程秀芳，王騰飛，李文玉

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063009)

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上肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)

程秀芳，王騰飛，李文玉

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063009)

機(jī)構(gòu)；康復(fù)訓(xùn)練；安全限位；運(yùn)動(dòng)空間

隨著腦卒中患者的增多，由腦卒中引起的偏癱受到越來(lái)越多的關(guān)注。上肢偏癱嚴(yán)重影響著患者的生活，由于傳統(tǒng)治療方法存在局限性，所以出現(xiàn)了新的康復(fù)領(lǐng)域-康復(fù)機(jī)器人。設(shè)計(jì)了一款能滿足患者肘關(guān)節(jié)屈、伸運(yùn)動(dòng)和前臂旋前、旋后運(yùn)動(dòng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)。

引言

腦卒中也稱腦中風(fēng)，是由于腦部血液循環(huán)障礙引起的神經(jīng)系統(tǒng)損傷。盡管腦外科手術(shù)技術(shù)在不斷進(jìn)步，患者的死亡率在逐漸降低，但是由腦中風(fēng)造成的偏癱患者逐年增多，且多數(shù)偏癱患者失去了生活自理能力，因此給家庭和社會(huì)帶來(lái)了極大的負(fù)擔(dān)。傳統(tǒng)的治療方式是醫(yī)師和患者進(jìn)行一對(duì)一的單獨(dú)訓(xùn)練，這種方法效率低，價(jià)格比較昂貴，一般家庭難以承受。而且不同醫(yī)師的治療水平不同，很難保證每個(gè)患者都能得到高效的康復(fù)訓(xùn)練?？祻?fù)機(jī)器人是將機(jī)器人技術(shù)引入到康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的產(chǎn)物，與傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練方法相比，康復(fù)機(jī)器人的出現(xiàn)使醫(yī)師從繁重的體力勞動(dòng)中得以解放，不僅減弱了人為因素的影響，提高了康復(fù)訓(xùn)練的效率，而且隨著人機(jī)接口研究的深入，醫(yī)師還可以根據(jù)接口反饋出來(lái)的信息進(jìn)行康復(fù)方案的改進(jìn)，更有助于偏癱患者的康復(fù)訓(xùn)練。

上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙對(duì)患者的日常生活影響很大，所以對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人的研究顯得尤為重要。目前多數(shù)康復(fù)機(jī)器人比較龐大，患者只能在醫(yī)院進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。針對(duì)這些問(wèn)題，該項(xiàng)研究設(shè)計(jì)了可以穿戴在患者身上的上肢康復(fù)機(jī)器人，幫助患者實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)和前臂旋前、旋后運(yùn)動(dòng)，患者既可在醫(yī)院又可在家中進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

1 機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 上肢康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求

由于設(shè)計(jì)的康復(fù)機(jī)構(gòu)直接作用于患者的肢體，所以首先應(yīng)滿足安全性的條件，防止因?yàn)榭祻?fù)訓(xùn)練給患肢帶來(lái)二次傷害。設(shè)計(jì)的康復(fù)機(jī)構(gòu)要求能適應(yīng)不同患者肢體的長(zhǎng)度，所以設(shè)計(jì)的康復(fù)機(jī)構(gòu)要設(shè)有調(diào)節(jié)件?；颊咴诓煌目祻?fù)階段，其運(yùn)動(dòng)的范圍也有所不同，設(shè)計(jì)的康復(fù)機(jī)構(gòu)要滿足患者不同康復(fù)階段的使用。由于患者肢體運(yùn)動(dòng)能力的喪失，所以必須考慮增加支撐患者肢體的結(jié)構(gòu)。為了便于康復(fù)機(jī)構(gòu)的推廣，設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)盡量滿足經(jīng)濟(jì)性要求。還要保證機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間和人體上肢的運(yùn)動(dòng)空間相一致。

