一種新型四自由度的上肢康復(fù)機(jī)器人

張偉勝，喻洪流，黃小海，魏文韜，孟巧玲，王多琎

1.上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院康復(fù)工程與技術(shù)研究所，上海市 200093；2.上?？祻?fù)器械工程技術(shù)研究中心，上海市 200093；3.民政部神經(jīng)功能信息與康復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市 200093

《2017年中國(guó)卒中防治報(bào)告》指出，我國(guó)40 歲以上人群現(xiàn)患和曾患腦卒中人數(shù)為1242 萬[1]，腦卒中患者年輕化趨勢(shì)明顯，存活人群中70%留有不同程度的后遺癥[2]。偏癱是腦卒中患者最常見的后遺癥，大多數(shù)偏癱患者會(huì)出現(xiàn)上肢功能障礙，極大地影響患者的日常生活[3?4]?，F(xiàn)代康復(fù)理論與實(shí)踐證明，科學(xué)合理的康復(fù)訓(xùn)練對(duì)于腦卒中偏癱患者的康復(fù)治療至關(guān)重要[5?7]。傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練是在康復(fù)治療師的幫助下，以一對(duì)一的方式徒手或者使用輔助器具引導(dǎo)患者完成大量的重復(fù)性動(dòng)作，這種訓(xùn)練方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下，而且無法保證訓(xùn)練的強(qiáng)度，缺乏相應(yīng)的評(píng)估參數(shù)，難以對(duì)康復(fù)訓(xùn)練進(jìn)行分析優(yōu)化[8?9]。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展及醫(yī)工結(jié)合的不斷加強(qiáng)，具有康復(fù)訓(xùn)練及評(píng)估功能的上肢康復(fù)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，并在腦卒中患者運(yùn)動(dòng)康復(fù)領(lǐng)域得到快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用[10?13]。

目前國(guó)內(nèi)外已研制多款用于康復(fù)訓(xùn)練的上肢康復(fù)機(jī)器人，但研究發(fā)現(xiàn)大部分上肢康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)都采用串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，即將驅(qū)動(dòng)電機(jī)及各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在距離執(zhí)行裝置較近的地方，如機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)處[14?16]。具有代表性的ARMin III由瑞士蘇黎世大學(xué)研發(fā)，是一款可實(shí)現(xiàn)上肢各關(guān)節(jié)主/被動(dòng)訓(xùn)練的六自由度上肢康復(fù)機(jī)器人。為了便于控制，該機(jī)器人在每個(gè)自由度上均安裝有位置及6 維力矩傳感器，使得整個(gè)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大[17?19]。安陽神方康復(fù)機(jī)器人有限公司研發(fā)的“靈動(dòng)”上肢康復(fù)機(jī)器人是國(guó)內(nèi)十分成熟的上肢康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)品，該機(jī)器人能在三維空間里幫助患者完成主/被動(dòng)模式下的單關(guān)節(jié)和多關(guān)節(jié)復(fù)合訓(xùn)練，對(duì)患者的訓(xùn)練效果顯著。但與ARMin III類似，“靈動(dòng)”機(jī)器人將電機(jī)直接安裝于上肢各關(guān)節(jié)處使得機(jī)械臂龐大且笨重，同時(shí)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲及輻射會(huì)使患者產(chǎn)生一定的不適感，影響訓(xùn)練效果[20?21]。為了克服康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)中串聯(lián)式結(jié)構(gòu)的弊端，本研究提出一種將肩、肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及信息檢測(cè)系統(tǒng)集中放置在基座內(nèi)的新型設(shè)計(jì)思路，并基于該設(shè)計(jì)思路完成樣機(jī)的制作。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究中的上肢康復(fù)機(jī)器人將三個(gè)驅(qū)動(dòng)肩、肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的電機(jī)布置于同一基座，通過同步帶傳動(dòng)系統(tǒng)將三個(gè)電機(jī)的動(dòng)力源互不干擾地平行傳出，再通過主傳動(dòng)桿和弧齒錐齒輪等傳動(dòng)部件進(jìn)行動(dòng)力換向，最終將動(dòng)力傳輸至肩、肘關(guān)節(jié)處，實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展功能及肩、肘關(guān)節(jié)屈曲/伸展功能。另外由于腕關(guān)節(jié)處的驅(qū)動(dòng)電機(jī)較小，因此借鑒了外骨骼機(jī)器人將電機(jī)外置的優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械臂末端設(shè)置微型動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)屈曲/伸展功能，其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1。這樣的設(shè)計(jì)使得機(jī)械臂的體積和質(zhì)量大大減小，布局更加緊湊，而且有效克服了電機(jī)直接安裝在關(guān)節(jié)處產(chǎn)生的巨大噪聲和輻射等問題。同時(shí)由于錐齒輪可以通過旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)360°內(nèi)任意角度的垂直傳遞，所以可以通過旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂來實(shí)現(xiàn)左/右手互換訓(xùn)練，從而提高上肢康復(fù)機(jī)器人的使用效率，其樣機(jī)實(shí)物如圖2。

