基于Solidworks和Workbench下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

蔡玉強(qiáng)，趙闖，朱佳歡

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

0引言

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)約有700萬(wàn)腦卒中風(fēng)的患者，近年因腦卒中死亡的人數(shù)達(dá)到150萬(wàn)，在所有患者當(dāng)中，近70%～80%的患者可能會(huì)留下殘疾且需要接受康復(fù)性治療[1]。我國(guó)迫切需要康復(fù)醫(yī)療的對(duì)象是老年人、殘疾人(先天或后天)和慢性病3類(lèi)群體。腦卒中風(fēng)患者的康復(fù)是減小致殘率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[2]。腦卒中的三級(jí)康復(fù)可以使患者逐漸恢復(fù)至日?；顒?dòng)能力(Activities of Daily Living，ADL)，適用于現(xiàn)階段并進(jìn)行推廣[3]，而且進(jìn)行康復(fù)治療的時(shí)間越早，康復(fù)的效果也就越能達(dá)到正常人活動(dòng)的水平[4]，而且可以減少其它連鎖并發(fā)癥的發(fā)生幾率[5]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外多家公司與高校已經(jīng)研發(fā)出了許多適用于人體下肢康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人?，F(xiàn)在對(duì)人體下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究仍然處于發(fā)展階段，只有少數(shù)國(guó)家已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，而我國(guó)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人尚未進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的生產(chǎn)應(yīng)用，還沒(méi)有過(guò)多成熟性的產(chǎn)品，故需要進(jìn)一步開(kāi)展深入研究，同時(shí)進(jìn)行人體下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的市場(chǎng)需求逐漸加大[6]。因此，研究具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的人體下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人具有深遠(yuǎn)意義。

1 臥式下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

臥式人體下肢康復(fù)機(jī)器人最重要的設(shè)計(jì)部分是外骨骼機(jī)械腿，其最大的特點(diǎn)就是具有穿戴性，即要與人體腿部有物理接觸。通過(guò)對(duì)人體下肢骨骼和肌肉的研究發(fā)現(xiàn)，下肢骨骼由大腿骨、小腿骨和足骨組成，通過(guò)髓關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和跺關(guān)節(jié)3個(gè)部分串聯(lián)組成，而雙腿構(gòu)件又由2個(gè)串聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)形成[7]。臨床醫(yī)學(xué)和人機(jī)工程學(xué)上通常用矢狀面、冠狀面和水平面3個(gè)矢狀面來(lái)描述人體的運(yùn)動(dòng)。從生物學(xué)角度上來(lái)說(shuō)，人體下肢的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方式不是繞球心運(yùn)動(dòng)，屬于滑動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的復(fù)合形式運(yùn)動(dòng)，考慮到滑動(dòng)量不大，所以將其當(dāng)成是理想的球面副進(jìn)行處理[8]。

圖1 人體基準(zhǔn)面

由于人體下肢關(guān)節(jié)間韌帶長(zhǎng)度限制等影響因素，髖、膝、踝3個(gè)關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的轉(zhuǎn)角有較大的差異，如圖1所示。在人體實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，髖關(guān)節(jié)具有3個(gè)自由度，能實(shí)現(xiàn)外展/內(nèi)收、伸展/彎曲、內(nèi)旋/外旋運(yùn)動(dòng)；膝關(guān)節(jié)具有1個(gè)自由度，只能實(shí)現(xiàn)伸展/彎曲運(yùn)動(dòng)；踝關(guān)節(jié)具有3個(gè)自由度，能實(shí)現(xiàn)外展/內(nèi)收、趾屈/背屈、和內(nèi)旋/外旋運(yùn)動(dòng)[9]?；谌梭w坐姿和臥式人體下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的實(shí)際結(jié)合情況，實(shí)現(xiàn)人體下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)1個(gè)自由度：伸展/彎曲；膝關(guān)節(jié)1個(gè)自由度：伸展/彎曲；踝關(guān)節(jié)1個(gè)自由度：趾屈/背屈。各個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度范圍，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 臥式人體下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度

