混聯(lián)式腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及康復(fù)效果評(píng)估

李清，趙立婷，劉榮帥，豐玉璽，張鵬

（中北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，太原 030051）

日常生活中腕關(guān)節(jié)使用非常頻繁，在支撐、推拉等運(yùn)動(dòng)中承受著很大的負(fù)荷，且手腕處骨骼肌肉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能多樣，直接影響上肢活動(dòng)的靈敏度和準(zhǔn)確性[1]。隨著社會(huì)老齡化的加劇，交通事故的頻發(fā)以及自然災(zāi)害的增多，腕關(guān)節(jié)功能性退化及骨折的發(fā)病率也越來越高[2]。腕關(guān)節(jié)一旦損傷，手部和小臂的運(yùn)動(dòng)會(huì)明顯受限，無法完成生活中很多必要的動(dòng)作，給患者帶來極大的不便。

醫(yī)學(xué)研究表明，系統(tǒng)合理的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)腕關(guān)節(jié)功能的恢復(fù)極為重要[3]，可以通過肌肉運(yùn)動(dòng)促進(jìn)血液循環(huán)、加快新陳代謝、防止肌肉萎縮、增強(qiáng)肌肉力量[4]。隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展和機(jī)器人技術(shù)的廣泛應(yīng)用，與人體直接相關(guān)的運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)已成為新的研究熱點(diǎn)[5-6]，使用康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)可以減輕醫(yī)護(hù)人員繁重的體力勞動(dòng)，節(jié)約時(shí)間，降低成本，輔助患者更快地恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能和正常生活的能力[7]。

上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)了一款外骨骼式三自由度便攜腕部康復(fù)機(jī)器人，采用Maxon 電機(jī)帶動(dòng)連桿或齒輪運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)腕部運(yùn)動(dòng)，具有體積小、重量輕、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)[8]。Allington 等[9]設(shè)計(jì)了一種2自由度的腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)，采用質(zhì)量較輕的鋁合金氣缸驅(qū)動(dòng)，能夠輔助手腕進(jìn)行旋轉(zhuǎn)屈伸運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，安全性高。Andrikopoulos等[10]通過4根氣動(dòng)人工肌肉的伸縮驅(qū)動(dòng)使腕關(guān)節(jié)完成屈伸與內(nèi)收外展的動(dòng)作，具有便攜、可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)。東南大學(xué)研制的上肢外骨骼機(jī)器人能夠協(xié)助患者完成腕關(guān)節(jié)屈伸，內(nèi)收外展以及前臂自旋等動(dòng)作，外骨骼采用套索進(jìn)行傳動(dòng)，極大地減小了康復(fù)機(jī)器人的質(zhì)量和體積，使其更為緊湊輕巧[11]。

為了獲得更好的康復(fù)效果，本文結(jié)合串并混聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，基于（2-RPS/UPU）&R 并聯(lián)機(jī)構(gòu)提出一款可穿戴式腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，并用Adams進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，AnyBody 進(jìn)行康復(fù)效果評(píng)估，以滿足受損腕關(guān)節(jié)的康復(fù)需求。

1 構(gòu)型設(shè)計(jì)與分析

腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)符合康復(fù)醫(yī)學(xué)和人機(jī)工程學(xué)原理，避免康復(fù)過程中人機(jī)相互干涉，對(duì)患者造成不必要的傷害。

本文提出一種具有三轉(zhuǎn)一移的（2-RPS/UPU）&R混聯(lián)式腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)，其中R為轉(zhuǎn)動(dòng)副，P 為移動(dòng)副，S 為球副，U 為萬向鉸。如圖1所示，2-RPS/UPU并聯(lián)機(jī)構(gòu)由動(dòng)平臺(tái)、定平臺(tái)、兩條相同的RPS支鏈與一條UPU 支鏈組成，轉(zhuǎn)動(dòng)部件串聯(lián)在動(dòng)平臺(tái)上，并可繞動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)采用可穿戴外骨骼的形式，不僅能輔助患者完成腕關(guān)節(jié)掌屈/背伸、內(nèi)收/外展、內(nèi)旋/外旋等康復(fù)運(yùn)動(dòng)，還能沿前臂方向牽引，以達(dá)到更好的康復(fù)效果。

圖1 混聯(lián)式腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)

為了保證康復(fù)效果和治療過程的安全舒適，患者和機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心應(yīng)盡量重合，如圖1所示，在把手兩端設(shè)計(jì)了調(diào)節(jié)旋鈕控制其高度，進(jìn)而有效降低二者的差異。

當(dāng)患者握住把手時(shí)，首先控制機(jī)構(gòu)使前臂支撐環(huán)至手臂的合適位置后，調(diào)節(jié)前臂周長調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來適應(yīng)不同患者的前臂粗細(xì)，使腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)盡可能地貼合人體。前臂周長調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由定平臺(tái)、環(huán)形盤、檔位調(diào)節(jié)桿等組成，如圖2所示，檔位調(diào)節(jié)桿在滾子的作用下，可自由變換檔位到患者前臂的合適位置，接著由后殼上的檔位卡槽進(jìn)行固定，推桿在環(huán)形盤的帶動(dòng)下進(jìn)行移動(dòng)，從而更好地貼合患者前臂，使康復(fù)過程更加安全舒適。

