新型四臂扶持式康復(fù)機器人設(shè)計

毛志賢，韋建軍*，王春寶，，4，孫正迪，王 同，劉銓權(quán) ，段麗紅，王玉龍，龍建軍

（1.廣西科技大學(xué)機械與交通工程學(xué)院，廣西柳州545006；2.深圳市老年醫(yī)學(xué)研究所，廣東深圳518035；3.深圳大學(xué)第一附屬醫(yī)院，廣東深圳518035；4.華南理工大學(xué)，廣東廣州510641）

0 引言

腦卒中是一種由腦血循環(huán)障礙引起的急性腦血管疾病.2010年“世界卒中日”的主題是“六分之一”，即全世界每6個人中就有1個人可能罹患腦卒中，每6秒鐘就有1人死于卒中，每6分鐘就有1人因卒中而致殘[1].為了緩解偏癱患者數(shù)量增多而治療師缺口嚴重的形勢，可輔助患者進行下肢康復(fù)訓(xùn)練恢復(fù)步態(tài)行走的康復(fù)機器人相繼問世，偏癱患者的生活質(zhì)量可在康復(fù)機器人的輔助下有所提高.目前較為普遍用于恢復(fù)步態(tài)行走的外骨骼機器人治療方式與治療師手法存在較大差異，使患者康復(fù)效果達不到最佳，如Lokomat機器人[2]通過電機帶動各關(guān)節(jié)運動實現(xiàn)對下肢各關(guān)節(jié)的運動訓(xùn)練，但是該機器人體積大，患者穿戴復(fù)雜，無法全面反饋患者的運動信息；美國Delaware大學(xué)的下肢外骨骼步態(tài)矯形器[3]采用被動式外骨骼，機器人無法實現(xiàn)步態(tài)的輔助調(diào)整；清華大學(xué)研發(fā)的步行康復(fù)訓(xùn)練機器人GRTS[4]采用外骨骼形式，穿戴復(fù)雜，限制了患者主觀能動性發(fā)揮；哈爾濱工程大學(xué)開發(fā)的減重式步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機器人[5]存在功能單一或適應(yīng)性差的問題，缺乏康復(fù)訓(xùn)練評價系統(tǒng).針對外骨骼康復(fù)機器人穿戴不便、與治療師效果存在較大差異的缺點，參照仿生機器魚[6]可高效進行海資源勘查的優(yōu)勢，從仿生角度出發(fā)，仿治療師手法創(chuàng)新設(shè)計四臂扶持式康復(fù)機器人，減小與治療師手法的差異，實現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練效果的最佳化.

基于治療師康復(fù)手法分析，為減小治療師在康復(fù)訓(xùn)練中手臂的擺長，使患者在步態(tài)訓(xùn)練時保持姿態(tài)的穩(wěn)定，設(shè)計具有四臂的扶持式康復(fù)機器人（如圖1所示）.該康復(fù)機器人由上雙臂和下雙臂組成，可模擬多名治療師對患者進行步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練.上雙臂扶持嚴重肌無力患者的肩部，以恢復(fù)患者的正常體姿；下雙臂扶持患者的髖部，輔助步態(tài)訓(xùn)練.通過4只機械臂的協(xié)調(diào)運動來模擬治療師操作并快速適應(yīng)患者肩部和髖部的生理差異.

圖1 新型四臂扶持式康復(fù)機器人Fig.1 New four-arm assisted rehabilitation robot

1 四臂康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計

1.1 治療師康復(fù)操作建模

本文設(shè)計的康復(fù)機器人可實現(xiàn)治療師最大有效康復(fù)手法的量化，從而使患者在每一次訓(xùn)練時接受到最有效的治療手法.在分析治療師手法的同時，分析治療師手臂的生理結(jié)構(gòu)和患者的病理特征，建立治療師手臂模型，如圖2所示.

患者的步態(tài)訓(xùn)練主要由治療師雙臂來完成.常規(guī)訓(xùn)練中，患者的髖部在治療師雙手的扶持下，患者肌力不足的影響可以通過治療師手臂的力量和手臂的自由度來緩解，同時患者運動自由度缺失所造成的影響也可通過治療師手臂自由度得到緩解.另外對于早期偏癱患者，在進行步行訓(xùn)練時，需要一名治療師扶持患者的肩部，以恢復(fù)患者的正常體姿，同時需要另一名治療師扶持患者的髖部，輔助步態(tài)訓(xùn)練.治療師的雙手能夠主導(dǎo)患者肩部和髖部運動的軌跡，通過腕部的靈活度來適應(yīng)患者在訓(xùn)練過程中自身姿態(tài)的差異，以滿足患者步行訓(xùn)練時肩部和髖部的協(xié)調(diào)運動.另外，治療師通過腿部的屈伸動作來彌補患者的身高差異，基于以上手法分析建立了人體坐標系，如圖3所示.