1.2 上肢康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)構(gòu)想

要保證康復(fù)機(jī)器人的輕便，材料的選擇是關(guān)鍵。綜合考慮各材料的性能，零件以鋁合金作為主要材料。鎂為主要元素，添加少量銅、錳、硅、鐵等元素的6061-T5鋁合金經(jīng)過(guò)熱處理后，獲得了良好的物理性能、抗腐蝕性能和機(jī)械性能，其加工性能優(yōu)于其他鋁合金材料。在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中安全是最重要的，所以要在肘關(guān)節(jié)屈伸和前臂旋轉(zhuǎn)設(shè)定限位裝置，防止因康復(fù)訓(xùn)練造成患者肢體的二次損傷。肘關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)和前臂旋前、旋后運(yùn)動(dòng)要求的轉(zhuǎn)矩和速度不同，所以要選擇不同的電機(jī)分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。腕部直齒輪采用扇形結(jié)構(gòu)，便于腕部的固定。

1.3 上肢康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)范圍

患者的肢體運(yùn)動(dòng)受限，由于其康復(fù)訓(xùn)練是在康復(fù)機(jī)器人的帶動(dòng)下進(jìn)行的，所以設(shè)計(jì)的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍應(yīng)小于人體正常運(yùn)動(dòng)時(shí)的范圍，表1為上肢康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍。

表1 上肢康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍

2 上肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 上肢康復(fù)機(jī)器人基本尺寸

根據(jù)中國(guó)成年人人體尺寸數(shù)據(jù)GB10000-88，選擇身高為1 750 mm的中年男子為參考進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 中國(guó)成年人人體尺寸數(shù)據(jù)

考慮到設(shè)計(jì)的康復(fù)機(jī)器人應(yīng)適應(yīng)不同患者的肢體長(zhǎng)度，所以該機(jī)構(gòu)應(yīng)設(shè)有可調(diào)節(jié)件，根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，在大臂長(zhǎng)度取280 mm，小臂長(zhǎng)度取220 mm的基礎(chǔ)上留有50 mm的余量，通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓來(lái)調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，即機(jī)械大臂長(zhǎng)度范圍為260～310 mm，機(jī)械小臂長(zhǎng)度范圍為200～250 mm。

2.2 電機(jī)和減速器的選型

電機(jī)是機(jī)器人的動(dòng)力源，選擇合適的電機(jī)對(duì)于康復(fù)機(jī)器人來(lái)說(shuō)尤為重要。電機(jī)的轉(zhuǎn)速太快、轉(zhuǎn)矩太小，所以選擇電機(jī)的同時(shí)要選擇配套的減速器，兩者配合使用來(lái)滿足康復(fù)機(jī)器人低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的要求。

(1)

式中：

ρ—人體密度，kg/m3；

l—長(zhǎng)度，mm；

C—周長(zhǎng)，mm。

小臂質(zhì)量：小臂長(zhǎng)度l=220 mm，小臂周長(zhǎng)C=250 mm，由上式可得小臂的質(zhì)量m1:

(2)

手和腕部質(zhì)量：將手和腕部看作一整體，并將其簡(jiǎn)化為一圓柱體，圓柱體的長(zhǎng)度l=180 mm，周長(zhǎng)C=165 mm，將長(zhǎng)度和周長(zhǎng)帶入上式中，求得手和腕部的總質(zhì)量m2：

(3)

給定前臂以18°/s的速度進(jìn)行旋前80°、旋后80°運(yùn)動(dòng)，前臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)需要克服小臂、手和腕部的負(fù)載阻力，力臂為小臂的直徑，故負(fù)載轉(zhuǎn)矩T:

(4)

前臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速可由給定的角速度求得：

(5)

前臂旋前、旋后運(yùn)動(dòng)的所需的功率:

(6)

考慮到電機(jī)功率的儲(chǔ)備系數(shù)，選擇瑞士Maxon公司生產(chǎn)的28SYK電機(jī)，電機(jī)相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 電機(jī)相關(guān)參數(shù)

注：出軸φ4 mm，L=8 mm，質(zhì)量M=300 g

給定肘關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度為24°/s，電機(jī)需要克服的負(fù)載包括患者小臂重量、手和腕部的重量、康復(fù)機(jī)器人帶動(dòng)肘關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)裝置的重量以及腕關(guān)節(jié)電機(jī)的重量。由Creo軟件可得運(yùn)動(dòng)裝置的質(zhì)量m3=0.73 kg，腕關(guān)節(jié)電機(jī)的質(zhì)量由表3可以得到m4=0.3 kg，上臂處于水平位置時(shí)計(jì)算上臂的力矩，此時(shí)重力的力臂最長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)裝置的質(zhì)量主要集中在腕關(guān)節(jié)處，前臂和手也視為集中于腕部，所以力臂的長(zhǎng)度取l=220 mm，肘關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：

