用于肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的單輸入三轉(zhuǎn)動(dòng)輸出并聯(lián)機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)

沈惠平　楊梁杰　鄧嘉鳴　張曉玉　沈曉軍

1.常州大學(xué)，常州，213016 　　 2.國(guó)家康復(fù)輔具研究中心，北京，100176

用于肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的單輸入三轉(zhuǎn)動(dòng)輸出并聯(lián)機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)

沈惠平1楊梁杰1鄧嘉鳴1張曉玉2沈曉軍2

1.常州大學(xué)，常州，213016 2.國(guó)家康復(fù)輔具研究中心，北京，100176

根據(jù)人體肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)生理特點(diǎn)和康復(fù)機(jī)理,將三轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)用于人體球窩肩關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練,設(shè)計(jì)了一種單輸入三轉(zhuǎn)動(dòng)輸出并聯(lián)式肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)；通過(guò)分析該機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性，計(jì)算出了該機(jī)構(gòu)的耦合度為零，因此，可以直接推導(dǎo)出其位置正逆解析解，而無(wú)需復(fù)雜的代數(shù)消元推導(dǎo)計(jì)算；在ADAMS環(huán)境下進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，仿真結(jié)果證實(shí)了設(shè)計(jì)的可行性；應(yīng)用UGNX軟件設(shè)計(jì)了該肩關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練虛擬樣機(jī)，為實(shí)體樣機(jī)的設(shè)計(jì)與研制提供了參考。

并聯(lián)機(jī)構(gòu)；康復(fù)機(jī)器人；肩關(guān)節(jié)；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

0　引言

肢體運(yùn)動(dòng)功能障礙逐漸成為影響老年人和殘障人士正常生活的常見問(wèn)題，約70%的患者存在不同程度的上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙[1]。上肢運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)對(duì)患者的日常生活能力影響很大，已成為現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)和醫(yī)療工程的研究熱點(diǎn)。

肩關(guān)節(jié)是人體上肢活動(dòng)的基礎(chǔ)，通過(guò)肩關(guān)節(jié)的活動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)上肢的大范圍運(yùn)動(dòng)，肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)是肘、腕、指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)的前提條件。同時(shí)，單關(guān)節(jié)訓(xùn)練是復(fù)合動(dòng)作訓(xùn)練的基礎(chǔ)，在康復(fù)的初期和中期，患者的情況也不允許做復(fù)合運(yùn)動(dòng)[2]。傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練方法是康復(fù)治療師的徒手操作或采用簡(jiǎn)單的器械輔助患者進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動(dòng)，這些方式的訓(xùn)練效率和訓(xùn)練強(qiáng)度難以保證，已不能滿足患者的要求。因此，根據(jù)“按需輔助”的原則[3]，鼓勵(lì)患者發(fā)揮自主能動(dòng)力，從傳統(tǒng)的人工被動(dòng)引導(dǎo)模式向機(jī)器運(yùn)動(dòng)模式轉(zhuǎn)變，研發(fā)單獨(dú)針對(duì)肩關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人研究的起步時(shí)期是20世紀(jì)80年代,目前美國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)家已處于領(lǐng)先地位,我國(guó)對(duì)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究相對(duì)較晚。然而，國(guó)外單獨(dú)針對(duì)肩關(guān)節(jié)的并聯(lián)康復(fù)裝置很少，大多是針對(duì)整個(gè)人體上肢(包括腕、肘、肩關(guān)節(jié))的康復(fù)訓(xùn)練裝置，并且這些裝置結(jié)構(gòu)原理大多較為復(fù)雜。比如,瑞士蘇黎世大學(xué)開發(fā)的新型上肢康復(fù)機(jī)器人ARMin,具有6個(gè)自由度和4種運(yùn)動(dòng)模式,安裝有力傳感器和位移傳感器，可協(xié)助患肢的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)進(jìn)行復(fù)合運(yùn)動(dòng)[4];美國(guó)麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人MIT-MANUS[5]具有2個(gè)自由度,采用五連桿機(jī)構(gòu)，由2個(gè)無(wú)刷電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，用于患者的肩、肘在水平和豎直平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，有助于恢復(fù)患者由于中風(fēng)而癱瘓的肩部和肘部的運(yùn)動(dòng)功能。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置大多是公共場(chǎng)所的健身器械，通過(guò)手握把手做圓周運(yùn)動(dòng)，改善肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)柔韌性與靈活性。國(guó)內(nèi)高校也研制了一些上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)的五自由度穿戴式外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人[6],它能夠完成肩、肘、腕部單關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)、雙關(guān)節(jié)及三關(guān)節(jié)復(fù)合運(yùn)動(dòng)。