2臥式下肢康復(fù)機(jī)器人三維造型

臥式人體下肢康復(fù)機(jī)器人主要由智能輪椅支撐和下肢訓(xùn)練機(jī)械腿組成。下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人具有多種實(shí)現(xiàn)方法，但是其主要作用是使患者下肢在機(jī)械的輔助作用下完成對(duì)人體步行狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)，從而完成神經(jīng)的功能重組再現(xiàn)，逐漸的恢復(fù)患者的運(yùn)動(dòng)能力?？紤]到下肢康復(fù)機(jī)器人是一種特種醫(yī)療輔助型機(jī)器人，使用人群是有運(yùn)動(dòng)功能性障礙的患者，因此在可靠性、舒適性和安全性方面都有自身的要求。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)研究的臥式人體下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在臥式人體下肢康復(fù)機(jī)器人中，智能移動(dòng)裝置是非常重要的一部分，其功能與智能輪椅類(lèi)似，它能夠滿(mǎn)足患者的需求運(yùn)動(dòng)到室內(nèi)的任何地方甚至是戶(hù)外，同時(shí)也是機(jī)械訓(xùn)練腿的支撐架。與外骨骼式康復(fù)機(jī)器人不同的是，臥式康復(fù)機(jī)器人不需要進(jìn)行人體減重裝置，考慮到患者的舒適度要求以及懸掛式康復(fù)機(jī)器人容易受外界干擾等情況，臥式康復(fù)機(jī)器人能更好地完成輔助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的功能。此部分和智能輪椅等相關(guān)產(chǎn)品類(lèi)似，不做詳細(xì)贅述。

圖2 臥式下肢康復(fù)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

康復(fù)訓(xùn)練機(jī)械腿按照人機(jī)工程學(xué)的要求要有足夠的強(qiáng)度、硬度和輕量化，所以在材料的選擇方面是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。比較各種材料的性能發(fā)現(xiàn)，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)械腿的大小腿桿、長(zhǎng)度調(diào)節(jié)桿和髖部固定端等一些連接構(gòu)件均選擇鋁合金7050材料。鎂合金具有質(zhì)量輕巧、強(qiáng)度高、剛性小、切削性能好等特點(diǎn)，其最高抗拉強(qiáng)度可達(dá)455 MPa，鋁合金在抗沖擊能力和抗震減噪功能方面發(fā)揮著較好的作用[10]。但是鎂合金吸收能量的能力約是鋁合金的2倍，它能很好地彌補(bǔ)其余金屬的缺點(diǎn)[11]，由于考慮成本問(wèn)題本設(shè)計(jì)使用鋁合金材料。

圖3 臥式下肢康復(fù)機(jī)器訓(xùn)練機(jī)械腿

髖部固定端為一個(gè)直角中空的鋼架，同時(shí)連接髖關(guān)節(jié)/大腿部分和驅(qū)動(dòng)電缸，如圖4所示。其中，一端與下肢康復(fù)機(jī)器人的大腿底部形成配合結(jié)構(gòu)形成髖關(guān)節(jié)，通過(guò)內(nèi)六角螺栓進(jìn)行固定連接，且在髖關(guān)節(jié)處設(shè)置機(jī)械限位，限制機(jī)械腿的擺動(dòng)角度，使其與人體坐姿腿部擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)角度規(guī)律相符合，坐姿狀態(tài)下設(shè)置為43°，即前擺39°，向后擺4°；另一端與驅(qū)動(dòng)電缸形成軸系連接，使驅(qū)動(dòng)電缸能夠降低至最小摩擦進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，保證驅(qū)動(dòng)電缸能夠完成需要的擺動(dòng)角度。

機(jī)械腿大腿部分結(jié)構(gòu)如圖5所示，腿部支架為中空結(jié)構(gòu)，大腿部分上端與髖關(guān)節(jié)通過(guò)內(nèi)六角螺栓連接，大腿支架由腿部連桿和長(zhǎng)度調(diào)節(jié)桿組成，構(gòu)成能夠進(jìn)行長(zhǎng)度調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)，以滿(mǎn)足于不同人群的身高體重的康復(fù)訓(xùn)練要求。機(jī)械大腿通過(guò)長(zhǎng)度調(diào)節(jié)桿上的孔來(lái)調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，將機(jī)械大腿孔與大腿桿上的孔同心，使用插栓固定，長(zhǎng)度調(diào)節(jié)桿桿上的孔底部帶有磁性，防止插栓松動(dòng)，機(jī)械大腿的可調(diào)范圍是315～425 mm。

人體腿部與機(jī)械訓(xùn)練腿通過(guò)綁帶固定，按人機(jī)工程學(xué)要求需要做到人體舒適。在膝關(guān)節(jié)處設(shè)置機(jī)械限位，限制機(jī)械腿的擺動(dòng)角度，使其與人體坐姿腿部擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)角度規(guī)律相符合，坐姿狀態(tài)下設(shè)置為105°，即前擺30°，向后擺75°；機(jī)械腿下部分與小腿部分通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)心軸結(jié)構(gòu)構(gòu)成膝關(guān)節(jié)。

