康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)分析

楊昭顯 梁興波 黨海釗

摘要：該文結(jié)合人體生理結(jié)構(gòu)特征，按照人體慣性參數(shù)等數(shù)據(jù)，分析了人體尺寸和關(guān)節(jié)的活動(dòng)度，設(shè)計(jì)一種康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，并建立運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，利用ADAMS軟件對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得出關(guān)節(jié)處的角度、加速度與時(shí)間變化曲線。結(jié)果表明：電動(dòng)推桿的推力在所選擇的推力范圍內(nèi)，踏輪電機(jī)的輸出力矩在合適范圍內(nèi)，驗(yàn)證此模型的可靠性。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)學(xué) 電動(dòng)推桿 可靠性

中圖分類號(hào)：TP242 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：1672-3791（2022）04（a）-0000-00

Design and Analysis of Rehabilitation Robot

YANG ZhaoxianLIANG XingboDANGHaizhao

（1.Zoomlion HeavyIndustry Co.，Ltd.， Changsha，Hunan Province，410200 China;2.Liuzhou Wuling Automobile Industry Co.， Ltd.，Liuzhou，Guangxi Zhuang Autonomous Region，5453000 China）

Abstract：Combining with the characteristics of human physiological structure， according to the human body inertia parameters such as data， analysis of the human body size and mobility of joints， design a kind of wheeled rehabilitation training robot， and establish the mechanism kinematics and dynamics model of ADAMS software is used to analyse the mechanism dynamics analysis， it is concluded that the Angle of the joints， acceleration and time change curve. The results show that the thrust of the electric push rod is in the selected thrust range， and the output torque of the pedal motor is in the appropriate range， which verifies the reliability of the model.

Key Words： Robot;Kinematics;Electric putter;Reliability

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示截至2018年，我國(guó)老年人口總數(shù)達(dá)1.56億人，占總?cè)丝诘谋戎剡_(dá)11.19%[1]。隨著我國(guó)人口老齡化的加劇，以及各類疾?。ㄓ绕淠X卒中、脊柱受傷）等引起的人體運(yùn)動(dòng)功能性障礙的人數(shù)不斷升高[2]。此外，平均每年有20萬(wàn)人因交通事故等原因，導(dǎo)致不同程度的傷病和殘疾[3-4]。面對(duì)目前中國(guó)康復(fù)醫(yī)療服務(wù)需求巨大的現(xiàn)狀，傳統(tǒng)的靠人工的康復(fù)手段已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了康復(fù)需求。隨著機(jī)器人技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的飛速發(fā)展，醫(yī)用機(jī)器人以醫(yī)學(xué)理論為依據(jù)，可以科學(xué)有效的幫助患者逐步恢復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)能。

1康復(fù)機(jī)器人模型的建立

根據(jù)人體的生理結(jié)構(gòu)、人體慣性參數(shù)、關(guān)節(jié)的活動(dòng)度、人機(jī)工程學(xué)等因素，設(shè)計(jì)一款康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，如圖1所示。

圖1機(jī)器人模型

康復(fù)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要由兩部分組成：床體和踏輪。床體由床身和升降平臺(tái)組成。升降臺(tái)上座與升降臺(tái)底座之間通過(guò)支撐桿和銷軸鉸接在一起，電動(dòng)推桿作為動(dòng)力源，推動(dòng)升降機(jī)構(gòu)的上升與下降。床身通過(guò)銷軸和電動(dòng)推桿安裝在升降平臺(tái)上座上。

2運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)力學(xué)模型建立

按照床身的設(shè)計(jì)要求，建立康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，如圖2所示。

圖2中，桿尺寸為已知量，輸入為電動(dòng)推桿位移量，設(shè)輸出為翻轉(zhuǎn)連桿的角度α1。圖中A1點(diǎn)坐標(biāo)為（0，ya1），B1點(diǎn)坐標(biāo)為（xb1，0），C1點(diǎn)坐標(biāo)（l1cosα1，ya1+l1sinα1），A2點(diǎn)的坐標(biāo)（d1，hd+ya1），設(shè)B2點(diǎn)的坐標(biāo)（xb2，yb2），C2點(diǎn)坐標(biāo)（d1+l2cosα2，hd+ya1+l2sinα2），ya2為A2點(diǎn)與B2點(diǎn)間的豎直距離，設(shè)S11，S21分別為床身電動(dòng)推桿、靠背電動(dòng)推桿的行程，則根據(jù)電動(dòng)推桿參數(shù)可得最小安裝位置為S1=S11+160，S2=S21+160。

