一種家庭用新型多姿態(tài)多運(yùn)動形式手臂關(guān)節(jié)訓(xùn)練器械的設(shè)計

摘要針對中國老齡化速度進(jìn)一步加快，老年人由于缺乏有效的鍛煉，肩、肘、腕關(guān)節(jié)經(jīng)常會出現(xiàn)酸、疼、痛等現(xiàn)象，研制了一種家庭用新型多姿態(tài)多運(yùn)動形式手臂關(guān)節(jié)訓(xùn)練器械。通過理論設(shè)計計算，并基于 NX 對無急回四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了正向運(yùn)動學(xué)分析比較，確定了3 組桿長參數(shù)（分別對應(yīng)2種姿態(tài)、3種不同運(yùn)動形式、9種不同運(yùn)動參數(shù)）作為設(shè)計方案;根據(jù)設(shè)計方案對手臂關(guān)節(jié)訓(xùn)練器械進(jìn)行了力平衡、載荷變化分析;根據(jù)理論設(shè)計計算及 NX 虛擬樣機(jī)動態(tài)仿真分析數(shù)據(jù)，試制并測試了訓(xùn)練器械物理樣機(jī)的性能。結(jié)果表明，訓(xùn)練器械安全、可靠、舒適，人體肩、肘、腕和腰關(guān)節(jié)都能得到較好的訓(xùn)練。

關(guān)鍵詞新型多姿態(tài)多運(yùn)動形式手臂關(guān)節(jié)訓(xùn)練器械

Design of a New Type of Arm Joint Training Instrument with Multi-posture and Multi-motion Forms for Family Use

Xu Wenjun1，2 Zhou Jianfeng1 Zheng Liwen1 Lin Yuzhen1 Zhu Huifen3

（1 College of Mechanical and Electrical Engineering，Quzhou Vocational and Technical College，Quzhou 324000，China）

（2 Hubei Province Key Laboratory of Modern Auto Part Technology，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

（3 Quzhou People's Hospital，Quzhou 324000，China）

Abstract Aiming at the further acceleration of the aging speed in China ，and considering the lack of effective exercise for the elderly，their shoulders，elbows and wrist joints often suffer from soreness，pain，and other problems. Thus，a new type of arm joint training instrument with multi-posture and multi-motion forms for family use is developed. Through theoretical design and calculation，and based on NX，a forward kinematic analysis and comparison of the four-bar mechanism without rapid return is conducted，3 sets of rod length pa-rameters （corresponding to 2 attitudes，3 different motion forms，9 different motion parameters respectively） are determined as a design scheme，and the force balance and load change analysis of the arm joint training equip-ment are carried out by the design scheme. Finally，according to the theoretical design calculation and the dy-namic simulation analysis data of the NX virtual prototype，the performance of the physical prototype of the training instrument is trial-produced and tested. The test results show that the training instrument is safe，reli-able and comfortable，and the human shoulders，elbows，wrists and waist joints can be better trained.

Key words New type Multi-posture Multi-motion form Arm joint Training instrument

0引言

國內(nèi)外關(guān)于手臂關(guān)節(jié)訓(xùn)練裝置的研制，比較典型的有：徐東[1]設(shè)計了一種手腕關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置，主要用于手腕關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練。邢金秋等[2]設(shè)計了一種上肢訓(xùn)練機(jī)械臂及訓(xùn)練方法，主要用于肩關(guān)節(jié)訓(xùn)練。羅燕美[3]設(shè)計了一種關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置，主要對象為肘關(guān)節(jié)。陳思媛等[4]設(shè)計了一種便攜式肘關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，主要應(yīng)用于肘關(guān)節(jié)訓(xùn)練。賈曉麗等[5]設(shè)計了一種肢體康復(fù)器械，并基于 CATIA 進(jìn)行了上下肢人機(jī)姿態(tài)仿真與評估，為康復(fù)器械優(yōu)化提供了依據(jù)與方法。王金超等[6]設(shè)計了一種新型智能交互式上肢康復(fù)機(jī)器人，以二連桿機(jī)構(gòu)為康復(fù)機(jī)械主體，可進(jìn)行肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)鍛煉。呂超等[7]基于 Solid-Works 進(jìn)行了變曲柄機(jī)構(gòu)的下肢康復(fù)機(jī)設(shè)計，通過改變曲柄長度來調(diào)節(jié)步態(tài)運(yùn)動，可滿足不同患者康復(fù)訓(xùn)練的需要。張偉勝等[8]設(shè)計了一種新型4 自由度的上肢康復(fù)機(jī)器人，解決了大多數(shù)上肢康復(fù)機(jī)器人串聯(lián)式結(jié)構(gòu)的弊端，但該機(jī)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高昂。易金花等[9]設(shè)計了一種中央驅(qū)動式上肢康復(fù)機(jī)器人，具有機(jī)械臂體積小巧、動力驅(qū)動系統(tǒng)集中等優(yōu)點(diǎn)，但機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價格也較昂貴。 California State University 與 Chicago 康復(fù)研究所研制了可實(shí)現(xiàn)手臂屈伸運(yùn)動的3-DOF 康復(fù)器械機(jī)器人 ARM Guide，通過一個主動 DOF ，由電機(jī)驅(qū)動直線導(dǎo)軌從而帶動手臂實(shí)現(xiàn)屈伸運(yùn)動[10-11]，訓(xùn)練方式較為單一。綜合現(xiàn)有文獻(xiàn)，現(xiàn)有手臂關(guān)節(jié)訓(xùn)練器械功能比較單一，能同時鍛煉肩、肘和腕關(guān)節(jié)的還比較少，價格不菲也是現(xiàn)有設(shè)備的共同特點(diǎn)。本文中針對現(xiàn)有手臂關(guān)節(jié)訓(xùn)練器械的現(xiàn)狀，基于 UG NX 開發(fā)設(shè)計一種家庭用新型多姿態(tài)多運(yùn)動形式手臂關(guān)節(jié)訓(xùn)練器械。