圖4 髖部固定端 圖5 機(jī)械大腿

機(jī)械小腿部分與大腿部分相類(lèi)似，其可調(diào)節(jié)范圍為295～415 mm，如圖6所示。其中，小腿部分的最下端，設(shè)計(jì)腳板固定支架構(gòu)成踝關(guān)節(jié)，與腳板進(jìn)行心軸軸系結(jié)構(gòu)，內(nèi)部通過(guò)彈簧構(gòu)成從動(dòng)連接，人體腳部與腳板使用綁帶連接，使腳板部位與機(jī)械小腿成固定角度，且保證舒適。

圖6 機(jī)械小腿

踝關(guān)節(jié)設(shè)置極限機(jī)械限位，能夠防止意外情況下造成腳部的傷害，設(shè)置為40°，即前擺25°，向后擺15°，如圖7和圖8所示。

圖7 踝關(guān)節(jié) 圖8 腳板

驅(qū)動(dòng)部分為電缸，經(jīng)過(guò)人體轉(zhuǎn)矩和驅(qū)動(dòng)力矩分析，最終選型為美國(guó)湯姆森Thomson公司生產(chǎn)的型號(hào)為MX24-B8M10E1電缸。大腿和小腿驅(qū)動(dòng)因設(shè)計(jì)要求，確定為直線執(zhí)行器(電缸), Max Jac 24 V直流電壓, 承載能力800 N,行程100 mm,編碼器Cable length 300 mm,Connector 30 mm/s移動(dòng)速度。

3 Workbench臥式下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)械腿有限元分析

臥式人體下肢康復(fù)機(jī)器人，在機(jī)械腿部分，需要輔助人體腿部按照正常人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，提供一定的腿部重量支撐，從安全角度分析，需要對(duì)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)械腿部結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核分析，是否能夠滿(mǎn)足實(shí)際性要求。ANSYS Workbench[12]軟件是在CAE領(lǐng)域當(dāng)中應(yīng)用比較廣泛的有限元分析軟件之一，具有所有主流CAD軟件接口，能實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的傳遞。利用Solidworks建立好三維模型，通過(guò)Solidworks與Workbench的連接，導(dǎo)入到Workbench軟件當(dāng)中進(jìn)行靜力學(xué)分析[13]，校核康復(fù)機(jī)器人機(jī)械腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3.1 臥式下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)械腿關(guān)鍵部分

臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人機(jī)械腿在進(jìn)行康復(fù)工作時(shí)，考慮到機(jī)構(gòu)受力主要來(lái)自以下2個(gè)方面，第一是機(jī)械腿自身重力與康復(fù)人體腿部部分重力，第二是髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩影響。綜合所有影響分析可知，大腿桿、大腿伸縮桿和小腿桿、小腿伸縮桿為機(jī)械腿部關(guān)鍵部分，結(jié)構(gòu)輕薄且受力較為復(fù)雜。如圖9所示，為完整右腿部機(jī)械腿結(jié)構(gòu)。

圖9 機(jī)械腿關(guān)鍵部位-右腿

就機(jī)械腿本身的重量而言，越是處于末端位置的部件，承受的重量越大，特別是在機(jī)械腿的小腿部分和踝關(guān)節(jié)軸部分，除自身重量之外，在大腿桿和小腿桿處分別存在最大為67 Nm和40 Nm的力矩作用[14]。進(jìn)行受力分析時(shí)，因要求適用于不同的人體，考慮極限條件的發(fā)生，對(duì)大腿桿、小腿桿和伸縮桿施加1 000 N的重力載荷以及最大力矩。以臥式人體下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)械腿部-右腿，進(jìn)行示例分析。

3.2 Workbench的有限元強(qiáng)度分析

將驅(qū)動(dòng)裝置簡(jiǎn)化，直接分析下肢機(jī)械腿部關(guān)鍵部件。在Solidworks當(dāng)中建立好三維模型，通過(guò)Solidworks與Workbench的無(wú)縫連接，導(dǎo)入到Workbench軟件當(dāng)中進(jìn)行靜力學(xué)分析。提前定義好模型的材料屬性，將模型重要部件設(shè)置為Aluminum Alloy，其他部件及緊固件設(shè)置為Structural Steel；然后進(jìn)入到Workbench當(dāng)中的Modal模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格使用四面體單元，選擇精度為適中，單元尺寸設(shè)置為10 mm，將下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)械腿有限元模型劃分為520 687個(gè)節(jié)點(diǎn)，286 770個(gè)單元，網(wǎng)格Average大于70%，網(wǎng)格可用，如圖10所示。

