三自由度上肢康復(fù)外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

丁江，陳磊，付兵*，農(nóng)衛(wèi)航，林德智

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004；3.廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530007)

0 引言

腦卒中因中樞神經(jīng)受到損傷而具有高致殘率、高發(fā)病率的特點(diǎn)，目前已經(jīng)成為中老年人運(yùn)動功能障礙的重要原因[1]?；颊呖赏ㄟ^康復(fù)訓(xùn)練重新建立患肢與受損中樞神經(jīng)之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對肢體的有效控制[2]。康復(fù)外骨骼在降低康復(fù)醫(yī)師工作負(fù)擔(dān)的同時，還具備更加科學(xué)合理的康復(fù)訓(xùn)練活動，能快速、有效地恢復(fù)患者的運(yùn)動能力[3-4]，因此，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和康復(fù)醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行了許多可穿戴上肢康復(fù)外骨骼的相關(guān)研究[5]。

Li等[6]基于人體工程學(xué)提出一種上肢康復(fù)外骨骼，然而引入的被動關(guān)節(jié)顯著降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度以及減小了外骨骼在靜態(tài)和動態(tài)模式下人體上肢與外骨骼的作用力。Islam等[7]研究了一款七自由度雙重功能上肢康復(fù)外骨骼，能夠根據(jù)患者的上肢損傷程度自動切換康復(fù)模式。Meng等[8]提出了一種輪式電動上肢康復(fù)外骨骼，能夠輔助患者完成日?；顒樱撗b置結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復(fù)雜，成本偏高，不適合批量定制。Lessard等[9]提出了一種用于上肢康復(fù)的軟質(zhì)外套，通過更加柔性的方式順應(yīng)人體上肢的自然運(yùn)動，但其剛度有所下降。徐晨陽等[10]研發(fā)了一種鋼絲繩索驅(qū)動的CURE-7康復(fù)機(jī)器人，通過臺架上的電機(jī)驅(qū)動線輪，控制各關(guān)節(jié)的運(yùn)動，不過纜繩的布置需要經(jīng)過嚴(yán)格計算。Deng等[11]設(shè)計了一種雙臂對稱式外骨骼，采用了分層控制方案，實(shí)現(xiàn)了康復(fù)外骨骼機(jī)械臂與人體上肢協(xié)同操作，有效提升了人體上肢康復(fù)效果。易安東等[12]針對腦卒中患者手指功能康復(fù)問題，設(shè)計了一種基于直線電機(jī)驅(qū)動的手部外骨骼，具有輕便易攜帶的特點(diǎn)。李翌等[13]提出了一種主動式上肢外骨骼力量訓(xùn)練器，引入了運(yùn)動跟隨機(jī)構(gòu)和信號采集與反饋系統(tǒng)，有效解決了傳統(tǒng)主動式康復(fù)訓(xùn)練外骨骼未能提供人體上肢肌肉群的全方位訓(xùn)練不足。Wu等[14]提出了一款具有五自由度的肘-腕康復(fù)外骨骼，利用齒輪軸承機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、肘-腕球面軸承機(jī)構(gòu)更好地滿足了前臂的精細(xì)運(yùn)動康復(fù)需求，但外骨骼裝置功能模塊較多，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，本文中設(shè)計了一種可批量定制的輕量化三自由度康復(fù)外骨骼。首先對康復(fù)外骨骼進(jìn)行了正運(yùn)動學(xué)分析，并驗(yàn)證了其正確性；其次進(jìn)行了工作空間的計算，得到了上肢康復(fù)外骨骼的工作空間點(diǎn)云圖；最后進(jìn)行了仿真分析實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了上肢康復(fù)外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，為后續(xù)康復(fù)外骨骼的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及動力學(xué)分析提供了理論基礎(chǔ)。

1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

1.1 上肢外骨骼康復(fù)功能需求

為了更好地滿足腦卒中患者康復(fù)功能需求，首先，驅(qū)動電機(jī)要有足夠的運(yùn)動精度，保證患者在運(yùn)動過程中能夠精準(zhǔn)拾取目標(biāo)物體；其次，康復(fù)外骨骼應(yīng)具有體積小、重量輕等特點(diǎn)，以便滿足患者不同場合的康復(fù)訓(xùn)練要求；然后，還需進(jìn)行人體工程學(xué)分析，使其具有美觀、安全、耐用等優(yōu)點(diǎn)；最后，康復(fù)外骨骼應(yīng)降低有效成本，以便實(shí)現(xiàn)康復(fù)外骨骼設(shè)備裝置的“平民化”。