(7)

前臂屈伸時(shí)的轉(zhuǎn)速可由給定的角速度求得：

(8)

肘關(guān)節(jié)進(jìn)行屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的功率為：

(9)

考慮到電機(jī)功率的儲(chǔ)備系數(shù)，選擇Maxon公司的A-max 32無(wú)刷直流電機(jī)，電機(jī)參數(shù)如表4所示。

表4 電機(jī)相關(guān)參數(shù)

注：出軸φ6，L=10 mm，質(zhì)量M=500 g

2.3 康復(fù)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)

康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示：

1-肩部支撐；2-上臂長(zhǎng)度調(diào)節(jié)件；3-電機(jī)；4-錐齒輪；5-限位銷；6-限位擋板；7-軸；8-錐齒輪；9-電機(jī)；10-直齒輪；11-導(dǎo)軌；12-直齒輪；13-限位銷；14-法蘭；15-前臂；16-前臂調(diào)節(jié)件；17-腕關(guān)節(jié)繃帶固定件；18-上臂。

電機(jī)3通過(guò)和其配套的減速器驅(qū)動(dòng)錐齒輪4轉(zhuǎn)動(dòng)，錐齒輪4和錐齒輪8嚙合帶動(dòng)軸7轉(zhuǎn)動(dòng)，軸在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)前臂調(diào)節(jié)件一起轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)。限位擋板6隨著軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，限位擋板和限位銷5一起起到安全限位的作用，改變限位銷的位置可以改變肘關(guān)節(jié)屈伸的角度。

電機(jī)9通過(guò)和其配套的減速器驅(qū)動(dòng)直齒輪10轉(zhuǎn)動(dòng)，直齒輪10和在導(dǎo)軌11內(nèi)的扇形直齒輪12嚙合，直齒輪12帶動(dòng)患者的前臂實(shí)現(xiàn)的旋前、旋后運(yùn)動(dòng)，限位銷13隨著扇形直齒輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)限位銷接觸到導(dǎo)軌時(shí)扇形齒輪停止運(yùn)動(dòng)，可起到安全限位的作用。

2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采用一對(duì)直齒輪和一對(duì)錐齒輪傳動(dòng)，直齒輪和錐齒輪的精度等級(jí)均采用8級(jí)，直齒輪的主要參數(shù)為：m=1.5 mm，z1=22，z2=88，d1=33 mm，d2=132 mm，i12=3，b1=b2=8 mm。

錐齒輪的主要參數(shù)：m=1.5 mm，z1=18，z2=36，d1=27 mm，d2=54 mm，i12=2。

如圖2是使用CREO建立的上肢康復(fù)機(jī)器人3D模型。

圖2 上肢康復(fù)機(jī)器人虛擬樣機(jī)

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種新型上肢康復(fù)機(jī)器人，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穿戴方便、成本低，且符合人體的生理結(jié)構(gòu)，可以很方便地穿戴在患者的肢體上。該裝置可以滿足患者肘關(guān)節(jié)屈伸和前臂旋前、旋后的康復(fù)訓(xùn)練，可代替治療師繁重的體力勞動(dòng)。

[1]趙峰. 上肢康復(fù)輔助訓(xùn)練機(jī)器人的設(shè)計(jì)[D]. 西安:西安電子科技大學(xué)，2014.

[2]呼昊. 3DOF可穿戴式上肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2008.

[2]羅東峰. 桌面式上肢康復(fù)機(jī)器人控制研究[D]. 西安:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，2012.

[2]梁超. 上肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D]. 杭州:杭州電子科技大學(xué)，2011.

Rehabilitation Robot Design for Upper Limbs

CHENG Xiu-fang, WANG Teng-fei, LI Wen-yu

(College of Mechanical Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063009, China)

mechanism; rehabilitation training; safety stop; working space

With the increasing number of stroke patients, paralysis caused by stroke has been paid more and more attention. Patient's life is seriously affected by hemiplegia upper limbs. Due to the limitations of traditional treatment methods, rehabilitation robot appeared as a new field of rehabilitation study. A mechanism that is able to meet patient's elbow flexion-extension and forearm pronation-supination was designed.

2095-2716(2016)01-0048-05

2015-09-29

2015-11-25

TH693.9

A