圖10 機(jī)械腿有限元網(wǎng)格劃分模型

其中，髖關(guān)節(jié)處設(shè)置為固定約束，同時(shí)附加1 000 N重力極限載荷，設(shè)置逆時(shí)針轉(zhuǎn)矩67 Nm；膝關(guān)節(jié)處附加重力極限載荷1 000 N，設(shè)置逆時(shí)針轉(zhuǎn)矩40 Nm。前處理完成后對(duì)有限元模型進(jìn)行后處理，后處理添加Equivalent(von-Mises)和Total,分別求解出如圖11和圖12所示的有限元應(yīng)力和位移變形結(jié)果。

圖11 機(jī)械腿應(yīng)力分布總圖

圖12 機(jī)械腿應(yīng)力分布細(xì)節(jié)圖

從圖12可以看出，大腿桿極限應(yīng)力發(fā)生在與膝關(guān)節(jié)連接處，應(yīng)力為120.7 Mpa，該處結(jié)構(gòu)、受力較復(fù)雜，符合實(shí)際情況。小腿桿極限應(yīng)力同樣發(fā)生在與膝關(guān)節(jié)連接處，應(yīng)力為53.6 MPa，踝關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)動(dòng)軸應(yīng)力為67.1 MPa，與之前理論分析相一致。

各腿桿因要減輕質(zhì)量，以減小驅(qū)動(dòng)負(fù)載，設(shè)置其材料為7050鋁合金，其屈服強(qiáng)度σs=455 MPa；踝關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)動(dòng)軸需要承載腳板轉(zhuǎn)動(dòng)，受力較復(fù)雜，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的材料為45鋼，其屈服強(qiáng)度σs=355 MPa?？紤]到機(jī)械腿實(shí)際工作條件，取值動(dòng)載荷系數(shù)Kv=1.8，取材料許用安全系數(shù)[Sσ]=1.5，進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算校核。

針對(duì)大腿桿：

(1)

針對(duì)小腿桿：

(2)

針對(duì)踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸：

(3)

由公式(1)～(3)可以推導(dǎo)出，大腿桿、小腿桿和踝關(guān)節(jié)軸部所受極限應(yīng)力σ均小于各材料的許用應(yīng)力[σ]，滿(mǎn)足試驗(yàn)?zāi)M要求。但是，本強(qiáng)度校核分析是在理想狀態(tài)下，與實(shí)際康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練情況有一定差距，可能導(dǎo)致材料強(qiáng)度不能滿(mǎn)足實(shí)際需求，因此要針對(duì)康復(fù)機(jī)器人機(jī)械腿關(guān)鍵部位進(jìn)行必要的強(qiáng)化處理。整觀康復(fù)機(jī)器人機(jī)械腿云圖，機(jī)械腿的總體應(yīng)力普遍較小，尤其是遠(yuǎn)離各關(guān)節(jié)處，可以使用Workbench自身功能，進(jìn)行優(yōu)化拓補(bǔ)設(shè)計(jì)，改進(jìn)輕量化，減輕臥式康復(fù)機(jī)器人整體驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

4結(jié)論

(1)建立一種臥式人體下肢康復(fù)機(jī)器人全新的設(shè)計(jì)方案，分為智能移動(dòng)裝置和康復(fù)訓(xùn)練機(jī)械腿兩部分。對(duì)機(jī)械腿的髖、膝和踝等部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)，調(diào)整各部位至人體最佳舒適度，利用Solidworks完成臥式人體下肢康復(fù)機(jī)器人模型的總裝配。

(2)根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律、人體關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩和驅(qū)動(dòng)力矩，對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行選型，最終確定為T(mén)homson公司生產(chǎn)的型號(hào)為MX24-B8M10E1電缸，能夠滿(mǎn)足康復(fù)機(jī)械腿和人體的控制驅(qū)動(dòng)。

(3)基于Workbench對(duì)臥式人體下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)械腿進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核分析，得到設(shè)計(jì)所選用的材料及結(jié)構(gòu)能滿(mǎn)足一般人體的康復(fù)訓(xùn)練需求的強(qiáng)度，但依據(jù)實(shí)際情況，還需要進(jìn)行強(qiáng)化處理。