床身機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角α1與電動(dòng)推桿長(zhǎng)度S1之間的幾何關(guān)系為：

（1）

則床身電動(dòng)推桿的行程s11為：

（2）

床身翻轉(zhuǎn)角度的范圍為0°～90°，靠背機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角α2與電動(dòng)推桿長(zhǎng)度S2之間的幾何關(guān)系：

（3）

靠背翻轉(zhuǎn)角度的范圍為0°～90°，圖2中對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)副的A1力矩平衡有：Fn1n1=G1n1，其中n1=l1cosβ1，由數(shù)學(xué)知識(shí)和聯(lián)立上式的關(guān)系式：

（4）

（5）

以上關(guān)系式為床身受力總成與電動(dòng)推桿提供的支撐力之間的關(guān)系。

3運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在ADAMS中建立人機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型，其中關(guān)鍵構(gòu)件和人體部位包括：支撐桿、翻轉(zhuǎn)架、電機(jī)模塊、大腿、小腿。

在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，影響髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)角度變化的因素有大腿長(zhǎng)度a，小腿長(zhǎng)度b，床的高度h，踏輪電機(jī)翻轉(zhuǎn)角度δ，A點(diǎn)到G點(diǎn)在x軸方向上的投影距離，支撐桿長(zhǎng)度已定。如果試驗(yàn)取5個(gè)變量，每個(gè)變量選取3個(gè)不相等的值，則需要進(jìn)行243次試驗(yàn)，工作量變得極大。為了減少工作量，同時(shí)又不對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法是一種用來(lái)研究多水平多因素的設(shè)計(jì)方法[5]，它利用試驗(yàn)點(diǎn)的正交性將部分具有代表性的點(diǎn)從全面試驗(yàn)點(diǎn)中挑選出[6]。用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種快速有效、經(jīng)濟(jì)的多變量試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。患者的大腿長(zhǎng)度和小腿長(zhǎng)度會(huì)成組變化，所以視為一個(gè)變量，床的高度已定，踏輪撐桿已定ε角已定。有2個(gè)變量，每個(gè)變量取3組不同的值，則需要做9次仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)中有試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素，即衡量試驗(yàn)效果的特征量和影響試驗(yàn)指標(biāo)的因素。

踏輪電機(jī)翻轉(zhuǎn)角度δ分別為45°、60°、75°，髖關(guān)節(jié)A點(diǎn)到G點(diǎn)關(guān)于x軸的投影距離分別為635mm、685mm、735mm。在模型處添加驅(qū)動(dòng)，設(shè)置角速度為30/s，腳踏轉(zhuǎn)兩周需要24s，仿真步數(shù)為120步，每次仿真完成后，按照表的數(shù)據(jù)修改模型構(gòu)件的位置，再次進(jìn)行仿真。按照人體坐姿狀態(tài)下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)度角度定位，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)角度仿真結(jié)果分別如表1所示。

坐姿人體關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍髖關(guān)節(jié)：65°～120°，膝關(guān)節(jié)75°～180°。從表1可得：試驗(yàn)號(hào)1.5的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的角度都不在坐姿人體關(guān)節(jié)角度范圍內(nèi)。以上說(shuō)明在坐姿狀態(tài)下，電機(jī)翻轉(zhuǎn)的角度過(guò)大時(shí)，改變?nèi)伺c踏輪的水平的距離會(huì)影響人體的正?？祻?fù)訓(xùn)練。試驗(yàn)號(hào)1.6、1.8、2.8中的踏輪電機(jī)翻轉(zhuǎn)角度都是相同值，說(shuō)明電機(jī)模塊的翻轉(zhuǎn)角度δ在一定范圍內(nèi)，增加人體的髖關(guān)節(jié)與踏輪的水平距離l能使人體的關(guān)節(jié)角度處于正常范圍內(nèi)。但對(duì)于髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)比較脆弱的患者，關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍不宜過(guò)大，所以在人體的髖關(guān)節(jié)與踏輪的水平距離一定時(shí)，建議選用小的角度即δ=45°。這樣患者在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)度較小，符合下肢康復(fù)訓(xùn)練關(guān)節(jié)的允許變化范圍。