本文創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種新型并聯(lián)式肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置，其主機(jī)構(gòu)為文獻(xiàn)[7]提出的單輸入三轉(zhuǎn)動(dòng)輸出并聯(lián)機(jī)構(gòu){-R-R-S-}+{-S-S-}+{-S-},該機(jī)構(gòu)契合人體球窩肩關(guān)節(jié)的三轉(zhuǎn)動(dòng)特征。

1　問(wèn)題的提出

人體肩關(guān)節(jié)作為全身最靈活的球窩關(guān)節(jié),有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，即在3個(gè)相互垂直的運(yùn)動(dòng)軸上可進(jìn)行屈伸、收展、環(huán)轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)[8]。

以下為敘述方便，以人體右上肢為例，設(shè)定肩關(guān)節(jié)坐標(biāo)系為OXYZ，如圖1所示。其中,坐標(biāo)原點(diǎn)O與在冠狀面內(nèi)的肩關(guān)節(jié)球窩重合;X軸垂直于冠狀面,方向與矢狀軸一致；Y軸在冠狀面內(nèi)且垂直于水平面,方向與垂直軸一致;Z軸在冠狀面內(nèi),方向與冠狀軸相反。如圖2所示,根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)生理學(xué)[9]特征可得肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方式。

圖1　人體肩關(guān)節(jié)坐標(biāo)系

(1)圖2a所示為前屈、后伸運(yùn)動(dòng)[10]。在矢狀面(OXY面)內(nèi),右手臂繞Z軸旋轉(zhuǎn),從Z軸開始順時(shí)針為后伸，逆時(shí)針為前屈。正常運(yùn)動(dòng)范圍為:前屈0°～ 180°,后伸0°～ 50°。

(2)圖2b所示為外展、內(nèi)收運(yùn)動(dòng)。在冠狀面(OYZ面)內(nèi)，右手臂繞X軸旋轉(zhuǎn),從X軸開始順時(shí)針為外展，逆時(shí)針為內(nèi)收。正常運(yùn)動(dòng)范圍為:外展0°～ 180°,內(nèi)收0°～ 45°。

(3)圖2c所示為環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在平行于水平面(OXZ面)內(nèi),右手臂繞Y軸旋轉(zhuǎn)為環(huán)轉(zhuǎn)。正常運(yùn)動(dòng)范圍為：從Y軸開始順時(shí)針0°～ 30°，逆時(shí)針0°～ 140°。

(a)前屈、后伸(b)外展、內(nèi)收(c)環(huán)轉(zhuǎn)圖2　人體肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)形式

顯然,上述肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)必須實(shí)現(xiàn)繞球窩前屈后伸、外展內(nèi)收、環(huán)轉(zhuǎn)的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輸出，這是設(shè)計(jì)肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。

2　肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出一種新型的并聯(lián)式肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置,其主機(jī)構(gòu)為單輸入三轉(zhuǎn)動(dòng)輸出并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如圖3a所示。該機(jī)構(gòu)由3條簡(jiǎn)單支鏈SOC1{-R11‖R12-S13-}、SOC2{-S21-S22-}和SOC3{-S31-},連接動(dòng)平臺(tái)(上臂)及靜平臺(tái)(肩座)組成，如圖3b所示。這里,穿戴并固定于人體的肩座相當(dāng)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的靜平臺(tái),人體上臂的肩關(guān)節(jié)為球(肱骨頭)窩(肩胛盂)關(guān)節(jié),當(dāng)作了球副(S31);人體的上臂本身當(dāng)作了動(dòng)平臺(tái),因此,簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)的組成。只要肩座的安裝位置準(zhǔn)確,認(rèn)為S31與人體肩關(guān)節(jié)球窩充分重合，因S31與人體肩關(guān)節(jié)球窩不充分重合引起的該處到其他各關(guān)節(jié)的距離變化微小，可以忽略。

(a)單輸入三維轉(zhuǎn)動(dòng)輸出并聯(lián)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖(b)肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置的安裝圖3　新型并聯(lián)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)的自由度為1,僅需1個(gè)輸入，而具有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輸出，其中，僅1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)為獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，另2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)為非獨(dú)立的寄生(衍生、派生)運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)證明如下。

2.2機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算

2.2.1自由度計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[11],具有v個(gè)獨(dú)立回路的并聯(lián)機(jī)構(gòu)可視為由動(dòng)靜平臺(tái)和兩者之間并聯(lián)的v+1條支路組成，則并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度F為