1.2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)及安全性設(shè)計(jì)

機(jī)械臂主要包括肩桿、上臂桿、前臂桿和腕關(guān)節(jié)四個(gè)部分，考慮到上肢康復(fù)機(jī)器人的適用性要求，機(jī)器人尺寸需要嚴(yán)格對(duì)照人體參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)中國(guó)成年人人體尺寸國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB 10000?1988)，本研究中取機(jī)械臂肩桿長(zhǎng)200 mm，上臂長(zhǎng)385 mm，前臂長(zhǎng)253 mm，腕關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)長(zhǎng)180 mm，其總體結(jié)構(gòu)如圖3。

圖1 上肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 上肢康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)

上肢康復(fù)機(jī)器人作為替代康復(fù)治療師為患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的設(shè)備，為避免康復(fù)過程中對(duì)患者造成二次傷害，其安全性設(shè)計(jì)尤為重要[22?23]。本研究中的上肢康復(fù)機(jī)器人分別從機(jī)械、硬件和軟件三個(gè)方面對(duì)安全性進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，機(jī)械臂四個(gè)關(guān)節(jié)處分別設(shè)有卡槽，每個(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍如表1 所示，通過卡槽的形式將機(jī)械臂上肢的活動(dòng)范圍限制在安全的活動(dòng)范圍內(nèi)，即在機(jī)械臂的極限位置設(shè)有限位，如圖4。其次，系統(tǒng)的上電和斷電過程分別設(shè)計(jì)有獨(dú)立按鈕并引入急停開關(guān)，防止緊急情況下的誤觸發(fā)操作，同時(shí)對(duì)機(jī)體進(jìn)行安全接地。軟件上設(shè)有最大運(yùn)行角度、速度檢查和電流過流保護(hù)等功能，全方位保證患者的安全。

表1 上肢康復(fù)機(jī)器人各自由度活動(dòng)度

圖3 機(jī)械臂總體結(jié)構(gòu)

圖4 機(jī)械臂各關(guān)節(jié)限位結(jié)構(gòu)

1.3 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

上肢康復(fù)機(jī)器人需要帶動(dòng)患者患肢完成一定量的重復(fù)性動(dòng)作，因此其負(fù)載主要來源于機(jī)械臂自重及患者手臂的重量，其中機(jī)械臂自重可以在SolidWorks 中建好三維模型，然后添加材料由計(jì)算機(jī)計(jì)算得出：機(jī)械臂整體質(zhì)量約為6.67 kg，肩桿質(zhì)量約為2.62 kg，機(jī)械上臂約1.82 kg，機(jī)械前臂約1.27 kg?；颊呤直圪|(zhì)量根據(jù)我國(guó)成年人標(biāo)準(zhǔn)體重表和人體質(zhì)量分布等數(shù)據(jù)可知，90%左右男性的上肢質(zhì)量約≤3.55 kg，前臂及手的質(zhì)量約≤1.75 kg，單手質(zhì)量約≤0.64 kg。

在進(jìn)行肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，當(dāng)上肢處于水平狀態(tài)時(shí)，肩關(guān)節(jié)兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)所需力矩達(dá)到最大，因此，肩關(guān)節(jié)屈曲/伸展運(yùn)動(dòng)最大力矩為：