圖3 髖關(guān)節(jié)角速度變化規(guī)律

由圖3可得，髖關(guān)節(jié)的角度都是先增大再減小，電機(jī)在同一翻轉(zhuǎn)角度δ，髖關(guān)節(jié)的角度隨著距離的增大而增大;在同一距離條件下，髖關(guān)節(jié)的角度隨著翻轉(zhuǎn)角度的增大而減小。在同一角度δ條件下，膝關(guān)節(jié)的角度也隨著距離的增大而增大;在同一距離條件下，膝關(guān)節(jié)的角度隨著距離的增大而減小。腿長(zhǎng)較長(zhǎng)的人體，膝關(guān)節(jié)角度先減小后增大。腿長(zhǎng)較短的人體，膝關(guān)節(jié)角度先增大后減小，且出現(xiàn)相對(duì)較大的角度。但對(duì)于髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)比較脆弱的患者，關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍不宜過(guò)大，所以在人體的髖關(guān)節(jié)與踏輪的水平距離一定時(shí)，建議選用小的角度即δ=45°。這樣患者在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)度較小，符合下肢康復(fù)訓(xùn)練關(guān)節(jié)的允許變化范圍。不同因素條件下，髖關(guān)節(jié)的角加速度的變化走勢(shì)相同，試驗(yàn)號(hào)1.8膝關(guān)節(jié)的角加速度變化最大，試驗(yàn)號(hào)1.5膝關(guān)節(jié)的角速度變化最小，其他試驗(yàn)號(hào)角速度變化相差不大。由圖7可知， 試驗(yàn)號(hào)1.8膝關(guān)節(jié)的角速度變化最大，試驗(yàn)號(hào)1.5膝關(guān)節(jié)的角速度變化最小，試驗(yàn)號(hào)1.3角加速度曲線變化相近。試驗(yàn)號(hào)1.8的髖關(guān)節(jié)角加速度小，但膝關(guān)節(jié)的角加速度大;試驗(yàn)號(hào)1.5膝關(guān)節(jié)角加速度小，但髖關(guān)節(jié)角加速度大。兩者任一角加速度過(guò)大不利于病人平緩康復(fù)的要求，其中試驗(yàn)號(hào)1.5髖關(guān)節(jié)角度與膝關(guān)節(jié)角加速度組合相對(duì)較小，結(jié)合方案可得，可選取l為735mm作為踏輪與床體之間的適宜距離。

4結(jié)語(yǔ)

結(jié)果表明：電動(dòng)推桿的推力在所選擇的推力范圍內(nèi);踏輪電機(jī)的輸出力矩在合適范圍內(nèi);利用ADAMS仿真分析，真實(shí)反映了床身翻轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程;建立了下肢簡(jiǎn)化模型，并設(shè)計(jì)了二因素三水平試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，判斷出電機(jī)模塊在45°時(shí)，隨著水平距離的變化，男性K95的髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)的角度變化在坐姿人體角度范圍內(nèi)，并分析總結(jié)出床體與踏輪間的適宜距離為735mm。

參考文獻(xiàn)

[1] 李古強(qiáng)，于守娟，孟永春，等.康復(fù)輔助器具服務(wù)云平臺(tái)的構(gòu)建研究[J].中國(guó)衛(wèi)生事業(yè)管理，2019（1）：5-8，16.

[2] 劉小方，魯桂根，莊金賢.殘疾人醫(yī)療康復(fù)現(xiàn)狀及對(duì)策——以上海市金山區(qū)為例[J].海軍醫(yī)學(xué)雜志，2019（1）：61-64，68.

[3] 華劍.虛擬仿真軟件在機(jī)械專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐[J].大學(xué)教育，2020（2）：14-16.

[4] 陸佳慧.多滾筒動(dòng)平衡試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)及模態(tài)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2020，42（10）：9-16.

[5] 吳毅，岳壽偉，竇豆.中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)科學(xué)研究的發(fā)展歷程[J].中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志， 2019（9）：1009-1013.

[6] 李春剛，郭輝，沈勇，等.軸承安裝與固定的工藝參數(shù)研究[J].機(jī)械工程師，2020（3）：96-97，101.