圖2 治療師手臂簡化模型Fig.2 Therapist arm simplified model

圖3 治療師康復(fù)操作手法建模Fig.3 Modeling therapist's rehabilitation operation

1.2 人體髖部運動空間分析

圖4 髖部運動測試Fig.4 Hip exercise test

為測量人體步態(tài)訓(xùn)練髖部運動空間，利用實驗室已開發(fā)的WB姿態(tài)傳感器[7]測人體髖部運動角度，以1位25歲的健康者作為測試對象，測試場景如圖4所示，測試對象站立在y軸（冠狀軸）方向，面向x軸（矢狀軸）正向軸.測試過程中朝x軸正向軸步行，當右腿向前邁出第一步時，右髖在xoy平面（水平面）的前進角度記為j，yoz平面（冠狀面）的上升角度記為k.經(jīng)過多次步態(tài)測試并取各角度平均值計算結(jié)果如下：人體髖部前進角度j的范圍為[-5°，5°]，上升角度k的范圍為[-3°，3°].測量人體左右髖之間的距離為330 cm，并將其簡化為連桿L.結(jié)合人體髖部運動角度和桿長L在matlab中繪制髖部的運動空間散點圖如圖5所示.由圖5（b）、圖5（c）可見，左髖和右髖運動空間都為半球面，分別從左髖右髖運動空間中截取平面圓如圖5（a）所示，表示人體左右髖部運動空間為球面，可直觀表示人體髖部運動空間范圍.

圖5 人體步態(tài)髖部運動空間Fig.5 Human gait hip movement space

1.3 四臂康復(fù)機器人建模

人體手臂有7個自由度，分別為肩部3個，肘部1個，腕部3個.本文根據(jù)治療師操作手法特點，合理分配簡化機械臂的自由度以輔助患者進行步態(tài)訓(xùn)練.在傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練過程中，治療師雙手夾緊患者的髖部進行步態(tài)糾正訓(xùn)練，無外展內(nèi)收動作，故機械臂肩部由3個自由度簡化為2個自由度，即前屈后伸和內(nèi)旋外旋2個自由度，機械臂大臂的回轉(zhuǎn)動作簡化到肩關(guān)節(jié)的內(nèi)旋外旋動作.因機械臂腕部扶持患者髖部，變動距離小，腕部采用無動力設(shè)計，根據(jù)這一特點，本文設(shè)計的新型四臂扶持式康復(fù)機器人手臂有6個自由度，機械臂模型如圖6所示.3個主動自由度和腕關(guān)節(jié)3個從動自由度的結(jié)合是本機器人的特點，通過機械臂肩部位置的2個自由度和肘部位置的1個自由度使機械臂末端能夠達到上下、左右、前后移動的目的.這3個自由度是本康復(fù)機器人的主動自由度，當患者相對于機械臂姿態(tài)變化所造成的自由度影響可以通過機械臂腕部的3個從動自由度得到抵消，通過機器人下雙臂各關(guān)節(jié)的配合來實現(xiàn)患者的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練.腕部的靈活設(shè)計不僅控制了髖部運動的精確度，而且簡化了機構(gòu)，優(yōu)化了控制性能.基于以上治療師康復(fù)手法分析，建立四臂機器人模型如圖7所示.對比傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練，兩名治療師雙手集成機器人的上下雙臂，治療師腿部屈伸動作集成機器人的升降機構(gòu).