圖2 前臂周長調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

為了驗(yàn)證腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的合理性和功能的可實(shí)現(xiàn)性，將SolidWorks建立的三維模型導(dǎo)入到Adams中，通過對(duì)幾何模型添加運(yùn)動(dòng)副以及恰當(dāng)?shù)募s束，建立虛擬樣機(jī)[12]，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)的自由度為4，滿足患者康復(fù)自由度的需求。

2.1 正運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

本文模擬康復(fù)師的康復(fù)運(yùn)動(dòng)軌跡，給腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的3個(gè)移動(dòng)副添加驅(qū)動(dòng)函數(shù)，即：

采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過改變各連桿的長度來使動(dòng)平臺(tái)的位置和姿態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而判斷機(jī)構(gòu)的末端是否會(huì)出現(xiàn)沖擊或其他不穩(wěn)定的因素，以免對(duì)患者造成不必要的傷害。仿真類型設(shè)為default，結(jié)束時(shí)間5 s，步數(shù)500步，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，在Post Processor模塊中，選擇動(dòng)平臺(tái)的質(zhì)心點(diǎn)為研究對(duì)象，在Measure窗口中實(shí)時(shí)觀察仿真結(jié)果，如圖3所示，動(dòng)平臺(tái)質(zhì)心點(diǎn)的速度在x、y、z 方向上周期性規(guī)律變化，在整個(gè)仿真過程中，速度曲線連續(xù)光滑，無明顯斷點(diǎn)尖點(diǎn)，說明該腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性好，安全性強(qiáng)，不會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的沖擊對(duì)手腕造成二次傷害。

圖3 動(dòng)平臺(tái)質(zhì)心點(diǎn)速度仿真結(jié)果

2.2 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

在動(dòng)平臺(tái)質(zhì)心點(diǎn)處添加點(diǎn)驅(qū)動(dòng)函數(shù)，使其按照特定的康復(fù)軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而求解驅(qū)動(dòng)端的輸入特性。

式中：x、y、z 為腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)質(zhì)心點(diǎn)的位置；t 為時(shí)間，其運(yùn)動(dòng)軌跡為空間螺旋曲線，見圖4。

圖4 動(dòng)平臺(tái)質(zhì)心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡

仿真類型設(shè)為default，結(jié)束時(shí)間5 s，步數(shù)100步，進(jìn)行仿真運(yùn)算，該腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)副在三維空間內(nèi)位移隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。由圖5可知，腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)在設(shè)定的康復(fù)軌跡下，驅(qū)動(dòng)副在三維空間內(nèi)的位移呈周期性變化，沒有超出機(jī)構(gòu)的最大行程，曲線光滑連續(xù)，沒有斷點(diǎn)尖點(diǎn)，運(yùn)行平穩(wěn)安全，驅(qū)動(dòng)性能良好。

圖5 移動(dòng)副位移曲線

3 康復(fù)效果評(píng)估

AnyBody 是目前市場上唯一可以分析完整人體骨骼肌肉系統(tǒng)的軟件，由丹麥奧爾堡大學(xué)設(shè)計(jì)開發(fā)[13-14]，其計(jì)算人體模型對(duì)于外部環(huán)境的生物力學(xué)響應(yīng)，為人機(jī)工程學(xué)產(chǎn)品性能改進(jìn)和生物醫(yī)學(xué)工程研究提供了一個(gè)新穎的平臺(tái)，目前已應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)以及體育運(yùn)動(dòng)等諸多領(lǐng)域[15]。

使用康復(fù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，對(duì)康復(fù)效果的評(píng)估是及其必要的。本文借助AnyBody 對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行逆動(dòng)力學(xué)仿真，通過分析手腕周圍肌肉的活動(dòng)量和拉伸長度的變化情況來判斷腕關(guān)節(jié)的康復(fù)效果。

3.1 腕關(guān)節(jié)掌屈/背伸康復(fù)效果分析

在AnyBody 中，人機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜程度與運(yùn)算效率和準(zhǔn)確性呈負(fù)相關(guān)。本文以腕部肌肉的變化參數(shù)為主要研究對(duì)象，故去掉軀干和下肢等與仿真結(jié)果相關(guān)不大的骨骼肌肉，只保留右臂模型，并以Any-Body 對(duì)自由度及約束的標(biāo)準(zhǔn)來調(diào)整人體模型的大小和位置，使其與康復(fù)機(jī)構(gòu)接觸。自主設(shè)定驅(qū)動(dòng)副的位移和速度，使機(jī)構(gòu)按照預(yù)先設(shè)定的路線帶動(dòng)手腕進(jìn)行掌屈/背伸康復(fù)訓(xùn)練，如圖6所示。