(1)

(2)

式中,fi為第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副的自由度；m為運(yùn)動(dòng)副數(shù)；v為獨(dú)立回路數(shù)；ξLj為第j個(gè)獨(dú)立回路的獨(dú)立位移方程數(shù)；dim{*}為求維數(shù)函數(shù);Mbi為第i條支路末端的方位特征集(positionandcharacteristics,POC)。

于是，由SOC1、SOC3組成的第一個(gè)獨(dú)立回路的ξL1為

ξL1=dim{Mb1∪Mb3}=

(3)

其中,M的下標(biāo)b1、b3表示支鏈1、3；t、r表示移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)；t(0)、t(1)、t(2)分別表示0、1、2個(gè)移動(dòng)，r(3)表示3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，下同。式(3)中，大括號(hào)中元素為非獨(dú)立元素，用中括號(hào)括起來(lái)的元素為獨(dú)立元素，下同。詳見文獻(xiàn)[11]。

該子并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度為

該子并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)的方位特征集為

Mpa(1-3)=Mb1∩Mb3=

其中，M的下標(biāo)pa(1-3)表示由支鏈1、3組成的子并聯(lián)機(jī)構(gòu)。

由該子并聯(lián)機(jī)構(gòu)與SOC2組成的第二個(gè)獨(dú)立回路的ξL2為

ξL2=dim{Mpa(1-3)∪Mb2}=

因此,由式(1)可知,該并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度為

2.2.2輸出平臺(tái)的方位特征分析

2.3機(jī)構(gòu)耦合度分析

由文獻(xiàn)[11]可知,獨(dú)立回路數(shù)為v的基本運(yùn)動(dòng)鏈(basickinematicchain,BKC)可由v個(gè)單開鏈(SOC(Δj),j=1,2,…,v)依次連接而成，則耦合度κ為

(4)

式中,Δj為第j個(gè)SOCj的單開鏈SOCj約束度;mj為第j個(gè)SOCj的運(yùn)動(dòng)副數(shù);Ij為第j個(gè)SOCj的驅(qū)動(dòng)副數(shù)。

式(4)中，應(yīng)選取BKC分解為v個(gè)SOC(Δj)時(shí)，回路可能分配方案中∑|Δj|的最小值,則機(jī)構(gòu)的耦合度κ值計(jì)算過(guò)程如下。

取第1個(gè)單開鏈為SOC1{-R11‖R12-S13-S31-},因ξL1=6,I1=1,所以

取第2個(gè)開鏈為SOC2{-R(S13-S31)|S22-S21-},因ξL2=6,I2=0,所以

這樣，該機(jī)構(gòu)包含2個(gè)基本運(yùn)動(dòng)鏈，其耦合度均為κ=0，因此，可直接推導(dǎo)出解析解，而不必進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)、消元計(jì)算。

3　機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

為方便計(jì)算，設(shè)定該機(jī)構(gòu)的靜坐標(biāo)系與第1節(jié)建立的肩關(guān)節(jié)坐標(biāo)系完全重合一致,如圖3b所示,并選定肩關(guān)節(jié)球窩S31與靜坐標(biāo)系原點(diǎn)O重合，Y軸為S31R11方向，X軸垂直于Y軸，Z軸由右手螺旋確定。如圖3a所示,R11的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與X軸平行。選取D為動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)O′，Y′軸為DS13方向，X′軸垂直于Y′軸，Z′軸由右手螺旋確定。由于動(dòng)平臺(tái)面ΔDS13S22與桿DS31桿固結(jié)且垂直，是一個(gè)整體，所以DS31桿為一虛擬桿，實(shí)際為人體上臂懸架的中心線，如圖3b所示。

Rα,β,γ=Rα,xRβ,yRγ,z=

其中，s、c分別代表sin、cos，則動(dòng)平臺(tái)上任意一點(diǎn)Si在靜坐標(biāo)系下的坐標(biāo)可表示為

Si=Rα,β,γSi′+p

(5)

式中,Si、Si′為該點(diǎn)在靜動(dòng)坐標(biāo)系下的坐標(biāo);p為動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)O′在靜坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

