葛 攀,張 振,陳 玉,汪步云

(1.安徽工程大學(xué) 機械工程學(xué)院,安徽 蕪湖 241000;2.電氣傳動與控制安徽省重點實驗室,安徽 蕪湖 241000)

上肢的運動機能在日常的工作與生活中起著重要作用[1],但大量的運動損傷和神經(jīng)系統(tǒng)疾病會影響上肢的運動機能,降低患者的生活質(zhì)量。這種上肢機能的損傷可能發(fā)生在脊髓損傷、中風(fēng)或骨折之后。臨床研究證實,人體的中樞神經(jīng)組織損傷不可再生,但具有高度的可塑性,神經(jīng)損傷引起的上肢運動機能障礙可通過重復(fù)的康復(fù)訓(xùn)練進行恢復(fù)[2],是一個運動重新學(xué)習(xí)的過程。在緩慢的恢復(fù)過程中,患者需要康復(fù)治療師進行長時間協(xié)助。然而,隨著需要重復(fù)性運動康復(fù)的患者數(shù)量增加,導(dǎo)致了康復(fù)治療師的數(shù)量不足,為了減輕這種負擔(dān)并為患者提供穩(wěn)定的康復(fù)過程,借助上肢康復(fù)機器人是協(xié)助上肢機能損傷患者恢復(fù)運動機能的有效途徑。

隨著上肢康復(fù)機器人技術(shù)的發(fā)展以及患者對康復(fù)需求的提高,上肢康復(fù)機器人按照設(shè)備康復(fù)形式的不同可分為兩種類型[3]。第一類康復(fù)機器人采用的是末端牽引式,另一類采用的是外骨骼式。末端牽引式直接作用于上肢的末端,如手握式和腕部固定式,往往是為了康復(fù)訓(xùn)練而設(shè)計的。早期的末端牽引式機器人是由麻省理工學(xué)院的krebs等[4]開發(fā)的MIT-MANUS,該裝置采用了平面SCARA 機器人驅(qū)動上肢的肩膀和肘部,能夠?qū)崿F(xiàn)2自由度平面空間內(nèi)的運動康復(fù)。張磊剛等[5]設(shè)計了一款雙側(cè)7自由度上肢康復(fù)機器人。機器人的主要康復(fù)交互機構(gòu)由兩個7自由度機械臂和末端牽引手柄等組件構(gòu)成,可以幫助患者手臂實現(xiàn)三維空間的訓(xùn)練,且可以根據(jù)不同康復(fù)時期的患者進行按需輔助康復(fù)。夏鵬鵬等[6]針對牽引式上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜、柔順性和安全性不足的問題,設(shè)計了一種三維空間末端牽引式上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人。末端牽引式康復(fù)機器人只能保證上肢在輔助力的牽引下進行康復(fù)訓(xùn)練,不能準確控制上肢所有關(guān)節(jié)的運動,且其設(shè)計中采用的機械臂以及整個控制組件的成本過高。外骨骼機器人是一種人機交互系統(tǒng),其關(guān)節(jié)和鏈接方式與人體的關(guān)節(jié)和鏈接方式相對應(yīng),隨著其在康復(fù)醫(yī)學(xué)和虛擬現(xiàn)實中的應(yīng)用,外骨骼為協(xié)助患者進行日常活動提供了更多可能[7]。上肢外骨骼具有與人類上肢生物結(jié)構(gòu)類似的機械結(jié)構(gòu),可以通過改變連桿的長度以適應(yīng)不同的骨架,并通過上肢與機械關(guān)節(jié)的匹配實現(xiàn)關(guān)節(jié)驅(qū)動扭矩的傳遞。外骨骼附著在手臂上有許多優(yōu)點,相似的工作空間避免了奇點,以及工作空間上驅(qū)動力的一對一映射[8]。外骨骼機器人一般包含更多的傳感器,可以保證外骨骼在使用時的安全性,還能向患者和醫(yī)生提供更多信息,使醫(yī)生能夠更好地安排整個康復(fù)訓(xùn)練的進展。Copaci等[9]設(shè)計了一種基于SMA 驅(qū)動的2自由度肘關(guān)節(jié)康復(fù)外骨骼,該外骨骼將肘關(guān)節(jié)簡化為機械球關(guān)節(jié),并使用了基于形狀記憶合金的生物啟發(fā)致動器。翟宇毅等[10]針對一些外骨骼機器人體積大、舒適性差的問題,基于輕量化、人體工程學(xué)等原則,設(shè)計了一種3自由度柔性穿戴式機器人。劉志輝等[11]為了解決外骨骼上肢康復(fù)機器人自由度受限的問題,建立了上肢運動關(guān)節(jié)的簡化模型,對比人體上肢關(guān)節(jié)的運動機理,提出了一種改進的7自由度外骨骼上肢康復(fù)機器人。上肢康復(fù)機器人的主要功能是為患者提供康復(fù)訓(xùn)練,協(xié)助患者進行日常的活動。然而,對于末端牽引式康復(fù)訓(xùn)練裝置和外骨骼式康復(fù)訓(xùn)練裝置來說,其研究只集中在某一方面。實際上,對于上肢康復(fù)機器人來說,其設(shè)計必須考慮將康復(fù)訓(xùn)練與輔助功能相結(jié)合,使用較少的自由度實現(xiàn)盡可能大范圍的工作空間。