圖6 掌屈/背伸康復(fù)訓(xùn)練

為保證康復(fù)機(jī)構(gòu)的安全性，防止對(duì)患者造成不必要的傷害，需要確定康復(fù)過程中肌肉受力的極限值是否會(huì)引起肌肉拉傷。AnyBody 將肌肉負(fù)載和最大承受力的比值稱為肌肉活動(dòng)量，腕關(guān)節(jié)進(jìn)行掌屈/背伸康復(fù)訓(xùn)練時(shí)的肌肉活動(dòng)量曲線如圖7所示。

圖7 掌屈/背伸肌肉活動(dòng)量

由圖7可以看出，腕關(guān)節(jié)參與運(yùn)動(dòng)的主要肌肉的活動(dòng)量都有不同程度的變化。橈側(cè)腕屈肌和尺側(cè)腕屈肌的肌活量在掌屈訓(xùn)練時(shí)增長較為明顯，分別達(dá)到肌肉最大承受力的0.28和0.18，橈側(cè)腕長伸肌和橈側(cè)腕短伸肌在背伸訓(xùn)練中的最大活動(dòng)量分別為0.27和0.08，肌肉得到一定的激活，有利于恢復(fù)基本功能，且均在安全范圍內(nèi)，不會(huì)引起肌肉損傷。

為了更好地評(píng)價(jià)康復(fù)效果，可通過測量肌肉的拉伸長度直觀地判斷肌肉訓(xùn)練的有效性。選取掌屈/背伸康復(fù)訓(xùn)練時(shí)肌肉活動(dòng)量較大的4條肌肉進(jìn)一步分析肌肉長度的變化情況，如圖8所示。

圖8 掌屈/背伸肌肉長度

由圖8可知，腕關(guān)節(jié)進(jìn)行掌屈/背伸康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，所選肌肉都受力伸長了一定長度，肌肉的收縮性得到了不同程度的鍛煉，可以增強(qiáng)肌肉力量，保持肌肉彈性，達(dá)到一定的康復(fù)效果。

3.2 腕關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展康復(fù)效果分析

改變驅(qū)動(dòng)副的方向，位移和速度等信息，帶動(dòng)手腕做內(nèi)收/外展康復(fù)訓(xùn)練，如圖9所示。

圖9內(nèi)收/外展康復(fù)訓(xùn)練

圖10 為腕關(guān)節(jié)進(jìn)行內(nèi)收/外展康復(fù)訓(xùn)練時(shí)肌肉活動(dòng)量曲線圖，參與訓(xùn)練的主要肌肉在仿真過程中活性得到增強(qiáng)，尺側(cè)腕伸肌和尺側(cè)腕屈肌的肌活量在內(nèi)收康復(fù)訓(xùn)練中變化較大，最大值分別為0.32和0.21，橈側(cè)腕屈肌和橈側(cè)腕長伸肌的肌活量在外展康復(fù)訓(xùn)練中最大值達(dá)到了0.33和0.27，均沒有超過1，在肌肉的合理運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，輔助患者增強(qiáng)手腕肌力的同時(shí)，不會(huì)對(duì)肌肉造成傷害。

圖10 內(nèi)收/外展肌肉活動(dòng)量

以腕關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展康復(fù)訓(xùn)練時(shí)肌肉活動(dòng)量較大的4條肌肉為例，進(jìn)一步分析肌肉長度的變化情況，判斷肌肉訓(xùn)練的有效性和康復(fù)裝置結(jié)構(gòu)的合理性，為康復(fù)效果的評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐，如圖11所示。

圖11 內(nèi)收/外展肌肉長度

由圖11可知，腕關(guān)節(jié)做內(nèi)收康復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，尺側(cè)腕伸肌受力伸長了約35 mm，尺側(cè)腕屈肌受力縮短了約32 mm，做外展康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，橈側(cè)腕長伸肌受力伸長了約22 mm，橈側(cè)腕屈肌受力縮短了約19 mm，腕關(guān)節(jié)處肌肉的收縮性得到了很好的訓(xùn)練，重復(fù)這個(gè)運(yùn)動(dòng)，可以達(dá)到很好的康復(fù)目的。

腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)內(nèi)旋/外旋康復(fù)運(yùn)動(dòng)的分析過程與結(jié)果和上述兩種情況類似，故不再贅余。

4 結(jié)束語

本文基于（2-RPS/UPU）&R 混聯(lián)機(jī)構(gòu)，提出一種可穿戴式腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人。通過Adams軟件驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)的自由度并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，利用AnyBody 對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了逆動(dòng)力學(xué)仿真和康復(fù)效果的評(píng)估，結(jié)果表明該機(jī)器人穩(wěn)定性好，安全性強(qiáng)，帶動(dòng)手腕做康復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，腕關(guān)節(jié)周圍肌肉的活動(dòng)量和收縮情況符合康復(fù)醫(yī)學(xué)的相關(guān)規(guī)律，肌肉得到了有效訓(xùn)練，滿足受損腕關(guān)節(jié)的康復(fù)需求。