上肢康復(fù)機器人設(shè)計

程秀芳，王騰飛，李文玉

(華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063009)

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上肢康復(fù)機器人設(shè)計

程秀芳，王騰飛，李文玉

(華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063009)

機構(gòu)；康復(fù)訓(xùn)練；安全限位；運動空間

隨著腦卒中患者的增多，由腦卒中引起的偏癱受到越來越多的關(guān)注。上肢偏癱嚴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)機器人。設(shè)計了一款能滿足患者肘關(guān)節(jié)屈、伸運動和前臂旋前、旋后運動的機械機構(gòu)。

引言

腦卒中也稱腦中風，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)在不斷進步，患者的死亡率在逐漸降低，但是由腦中風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，因此給家庭和社會帶來了極大的負擔。傳統(tǒng)的治療方式是醫(yī)師和患者進行一對一的單獨訓(xùn)練，這種方法效率低，價格比較昂貴，一般家庭難以承受。而且不同醫(yī)師的治療水平不同，很難保證每個患者都能得到高效的康復(fù)訓(xùn)練?？祻?fù)機器人是將機器人技術(shù)引入到康復(fù)醫(yī)學領(lǐng)域的產(chǎn)物，與傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練方法相比，康復(fù)機器人的出現(xiàn)使醫(yī)師從繁重的體力勞動中得以解放，不僅減弱了人為因素的影響，提高了康復(fù)訓(xùn)練的效率，而且隨著人機接口研究的深入，醫(yī)師還可以根據(jù)接口反饋出來的信息進行康復(fù)方案的改進，更有助于偏癱患者的康復(fù)訓(xùn)練。

上肢運動功能障礙對患者的日常生活影響很大，所以對上肢康復(fù)機器人的研究顯得尤為重要。目前多數(shù)康復(fù)機器人比較龐大，患者只能在醫(yī)院進行康復(fù)訓(xùn)練。針對這些問題，該項研究設(shè)計了可以穿戴在患者身上的上肢康復(fù)機器人，幫助患者實現(xiàn)肘關(guān)節(jié)屈伸運動和前臂旋前、旋后運動，患者既可在醫(yī)院又可在家中進行康復(fù)訓(xùn)練。

1 機構(gòu)總體設(shè)計方案

1.1 上肢康復(fù)機器人的設(shè)計要求

由于設(shè)計的康復(fù)機構(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，防止因為康復(fù)訓(xùn)練給患肢帶來二次傷害。設(shè)計的康復(fù)機構(gòu)要求能適應(yīng)不同患者肢體的長度，所以設(shè)計的康復(fù)機構(gòu)要設(shè)有調(diào)節(jié)件?；颊咴诓煌目祻?fù)階段，其運動的范圍也有所不同，設(shè)計的康復(fù)機構(gòu)要滿足患者不同康復(fù)階段的使用。由于患者肢體運動能力的喪失，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)機構(gòu)的推廣，設(shè)計的機構(gòu)盡量滿足經(jīng)濟性要求。還要保證機器人的運動空間和人體上肢的運動空間相一致。

1.2 上肢康復(fù)機器人的設(shè)計構(gòu)想

要保證康復(fù)機器人的輕便，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)過熱處理后，獲得了良好的物理性能、抗腐蝕性能和機械性能，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)屈伸運動和前臂旋前、旋后運動要求的轉(zhuǎn)矩和速度不同，所以要選擇不同的電機分別進行驅(qū)動。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)機器人運動范圍

患者的肢體運動受限，由于其康復(fù)訓(xùn)練是在康復(fù)機器人的帶動下進行的，所以設(shè)計的機器人的運動范圍應(yīng)小于人體正常運動時的范圍，表1為上肢康復(fù)機器人的運動范圍。

表1 上肢康復(fù)機器人的運動范圍

2 上肢康復(fù)機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 上肢康復(fù)機器人基本尺寸

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

表2 中國成年人人體尺寸數(shù)據(jù)

