140～210 mm,L5為240～340 mm。根據(jù)所建立的坐標系,可以確定描述連桿和連桿連接的參數(shù)。上肢康復(fù)機器人Denavit-Hartenberg數(shù)據(jù)見表1。其中,αi為沿Xi軸從Zi軸移動到Zi+1軸的角度,ai為沿Xi軸從Zi軸移動到Zi+1軸的距離,di為沿Zi軸從Xi-1軸移動到Xi軸的距離,θi為沿Zi軸從Xi-1軸移動到Xi軸的角度。

表1 上肢康復(fù)機器人Denavit-Hartenberg參數(shù)

8 結(jié)束語

筆者對上肢康復(fù)機器人進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,選用腦卒中患者上肢康復(fù)最常用的五個自由度作為基本構(gòu)造,組成肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、機架四個部分。在大臂和小臂中均設(shè)有長度調(diào)節(jié)機構(gòu),以適應(yīng)不同患者的手臂尺寸。

在上肢康復(fù)機器人各個關(guān)節(jié)連接的部分增加護墊,不僅能夠保護患者手臂,而且可以使患者更加舒適,提高患者的使用體驗效果。

根據(jù)標準GB/T 10000—1988《中國成年人人體尺寸》[13]得出上肢康復(fù)機器人各關(guān)節(jié)應(yīng)負擔的手臂部分重力和長度,加上鋁合金材料帶來的重力,計算得出各關(guān)節(jié)應(yīng)承受的扭矩,以此來選定電機。通過電機控制各個轉(zhuǎn)動副的不同運動角度,使上肢康復(fù)機器人運動,完成各種動作。

筆者還建立了上肢康復(fù)機器人的運動學模型,得到上肢康復(fù)機器人的Denavit-Hartenberg參數(shù)。

▲圖11 上肢康復(fù)機器人坐標系