肩關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展運(yùn)動(dòng)最大力矩為：

由于同步帶傳動(dòng)效率為0.98，弧齒錐齒輪傳動(dòng)效率為0.99，因此驅(qū)動(dòng)肩關(guān)節(jié)屈曲/伸展運(yùn)動(dòng)的最小力矩為：

η1為肩關(guān)節(jié)屈曲/伸展傳動(dòng)效率

由于肩關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在肩關(guān)節(jié)處有1∶2的傳動(dòng)比，因此驅(qū)動(dòng)肩關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展運(yùn)動(dòng)的最小力矩為：

η2為肩關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展傳動(dòng)效率

同理可分別求得肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)自由度的動(dòng)力參數(shù)，各自由度的動(dòng)力參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 上肢康復(fù)機(jī)器人各自由度動(dòng)力參數(shù)

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上肢康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的制定，直接影響康復(fù)訓(xùn)練效果。本文設(shè)計(jì)的上肢康復(fù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)分為四個(gè)部分，包括主控系統(tǒng)、智能交互系統(tǒng)、圖形用戶界面系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)。主控系統(tǒng)作為上肢康復(fù)機(jī)器人控制的核心，協(xié)調(diào)各個(gè)系統(tǒng)工作；智能交互系統(tǒng)通過采集患者運(yùn)動(dòng)意圖及運(yùn)動(dòng)指令，為上肢功能障礙患者提供不同的康復(fù)訓(xùn)練模式；圖形用戶界面系統(tǒng)用于信息呈現(xiàn)功能，具有不同應(yīng)用模型；虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)渲染日常生活場(chǎng)景，患者可以在虛擬場(chǎng)景中訓(xùn)練日常生活動(dòng)作，從而提高患者參與康復(fù)訓(xùn)練的興趣?？刂葡到y(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖5。

主控系統(tǒng)作為上肢康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心，使用CAN 總線連接伺服力矩控制系統(tǒng)，利用CAN 通信協(xié)議對(duì)伺服電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制；通過模擬量采集的方式連接運(yùn)動(dòng)意圖采集系統(tǒng)，對(duì)采集的模擬量信號(hào)進(jìn)行解算得到患者的運(yùn)動(dòng)意圖；通過轉(zhuǎn)換芯片將USB 總線邏輯轉(zhuǎn)換成UART 總線邏輯進(jìn)行交互信息傳遞；此外，主控系統(tǒng)還以SPI總線方式連接語音控制模塊，利用語音控制模塊可以進(jìn)行聲音的人機(jī)交互及對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人的工作狀態(tài)進(jìn)行控制與提示。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 康復(fù)訓(xùn)練仿真與實(shí)驗(yàn)研究

3.1 康復(fù)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃

康復(fù)機(jī)器人通過帶動(dòng)患者患肢完成一定的重復(fù)性動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練的目的。為了使機(jī)器人能夠完成特定的運(yùn)動(dòng)，本研究選用基于關(guān)節(jié)空間的三次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃法，并運(yùn)用MATLAB 中的Robotics Toolbox模塊對(duì)上肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行軌跡規(guī)劃[24?26]。

上肢康復(fù)的目的是恢復(fù)患者的日常生活能力，因此選用康復(fù)過程中常用的取物動(dòng)作和畫四邊形動(dòng)作來進(jìn)行軌跡規(guī)劃。由于上肢康復(fù)機(jī)人的康復(fù)運(yùn)動(dòng)必須具有重復(fù)性，所以將康復(fù)運(yùn)動(dòng)軌跡分為6 個(gè)階段，第1階段為機(jī)器人機(jī)械臂末端手柄從原點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)到初始位置，其余5 個(gè)階段為從初始位置回到初始位置的過程。為了得到設(shè)定的軌跡，本研究根據(jù)正常人在該機(jī)器上進(jìn)行取物動(dòng)作和畫四邊形動(dòng)作，通過各關(guān)節(jié)角度傳感器記錄各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度，計(jì)算得到三次多項(xiàng)式的系數(shù)，最終求得的軌跡規(guī)劃方程組為角度關(guān)于時(shí)間的函數(shù)。根據(jù)得到的角度時(shí)間關(guān)系，在MATLAB 中繪制出各關(guān)節(jié)角度?時(shí)間曲線，將角度時(shí)間關(guān)系分別代入正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，從而得到兩種康復(fù)動(dòng)作的軌跡，如圖6。