3.1位置正解求解式

正解問(wèn)題歸結(jié)為已知輸入角θ,求動(dòng)平臺(tái)的姿態(tài)角,即上臂的三個(gè)擺動(dòng)角α、β、γ。

3.1.1靜坐標(biāo)系下所有點(diǎn)的坐標(biāo)表示

(2)求點(diǎn)S13的坐標(biāo)。設(shè)桿R12S13與Y軸的夾角為θ′，則S13坐標(biāo)為(0,a+l1cosθ+l2cosθ′,l1sinθ+l2sinθ′),即XS13=0,YS13=α+l1cosθ+l2cosθ′,ZS13=l1sinθ+l2sinθ1,由幾何條件lS31S13=m可知：

(a+l1cosθ+l2cosθ′)2+(l1sinθ+l2sinθ′)2=m2

求得

(6)

A1=2l2(a+l1cosθ)B1=2l1l2sinθ

(3)求點(diǎn)S22的坐標(biāo)。設(shè)點(diǎn)S22的坐標(biāo)為(XS22,YS22,ZS22)，由幾何條件，lS22S21=l3,lS22S31=n，lS22S13=f可得S22點(diǎn)的位置如下：

(7)

B2=2u1(k1-XS31)+2u2(k2-ZS31)-2YS31

u1=

k1=

u2=

k2=

(4)求點(diǎn)D的坐標(biāo)

由幾何條件lDS13=d，lDS31=l4,lDS22=e,用同樣的方法易求出點(diǎn)D的位置如下：

(8)

B3=2u3(k3-XS31)+2u4(k4-ZS31)-2YS31

u3=

k3=

u4=

由式(5)可得S13、S22在靜坐標(biāo)系下的坐標(biāo)：

(9)

(10)

由式(9)及式(10)得

E2=dcosγE3=-dsinβsinγ

E4=YD-YS13

3.2位置逆解的求解

已知?jiǎng)悠脚_(tái)姿態(tài)角α、β、γ中的任一個(gè)角，求機(jī)構(gòu)的輸入驅(qū)動(dòng)θ。

S13的坐標(biāo)可由式(9)表示。

由幾何約束lR12S13=l2，可求出θ:

(11)

A4=-2l1(YS13-a)

B4=-2l1ZS13

設(shè)計(jì)肩關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人裝置，必須考慮人體肩和上肢的運(yùn)動(dòng)范圍，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《中國(guó)成年人人體尺寸》(GB10000-1988)，正常成人男性的上臂長(zhǎng)小于等于333mm，上臂圍為275mm左右[12]。

選取該康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：a=70mm，b=95mm，c=108mm，d=60mm，e=60mm，f=64mm，l1=18mm，l2=105mm,l3=110mm,l4=100mm。

例選取θ=30°、150°、270°,則由式(6)～式(11)通過(guò)MATLAB編程,計(jì)算出該機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)輸出角α、β、γ分別有8組正解,如表1所示。分別將這8組正解值代入逆解方程(式(11))，可得到主動(dòng)輸入轉(zhuǎn)角θ,從而驗(yàn)證了位置正解求解的正確性。

若取曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ω=30°/s,通過(guò)ADAMS仿真,得到動(dòng)平臺(tái)姿態(tài)角α、β、γ變化規(guī)律，如圖4中的1、2、3曲線所示，且與表1中通過(guò)MATLAB編程得到的No.4、No.12、No.20正解值完全一致，從而驗(yàn)證了正反解的正確性。

由圖4可知,α的取值范圍為-54.5°～27.3°,β的范圍為-2.9°～17.6°,γ的取值范圍為-31.7°～6.6°,即該機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)前屈0°～31.7°,后伸0°～6.6°,外展0°～44.5°,內(nèi)收0°～27.3°,環(huán)轉(zhuǎn)-2.9°～17.6°。

表1　機(jī)構(gòu)正解數(shù)值算例解

圖4　α、β、γ變化曲線

不難發(fā)現(xiàn)，該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的肩關(guān)節(jié)的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輸出在正常人體肩關(guān)節(jié)的活動(dòng)度范圍之內(nèi)，對(duì)骨折早期(制動(dòng)期)活動(dòng)度受限的患者，也可實(shí)現(xiàn)小范圍、勻速慢速的肩關(guān)節(jié)康復(fù)。由于該機(jī)構(gòu)的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輸出并不獨(dú)立而是表現(xiàn)為一種復(fù)合運(yùn)動(dòng)，所以該機(jī)構(gòu)還可以應(yīng)用于中醫(yī)推拿，它的復(fù)合運(yùn)動(dòng)類似推拿的“搖法”,使肩關(guān)節(jié)產(chǎn)生被動(dòng)性的環(huán)形運(yùn)動(dòng)，可以代替人工推拿，起到器械康復(fù)輔助作用。