圖6 機械臂模型圖Fig.6 Arm of robot model

圖7 四臂機器人模型Fig.7 Four-armed robot model

1.4 四臂康復(fù)機器人機構(gòu)設(shè)計

設(shè)計的四臂康復(fù)機器人升降機構(gòu)的運動空間相對于機械臂的運動空間很小，且主要通過絲杠來傳遞運動，機構(gòu)較為簡單，故不再詳細介紹.機械臂是機器人當中最重要的結(jié)構(gòu)，肩關(guān)節(jié)、回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖8所示.手臂在運動過程中，肩關(guān)節(jié)受的轉(zhuǎn)矩最大，肩部傳動部分不僅包括了齒輪組1和內(nèi)齒輪組，同時包括了諧波減速器.回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)由電機及諧波減速器構(gòu)成，肘關(guān)節(jié)是四臂機器人輔助患者進行康復(fù)訓(xùn)練時最直接的控制部位，通過肘關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)板與上臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接，該關(guān)節(jié)的傳動是由一對錐齒輪、傳送帶和減速器三者來實現(xiàn).機械臂腕部機構(gòu)是四臂機器人輔助患者進行康復(fù)訓(xùn)練時的抓取固定關(guān)節(jié)，通過前臂內(nèi)外側(cè)板與肘關(guān)節(jié)連接；從動自由度設(shè)計是腕部機構(gòu)的設(shè)計特點，在機械臂肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的組合控制下，腕關(guān)節(jié)實現(xiàn)組合控制運動，以此防止機構(gòu)被卡死，減少患者的二次傷害.因此，腕關(guān)節(jié)的設(shè)計不僅體現(xiàn)了高靈活性的特點，而且也體現(xiàn)了多自由度的特點，同時也體現(xiàn)了新型四臂扶持式康復(fù)機器人主動自由度加從動自由度的特點.在已完成的設(shè)計模型基礎(chǔ)上，四臂機器人樣機如圖9所示.

圖8 機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.8 Mechanical arm structure design

圖9 新型四臂扶持式機器人Fig.9 New four-arm supporting robot

圖10 機器人坐標系Fig.10 Robot coordinate system

2 雙臂運動空間分析

下肢康復(fù)機器人通過控制患者髖部兩點位置來調(diào)整其在步態(tài)訓(xùn)練中的運動軌跡.為了驗證機構(gòu)設(shè)計的合理性，需要對機器人的工作空間進行計算，保證患者步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練的順利進行.結(jié)合本文設(shè)計的四臂機器人特征，機械臂腕關(guān)節(jié)處的位置即為患者髖部扶持點的位置.考慮到所研究機械臂為典型的串聯(lián)機構(gòu)，采用Denavit-Hartenberg（D-H）方法建立運動學(xué)模型，通過計算運動學(xué)[8]正解進一步分析機械臂的工作空間.首先將機械臂簡化為連桿并建立D-H坐標系如圖10所示，基于已建立的坐標系列出D-H參數(shù)如表1所示.以肩關(guān)節(jié)為基坐標系，結(jié)合式（1）、式（2）計算腕關(guān)節(jié)相對肩關(guān)節(jié)的坐標變換矩陣.結(jié)合機械臂各關(guān)節(jié)的具體長度并代入式（1）、式（2）計算出運動學(xué)正解如式（3）所示.

表1 D-H參數(shù)Tab.1 D-H parameters

式（2）中：nx，ny，nz，ox，oy，oz，ax，ay，az——機械臂末端姿態(tài)坐標，px，py，pz——機械臂末端位置坐標.

式（3）中：L0，L1，L2，L3，L4——各連桿長度.

基于已計算得到的運動學(xué)正解，使用蒙特卡洛法并借助MATLAB軟件繪制機器人單臂及雙臂的計算空間如圖11所示.

在分析機器人機械臂的運動空間后，進一步對機器人的逆運動學(xué)分析并計算出機械臂各關(guān)節(jié)變量的值，作為后續(xù)位置控制算法的基礎(chǔ)，結(jié)果如式（4）—式（6）.

圖11 機械臂運動空間Fig.11 Arm of robot working space

通過對比機械臂運動空間與人體髖部運動空間可知：所設(shè)計的康復(fù)機器人雙臂的運動空間遠遠大于人體髖部運動空間.人體運動空間范圍以mm為單位，能到達左極限、右極限、上極限、下極限的范圍約為7 mm；設(shè)計的機械臂運動空間的極限位置以m為單位，極限位置都大于100 mm，滿足人體髖部步態(tài)運動空間，驗證了機構(gòu)設(shè)計的合理性.

3 結(jié)論

1）以治療師為研究對象，首先分析了治療師手臂生理結(jié)構(gòu)并建立生理模型，以健康者為測量對象，使用WB姿態(tài)傳感器測量人體髖部運動范圍.

2）基于治療師康復(fù)訓(xùn)練手法，結(jié)合仿生學(xué)理論仿治療師建立康復(fù)機器人機構(gòu)模型.

3）機器人采用對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，四肢機械臂均包含3個主動自由度及3個被動自由度，可以輔助患者開展單項訓(xùn)練及包含患者軀干在內(nèi)的整體性協(xié)調(diào)訓(xùn)練.建立機器人雙臂的運動學(xué)模型，計算運動學(xué)正解及逆解，并繪制機械臂的工作空間散點圖.測量結(jié)果表明：本文所提出的機器人滿足人體髖部運動空間需求，驗證了機構(gòu)設(shè)計的合理性，為治療師手法再現(xiàn)模擬提供了基礎(chǔ).