為滿足患者對康復(fù)訓(xùn)練以及生活輔助的需求,針對當(dāng)前低自由度上肢康復(fù)外骨骼康復(fù)訓(xùn)練空間有限的問題,本研究設(shè)計了一種非平面2自由度上肢康復(fù)外骨骼,用于肘關(guān)節(jié)的屈曲/伸展和肩關(guān)節(jié)的內(nèi)/外旋轉(zhuǎn)。其中肘關(guān)節(jié)采用柔性設(shè)計,避免了康復(fù)過程中機械關(guān)節(jié)與手臂肘關(guān)節(jié)產(chǎn)生軸偏差使患者產(chǎn)生不適感。

1 上肢外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計

人體上肢結(jié)構(gòu)如圖1所示。上肢的運動是極其復(fù)雜的,主要的兩個活動關(guān)節(jié)為肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)[12]。肩關(guān)節(jié)受到骨骼的約束比較少,主要靠肩部的肌肉群約束,因此肩關(guān)節(jié)的運動通常簡化為3自由度:前屈/后伸、外展/內(nèi)收和旋內(nèi)/旋外。肘關(guān)節(jié)是一個鉸鏈關(guān)節(jié),其軸移運動具有復(fù)雜的軌跡,旋轉(zhuǎn)軸會產(chǎn)生輕微的位移,用于進行屈/伸運動,運動范圍如表1所示。依據(jù)人體上肢結(jié)構(gòu)的運動特點,確定了上肢康復(fù)外骨骼的設(shè)計方案,以肩部的旋內(nèi)/旋外和肘部的屈曲/伸展為康復(fù)姿態(tài)。

圖1 人體上肢結(jié)構(gòu)

表1 手臂主要關(guān)節(jié)活動范圍

上肢康復(fù)外骨骼主要由底座、大臂托架、柔性連接件、過渡連接件和小臂托架組成,如圖2所示。在康復(fù)過程中,大臂和小臂放置在托架內(nèi),通過緊固帶和墊板進行固定,托架的內(nèi)側(cè)設(shè)置有墊層,增加患者的舒適性。由于肩部的康復(fù)姿態(tài)為旋內(nèi)/旋外,整個大臂的大部分重量經(jīng)大臂托架和底座支撐抵消,康復(fù)動作的執(zhí)行依靠底座上安裝的舵機帶動。肘部的屈伸通過設(shè)置在大臂托架兩側(cè)的舵機帶動,增加運行的穩(wěn)定性,可在安全角度內(nèi)往復(fù)循環(huán),滿足上肢康復(fù)的使用要求。

圖2 上肢康復(fù)外骨骼整體結(jié)構(gòu)圖

1.1 柔性肘關(guān)節(jié)設(shè)計

外骨骼的肘關(guān)節(jié)采用柔性連接件,其彈性結(jié)構(gòu)對稱分布,材質(zhì)為鋁合金,為了補償肘關(guān)節(jié)在屈伸過程中與外骨骼之間的軸偏差,其在平面內(nèi)具有3自由度,通過連接軸和軸承與過渡連接件連接,采取被動調(diào)節(jié)的方式,結(jié)構(gòu)更加緊湊,柔性連接件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 柔性連接件結(jié)構(gòu)

通過有限元軟件校核柔性模塊,以驗證其結(jié)構(gòu)的性能,X 和Y 方向施加的力大小均為30 N[13],當(dāng)模塊在X 方向受到力時,會產(chǎn)生位移和應(yīng)變,柔性模塊X 方向的位移量為2.319 8 mm,最大應(yīng)變值為0.002 617,如圖4所示;當(dāng)模塊在Y 方向受到力時,柔性模塊Y 方向的位移量為2.317 4 mm,最大應(yīng)變值為0.002 617 1,如圖5所示。柔性模塊的X 方向和Y 方向的位移量均為2.3 mm,能夠在一定程度上被動補償機械關(guān)節(jié)與手臂肘關(guān)節(jié)產(chǎn)生的軸偏差,X 方向和Y 方向的最大應(yīng)變值處于安全范圍內(nèi)。

圖4 X 方向的應(yīng)變和位移

圖5 Y 方向的應(yīng)變和位移

1.2 過渡連接件設(shè)計

根據(jù)小臂托架和柔性肘關(guān)節(jié)的接頭方式確定過渡連接件的結(jié)構(gòu)。過渡連接件的作用是連接小臂托架和柔性肘關(guān)節(jié),在設(shè)計中充分考慮到外骨骼的輕量化設(shè)計,以及過渡連接件的制作成本,通過有限元軟件對比了過渡連接件在位移方面的分析結(jié)果,受力大小均為30 N,連接件位移分析云圖如圖6 所示。連接件的材料分別為ABS、鋼和鋁,三種材料均滿足強度要求。在這種情況下,ABS是一種很好的材料,其重量更輕且價格更經(jīng)濟。