4　康復(fù)訓(xùn)練虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)

在UGNX軟件中完成的肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練虛擬機(jī)設(shè)計(jì)，如圖5所示。

(a)整體樣機(jī)(b)穿戴裝置

(c)主機(jī)構(gòu)(d)穿戴環(huán)架圖5　并聯(lián)式肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練虛擬樣機(jī)

該康復(fù)裝置需穿戴于人體上，穿戴裝置(圖5b)材料可采用工程塑料；其主構(gòu)件(圖5c)采用輕質(zhì)的鋁合金材料；主構(gòu)件的肩座部分B與穿戴裝置A部分用鉚釘固定在一起。為便于穿戴,與人體上臂固定的圓形穿戴環(huán)架由兩個(gè)半環(huán)通過(guò)鉸鏈D連接(圖5d);為了適應(yīng)不同康復(fù)訓(xùn)練者人體尺寸的要求，穿戴環(huán)架上的球副架E固定，而球副架F則可沿圓形穿戴環(huán)架移動(dòng)，并通過(guò)螺栓G與穿戴環(huán)架固定，以便于調(diào)節(jié)尺寸。

該裝置可有效用于某些肩關(guān)節(jié)病癥患者的康復(fù)訓(xùn)練，其訓(xùn)練方式仍屬于被動(dòng)康復(fù)方式，但具有結(jié)構(gòu)緊湊、驅(qū)動(dòng)件少、加工裝配簡(jiǎn)易、患者自主使用操作方便、無(wú)需康復(fù)治療師幫助等優(yōu)點(diǎn)[13],其樣機(jī)研制詳見文獻(xiàn)[14]。

5　結(jié)論

提出將三轉(zhuǎn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)用于人體球窩肩關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種基于單輸入三轉(zhuǎn)動(dòng)輸出并聯(lián)機(jī)構(gòu){-R-R-S-}+{-S-S-}+{-S-}的新型肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)，拓展了并聯(lián)機(jī)構(gòu)在人體康復(fù)工程中的應(yīng)用范圍。

(1)通過(guò)該機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析，計(jì)算出機(jī)構(gòu)的耦合度為零，因此，直接推導(dǎo)出其位置解析正逆解；并在ADAMS環(huán)境下對(duì)該裝置進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

(2)用UGNX設(shè)計(jì)了可穿戴于人體的肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練虛擬樣機(jī)，并對(duì)有關(guān)的安裝部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝置的使用進(jìn)行了說(shuō)明。

(3)該并聯(lián)式肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、輕量化、可穿戴、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，患者自主使用操作方便，無(wú)需康復(fù)治療師幫助，即可實(shí)現(xiàn)人體肩關(guān)節(jié)的康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練要求，為人體肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練提供了一種新的康復(fù)方案和器具。

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(編輯王艷麗)

A One-input Three-rotation Output Parallel Mechanism and Its Kinematics Design Used for Shoulder Rehabilitation

Shen Huiping1Yang Liangjie1Deng Jiaming1Zhang Xiaoyu2Shen Xiaojun2

1.Changzhou University, Changzhou,Jiangsu,213016 2.National Research Center for Rehabilitation Technical Aids, Beijing, 100176

According to the physiological characteristics and rehabilitation mechanism of human shoulder,a three-rotation parallel mechanism used in rehabilitation training of human ball-and-socket shoulder joint was proposed, and a single-input and three-rotation output parallel shoulder rehabilitation training device was designed. Through the analysis of topological structure of the mechanism, its coupling degree was calculated to be zero, so its forward and inverse displacement solution was directly deduced, without the needs for complex algebraic elimination derivation calculation. The motion simulation was finished by ADAMS and the feasibility of the design was confirmed by its simulation results. Finally, the rehabilitation training virtual prototype was designed by UGNX software, which laid a foundation for the design and manufacture of the prototype.

parallel mechanism;rehabilitation robot; shoulder joint;kinematics analysis

2014-06-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51075045，51375062)

TP242DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.22.001

沈惠平,男,1965年生。常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)闄C(jī)構(gòu)學(xué)、并聯(lián)機(jī)器人、機(jī)械設(shè)計(jì)。獲省、部級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。獲發(fā)明專利35項(xiàng)。發(fā)表論文140余篇。楊梁杰，女，1990年生。常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。鄧嘉鳴,男,1963年生。常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。張曉玉，男，1949年生。國(guó)家康復(fù)輔具研究中心教授。沈曉軍,男,1978年生。國(guó)家康復(fù)輔具研究中心助理工程師。