3.2 實(shí)驗(yàn)研究

3.2.1單自由度運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)

單關(guān)節(jié)被動(dòng)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)主要是為了驗(yàn)證上肢康復(fù)機(jī)器人傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的合理性和各個(gè)關(guān)節(jié)單獨(dú)運(yùn)動(dòng)的可行性。本研究通過上肢功能正常的實(shí)驗(yàn)者在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)。設(shè)定肩關(guān)節(jié)屈曲/伸展角度為-60°～60°，肩關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展角度為-15°～70°，肘關(guān)節(jié)屈曲/伸展角度為0～60°，腕關(guān)節(jié)屈曲/伸展角度為-45°～45°，運(yùn)動(dòng)速度均設(shè)為3 r/min。測(cè)試結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)者在被動(dòng)訓(xùn)練時(shí)各關(guān)節(jié)均能按照設(shè)定的速度達(dá)到設(shè)定的位置，且整個(gè)測(cè)試過程中，運(yùn)動(dòng)平滑穩(wěn)定，無干涉情況，驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)的傳動(dòng)合理性及各關(guān)節(jié)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的可行性。見圖7。

3.2.2多自由度軌跡規(guī)劃實(shí)驗(yàn)

對(duì)于肌力較弱的患者在被動(dòng)訓(xùn)練過程中，軌跡規(guī)劃尤為重要。本研究將驗(yàn)證取物和畫四邊形兩個(gè)動(dòng)作的軌跡規(guī)劃。驗(yàn)證流程見圖8。

實(shí)驗(yàn)過程中，通過各驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的絕對(duì)位置編碼器實(shí)時(shí)采集各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度數(shù)據(jù)，通過串口將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)從嵌入式主控系統(tǒng)傳輸至PC 端，由于這兩個(gè)動(dòng)作均需要肩、肘關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，因此將得到三個(gè)關(guān)節(jié)的角位移信息。根據(jù)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，計(jì)算得到機(jī)械臂末端手柄的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡。然后，在MATLAB 中完成對(duì)理論數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析比較，進(jìn)而驗(yàn)證軌跡規(guī)劃動(dòng)作的可行性。取物和畫四邊形動(dòng)作的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)對(duì)比分析如圖9 和圖10，可以看出機(jī)械臂末端實(shí)際軌跡與規(guī)劃的軌跡基本相同，且運(yùn)動(dòng)軌跡曲線平滑，說明整個(gè)過程中康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度平穩(wěn)緩慢，適合腦卒中患者的康復(fù)訓(xùn)練，從而驗(yàn)證了取物和畫四邊形兩個(gè)動(dòng)作軌跡規(guī)劃的可行性。

圖6 取物、繪制四邊形動(dòng)作角度-時(shí)間曲線和機(jī)械臂末端軌跡

圖7 肩、肘、腕關(guān)節(jié)單自由度運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)

圖8 軌跡規(guī)劃驗(yàn)證流程

圖9 取物動(dòng)作理論-實(shí)驗(yàn)軌跡曲線對(duì)比圖

圖10 繪制四邊形動(dòng)作理論-實(shí)驗(yàn)軌跡曲線對(duì)比

4 討論

本研究基于目前上肢康復(fù)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，提出并設(shè)計(jì)了一種新型四自由度上肢康復(fù)機(jī)器人，克服了現(xiàn)有串聯(lián)式上肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)械臂體積龐大，直驅(qū)電機(jī)噪聲、輻射大等缺點(diǎn)。并通過單自由度運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)、多自由度軌跡規(guī)劃實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)的傳動(dòng)合理性及主、被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的可行性，為上肢康復(fù)機(jī)器人的研究提供了一種新思路和新方法。但上肢康復(fù)機(jī)器人的控制算法仍需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，后續(xù)研究需要同時(shí)考慮慣性力矩、離心力矩等非線性力矩，利用控制算法，提高系統(tǒng)的魯棒性和控制準(zhǔn)確性。另外應(yīng)充分利用伺服電機(jī)的功能增加和完善阻抗訓(xùn)練、等張訓(xùn)練、等長(zhǎng)訓(xùn)練等功能。