圖6 連接件位移分析云圖

2 上肢外骨骼運動學(xué)分析

2.1 運動學(xué)分析

為了進一步說明非平面2自由度上肢康復(fù)外骨骼的安全性,采用D-H 分析法,對外骨骼進行運動學(xué)分析。首先建立外骨骼的機構(gòu)D-H 坐標系,具體如圖7所示,外骨骼D-H 參數(shù)如表2所示。

圖7 上肢康復(fù)外骨骼 坐標

表2 上肢康復(fù)外骨骼D-H 參數(shù)

上肢康復(fù)外骨骼D-H 坐標系中相鄰坐標系第i桿相對于i-1桿的位姿矩陣為Ti:

式中,sθi=sinθi,sαi=sinαi,cαi=cosαi,cθi=cosθi。根據(jù)式(1)和表2所示參數(shù),可求得各連桿的變換矩陣:

則末端坐標系與基坐標系之間的變換矩陣02T如式(4)所示:

為了驗證運動學(xué)方程,在M ATLAB中,以θ1=90°、θ2=0°為初始值,得到外骨骼仿真結(jié)果,具體如圖8所示,驗證了模型的正確性。

圖8 仿真結(jié)果

2.2 工作空間分析

通過工作空間分析能夠確定康復(fù)裝置的可達康復(fù)范圍,在實際任務(wù)的應(yīng)用中可以根據(jù)康復(fù)裝置的工作空間制定其康復(fù)軌跡。本研究選用蒙特卡羅法對工作空間進行求解,根據(jù)非平面2自由度機械臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)和關(guān)節(jié)變化范圍,利用MATLAB機器人工具箱軟件完成其工作空間分析,取θ1、θ2的角度變化范圍為0°~90°內(nèi)的隨機值帶入,當(dāng)N=30 000次可得非平面2自由度機械臂的工作空間范圍,如圖9所示。由圖9可以看出,其工作空間為連續(xù)的四分之一球面,代表機械臂的活動范圍滿足設(shè)計要求。

圖9 基于蒙特卡羅法的工作空間分析

3 康復(fù)機器人軌跡規(guī)劃仿真

患者的整個康復(fù)過程都需要外骨骼協(xié)助完成康復(fù)動作,而康復(fù)動作是外骨骼在可達工作空間內(nèi)通過一定軌跡制定。在MATLAB中可以進行外骨骼的末端軌跡制定,并能顯示各個運動關(guān)節(jié)的運動角度、角速度以及角加速度變化圖,這對分析外骨骼末端運動的穩(wěn)定性以及外骨骼的使用安全性有很重要的參考意義。

根據(jù)所設(shè)計的2自由度外骨骼,設(shè)定其起始關(guān)節(jié)變量q0=[0,0]和終點關(guān)節(jié)變量通過MATLAB進行運動仿真,當(dāng)外骨骼末端從初始點運動到終止點,外骨骼末端位置圖如圖10所示。各運動關(guān)節(jié)在外骨骼運動中的角位移、角速度和角加速度曲線如圖11所示。由圖11可以看出,兩個關(guān)節(jié)動作完成時間均為5 s,第1關(guān)節(jié)即肘關(guān)節(jié)的屈伸運動,從初始位置運動到45°;第2關(guān)節(jié)即肩關(guān)節(jié)的內(nèi)外旋轉(zhuǎn)運動,從初始位置運動到30°。第1關(guān)節(jié)和第2關(guān)節(jié)動作同時完成,肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的初始速度和終止速度均為0,初始點和終止點的加速度均為0,整個運動過程中曲線平滑連續(xù)無突變點,且符合康復(fù)外骨骼運動的穩(wěn)定性和安全性要求。

圖10 外骨骼末端位置圖

圖11 角位移、角速度和角加速度曲線圖

4 結(jié)論

本文針對上肢康復(fù)患者對康復(fù)訓(xùn)練以及生活輔助的需求,設(shè)計了一種非平面2自由度上肢康復(fù)外骨骼裝置。針對肘部的運動設(shè)計了柔性連接件,對裝置的主要連接件進行了有限元分析,驗證了其使用強度,確保了裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性。通過對上肢康復(fù)外骨骼裝置進行運動學(xué)分析及仿真,裝置的各個運動關(guān)節(jié)能夠在安全角度范圍內(nèi)進行運動,驗證了模型的合理性。由裝置的工作空間及軌跡規(guī)劃仿真結(jié)果可以看出,非平面2自由度上肢康復(fù)外骨骼裝置能夠以低自由度實現(xiàn)連續(xù)的四分之一球面訓(xùn)練空間,且運動過程平穩(wěn)。