1設(shè)計方案

本設(shè)計遵循在實(shí)現(xiàn)功能相同的前提下，機(jī)械結(jié)構(gòu)越簡單越好的機(jī)械設(shè)計原則，構(gòu)思了一種能同時進(jìn)行肩、肘和腕關(guān)節(jié)訓(xùn)練的家庭用新型多姿態(tài)多運(yùn)動形式手臂關(guān)節(jié)訓(xùn)練器械設(shè)計方案。

（1 ）設(shè)計一種多姿態(tài)、多運(yùn)動形式機(jī)構(gòu)，用于手臂的圓弧曲線、近似橢圓曲線和圓周曲線訓(xùn)練。本設(shè)計選用無急回四桿機(jī)構(gòu)作為多姿態(tài)、多運(yùn)動形式執(zhí)行機(jī)構(gòu)[12]。

（2 ）設(shè)計一種上下平移運(yùn)動機(jī)構(gòu)，用以調(diào)節(jié)多姿態(tài)多運(yùn)動形式機(jī)構(gòu)的高度以滿足不同身高人群的需要。本設(shè)計選用導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)作為多姿態(tài)、多運(yùn)動形式機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上下平移運(yùn)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2理論設(shè)計計算與分析

2.1 四桿機(jī)構(gòu)理論設(shè)計與計算

四桿機(jī)構(gòu)如圖1 所示。設(shè)平面四桿機(jī)構(gòu)中，4個桿件1 、桿件2 、桿件3 、桿件4 的長度分別為 l1、l2、 l3、l4。

根據(jù)設(shè)計方案，選取 l1為曲柄;l2為連架桿;l3為搖桿;l4為機(jī)架，曲柄 l1做圓周運(yùn)動，搖桿 l3做圓弧運(yùn)動，連桿 l2上面的點(diǎn)做近似橢圓運(yùn)動。

根據(jù)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)工作原理，建立桿件矢量方程為

根據(jù)式（1 ），求解位移方程為

式中，

由式（2）對時間 t 求導(dǎo)，得桿件速度方程為

求解得速度為

由式（3）對時間 t 求導(dǎo)，得加速度方程為

令： B = yb + l2φ 22 cos φ2- l3φ 32 cos φ3

求解得加速度為

在 NX 中建立人體模型，身高取175 cm ，如圖2所示。測量顯示，手臂長度為654 mm ?？紤]中國老年人身高因素，取手臂長度為 600 mm ，即 l3=600 mm。

根據(jù)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，當(dāng)極位夾角θ =0°時，行程速比系數(shù) K =1 ，如式（7）所示。此時，機(jī)構(gòu)在工作行程階段與空回行程階段的平均速度相等，亦即機(jī)構(gòu)具有無急回運(yùn)動特性。

四桿機(jī)構(gòu)無急回運(yùn)動特性的條件為

根據(jù)上述條件作曲柄搖桿機(jī)構(gòu)簡圖，如圖 3所示。

2.2 無急回四桿機(jī)構(gòu)正向運(yùn)動學(xué)分析比較設(shè)計

（1 ）初定曲柄長度 l1并計算 l2，初定機(jī)架 l4的長度為800 mm ，搖桿 l3的擺角為90°，根據(jù)圖3 所示幾何位置關(guān)系可得

根據(jù)式（8）計算得到

（2 ）改變曲柄長度 l1，計算對應(yīng)連架桿長度 l2的10組方案設(shè)計數(shù)據(jù)如表1 所示。

（3 ）分析曲柄長度 l1、連架桿長度 l2的改變對搖桿 l3角速度的影響。

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，在 UG NX 中建立四桿機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型[13]，并進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，分析曲柄長度 l1、連架桿長度 l2的改變對搖桿 l3角速度的影響（兩個周期），結(jié)果如圖4 所示。