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

2.2 電機和減速器的選型

電機是機器人的動力源，選擇合適的電機對于康復(fù)機器人來說尤為重要。電機的轉(zhuǎn)速太快、轉(zhuǎn)矩太小，所以選擇電機的同時要選擇配套的減速器，兩者配合使用來滿足康復(fù)機器人低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的要求。

(1)

式中：

ρ—人體密度，kg/m3；

l—長度，mm；

C—周長，mm。

小臂質(zhì)量：小臂長度l=220 mm，小臂周長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，并將其簡化為一圓柱體，圓柱體的長度l=180 mm，周長C=165 mm，將長度和周長帶入上式中，求得手和腕部的總質(zhì)量m2：

(3)

給定前臂以18°/s的速度進行旋前80°、旋后80°運動，前臂旋轉(zhuǎn)運動時需要克服小臂、手和腕部的負載阻力，力臂為小臂的直徑，故負載轉(zhuǎn)矩T:

(4)

前臂旋轉(zhuǎn)運動時轉(zhuǎn)速可由給定的角速度求得：

(5)

前臂旋前、旋后運動的所需的功率:

(6)

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

表3 電機相關(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)屈伸運動時的速度為24°/s，電機需要克服的負載包括患者小臂重量、手和腕部的重量、康復(fù)機器人帶動肘關(guān)節(jié)屈伸運動裝置的重量以及腕關(guān)節(jié)電機的重量。由Creo軟件可得運動裝置的質(zhì)量m3=0.73 kg，腕關(guān)節(jié)電機的質(zhì)量由表3可以得到m4=0.3 kg，上臂處于水平位置時計算上臂的力矩，此時重力的力臂最長，運動裝置的質(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，所以力臂的長度取l=220 mm，肘關(guān)節(jié)屈伸運動時的負載轉(zhuǎn)矩為：

(7)

前臂屈伸時的轉(zhuǎn)速可由給定的角速度求得：

(8)

肘關(guān)節(jié)進行屈伸運動時所需的功率為：

(9)

考慮到電機功率的儲備系數(shù)，選擇Maxon公司的A-max 32無刷直流電機，電機參數(shù)如表4所示。

表4 電機相關(guān)參數(shù)

注：出軸φ6，L=10 mm，質(zhì)量M=500 g

2.3 康復(fù)機器人的本體結(jié)構(gòu)

康復(fù)機器人系統(tǒng)簡圖如圖1所示：

1-肩部支撐；2-上臂長度調(diào)節(jié)件；3-電機；4-錐齒輪；5-限位銷；6-限位擋板；7-軸；8-錐齒輪；9-電機；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3通過和其配套的減速器驅(qū)動錐齒輪4轉(zhuǎn)動，錐齒輪4和錐齒輪8嚙合帶動軸7轉(zhuǎn)動，軸在轉(zhuǎn)動的同時帶動前臂調(diào)節(jié)件一起轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)肘關(guān)節(jié)的屈伸運動。限位擋板6隨著軸一起轉(zhuǎn)動，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9通過和其配套的減速器驅(qū)動直齒輪10轉(zhuǎn)動，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帶動患者的前臂實現(xiàn)的旋前、旋后運動，限位銷13隨著扇形直齒輪一起轉(zhuǎn)動，當限位銷接觸到導(dǎo)軌時扇形齒輪停止運動，可起到安全限位的作用。

2.4 傳動系統(tǒng)的設(shè)計

采用一對直齒輪和一對錐齒輪傳動，直齒輪和錐齒輪的精度等級均采用8級，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)機器人3D模型。

圖2 上肢康復(fù)機器人虛擬樣機

3 結(jié)論

設(shè)計了一種新型上肢康復(fù)機器人，其特點是結(jié)構(gòu)簡單、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。

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

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

[2]羅東峰. 桌面式上肢康復(fù)機器人控制研究[D]. 西安:中國科學院西安光學精密機械研究所，2012.

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