通過運(yùn)動學(xué)仿真分析，同時得到搖桿 l3的擺角幅度，如表2 所示。

由圖4 和表2 可知，隨著曲柄長度 l1的減小，連架桿長度 l2也減小，搖桿 l3的擺角幅度也越來越小，且搖桿 l3的角速度變化幅度也趨于平穩(wěn)。

圖4 曲柄長度 l1、連架桿長度 l2的改變對搖桿 l3角速度的影響

由圖 4可知搖桿角速度的變化幅度，如表 3所示。

比較以上10組設(shè)計方案，最終選擇初定組、第5 組、第7 組數(shù)據(jù)作為設(shè)計方案，如表4 所示。

2.3 手臂關(guān)節(jié)訓(xùn)練器械整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)理論設(shè)計計算數(shù)據(jù)，基于 NX建立手臂關(guān)節(jié)訓(xùn)練器械數(shù)字樣機(jī)模型，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.4 無急回運(yùn)動四桿機(jī)構(gòu)力平衡、載荷變化分析[14]

無急回四桿機(jī)構(gòu)手臂關(guān)節(jié)訓(xùn)練器械工作時，驅(qū)動電機(jī)載荷呈周期性變化。當(dāng)搖桿 l3處于水平位置時，電機(jī)需要克服四桿重力（材料為6061Al，密度ρ=2.75 g/cm3）及手臂作用力矩做功，此時電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩最大，如圖6所示。

由圖6可知，當(dāng)桿 l3水平時，桿 l1接近水平位置，桿 l2接近豎直位置。

電機(jī)轉(zhuǎn)矩計算：

式中， G1為桿 l1重量， 0.56×9.8 N; G2為桿 l2重量，0.88×9.8 N; G3為桿 l3重量，0.83×9.8 N; G 手臂為手臂重量，2×9.8 N。

手臂關(guān)節(jié)訓(xùn)練器械工作周期 T 約4 s ，由此計算得電機(jī)轉(zhuǎn)速約15 r/min。

根據(jù)轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速，同時考慮安全系數(shù)，選擇12v 24v 600JSX-4468型蝸輪蝸桿大力矩方形減速箱交流電機(jī)為四桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)，其帶有自鎖電機(jī)馬達(dá)，額定轉(zhuǎn)矩為200 N ?m

3樣機(jī)試驗(yàn)

根據(jù)理論設(shè)計計算數(shù)據(jù)及虛擬樣機(jī)動態(tài)仿真分析結(jié)果，試制了新型智能手臂關(guān)節(jié)訓(xùn)練器械物理樣機(jī)，如圖7 所示。通過20位試驗(yàn)者的試驗(yàn)，均感覺舒適，肩、肘、腕和腰關(guān)節(jié)都能得到較好的訓(xùn)練。此外，還可通過四桿機(jī)構(gòu)的左/右不同位置裝配（圖7（ a ）、圖7（b）），來實(shí)現(xiàn)左/右手互換訓(xùn)練，從而提高訓(xùn)練器械的使用效率。

樣機(jī)試驗(yàn)表明，人體手臂在訓(xùn)練器械的牽引下作被動運(yùn)動，手臂處于放松狀態(tài)，各關(guān)節(jié)受力都比較小，完全在人體可接受范圍之內(nèi)。

隨機(jī)選取20人（10位男性， 10位女性）作為試驗(yàn)對象如表5 所示，所有接受試驗(yàn)的均為成年人。

試驗(yàn)記錄各關(guān)節(jié)最大角度和最小角度值，最終得到上肢關(guān)節(jié)訓(xùn)練的實(shí)際活動角度范圍如表6 所示。將此數(shù)據(jù)和正常人上肢關(guān)節(jié)活動范圍數(shù)據(jù)對比，可知各關(guān)節(jié)的活動范圍都在人體手臂關(guān)節(jié)正常活動范圍之內(nèi)[15]。試驗(yàn)結(jié)果表明受試者感覺舒適、安全、可靠，肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)和腰關(guān)節(jié)都能得到較好的訓(xùn)練。

4結(jié)論

針對傳統(tǒng)老年人訓(xùn)練器械現(xiàn)狀，設(shè)計了一種家庭用新型多姿態(tài)多運(yùn)動形式手臂關(guān)節(jié)訓(xùn)練器械，應(yīng)用 NX 虛擬樣機(jī)軟件對機(jī)器的多姿態(tài)、多運(yùn)動形式進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模分析，并試制了物理樣機(jī)。最終通過物理樣機(jī)性能的測試，驗(yàn)證了新型手臂關(guān)節(jié)訓(xùn)練器械具有多姿態(tài)變換和多運(yùn)動形式功能，同時也驗(yàn)證了其安全性、可靠性和舒適性。

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收稿日期：2021-04-09修回日期：2021-04-30

基金項目：衢州市“新115人才工程”資助科研項目（衢人社?！?019】85號）

衢州市科技攻關(guān)項目（2021067）

浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新項目（2016R467003）

作者簡介：徐文俊（1981—），男，浙江江山人，碩士，副教授;主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計 CAD/CAE/CAM。