1.2 康復(fù)外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計

康復(fù)外骨骼的設(shè)計靈感來源于人體上肢多關(guān)節(jié)運(yùn)動。如圖1所示，人體上肢的自由度為七自由度[15]，分別是肩關(guān)節(jié)內(nèi)收、外展[圖1(a)、(b)]，肩關(guān)節(jié)外旋、內(nèi)旋[圖1(c)、(d)]，肩關(guān)節(jié)屈曲、伸展[圖1(e)、(f)]，前臂旋前、旋后[圖1(g)、(h)]，肘關(guān)節(jié)屈曲[圖1(i)]，腕關(guān)節(jié)外旋、內(nèi)旋[圖1(j)、(k)]，腕關(guān)節(jié)屈曲、伸展[圖1(n)、(m)]。上肢運(yùn)動角度[16-17]范圍見表1。

(a)肩內(nèi)收 (b)肩外展 (c)肩外旋 (d)肩內(nèi)旋 (e)肩屈曲 (f)肩伸展

表1 人體和機(jī)械臂上肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動角

由于康復(fù)外骨骼肩部安裝空間有限，為了簡化機(jī)構(gòu)并且滿足腦卒中患者的基本康復(fù)訓(xùn)練要求，設(shè)計了一款三自由度輕量化康復(fù)外骨骼。該康復(fù)外骨骼的肩部采用屈曲-伸展和內(nèi)收-外展2個自由度，肘部采用屈曲-伸展單個自由度。如圖2所示，從左到右共有3個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)安裝有一體化機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)(包含電機(jī)、驅(qū)動器、編碼器、諧波減速器)。關(guān)節(jié)1完成肩部的屈曲-伸展，關(guān)節(jié)2完成肩關(guān)節(jié)的內(nèi)旋-外旋，關(guān)節(jié)3完成肘部的屈曲-伸展。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

圖2 三自由度康復(fù)外骨骼

表2 康復(fù)外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

為了滿足驅(qū)動力矩和位置精度要求，肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)選用體積小的24 V直流無刷電機(jī)，肩部屈-伸康復(fù)訓(xùn)練活動的設(shè)計驅(qū)動力矩為49 N·m，肩部內(nèi)收-外展康復(fù)訓(xùn)練活動的設(shè)計驅(qū)動力矩為36 N·m，肘部的屈曲-伸展的設(shè)計驅(qū)動力矩為28 N·m。此外，為了防止驅(qū)動力矩過大，在關(guān)節(jié)處可設(shè)置限位開關(guān)。材料選用輕量化且強(qiáng)度足夠的6061鋁合金。

1.3 康復(fù)外骨骼價格對比

表3為目前市面上主流康復(fù)外骨骼設(shè)備的市場價格。由表可以得出，康復(fù)外骨骼的售價最高可達(dá)數(shù)百萬元，最低也需要數(shù)萬元，普通患者無法負(fù)擔(dān)昂貴的設(shè)備購置費(fèi)用。因此，本課題組設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉的三自由度康復(fù)外骨骼設(shè)備。該設(shè)備既能滿足腦卒中患者日常的康復(fù)需求，同時該上肢康復(fù)外骨骼的價格相更加親民，極大地降低了消費(fèi)者購買負(fù)擔(dān)，能夠更好地順應(yīng)康復(fù)外骨骼市場的“平民化”趨勢。

表3 康復(fù)外骨骼的市場價格

2 康復(fù)外骨骼運(yùn)動學(xué)分析

2.1 康復(fù)外骨骼正運(yùn)動學(xué)分析

為了得到各關(guān)節(jié)的相互位姿關(guān)系以及康復(fù)外骨骼末端姿態(tài)，采用修正D-H參數(shù)法建立了康復(fù)外骨骼連桿坐標(biāo)系。如圖3所示，基坐標(biāo)系與肩關(guān)節(jié)坐標(biāo)系重合，肩連桿長度為L1，大臂連桿長度為L2，小臂連桿長度為L3。根據(jù)D-H坐標(biāo)系連桿之間位置關(guān)系得到的機(jī)械臂連桿參數(shù)見表4。其中i為關(guān)節(jié)序號，θi為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，αi-1為連桿i-1扭轉(zhuǎn)角度，ai-1為連桿i-1的長度，di為連桿偏距。

圖3 康復(fù)外骨骼坐標(biāo)系

表4 外骨骼D-H參數(shù)

康復(fù)外骨骼D-H坐標(biāo)系中相鄰關(guān)節(jié)坐標(biāo)系i-1和i之間的位姿變換矩陣：

(1)

通過3個位姿矩陣的乘積得到康復(fù)外骨骼末端的姿態(tài)矩陣如下：

(2)

式中康復(fù)外骨骼的末端位置向量為

(3)

且：

(4)

式中：

(5)

為了驗(yàn)證運(yùn)動學(xué)方程的正確性，將康復(fù)外骨骼的初始狀態(tài)修改為θ1=θ2=θ3=0，并代入式(3)得到康復(fù)外骨骼末端位姿矩陣為

(6)

2.2 康復(fù)外骨骼工作空間分析

根據(jù)康復(fù)外骨骼末端位姿矩陣以及表4中各關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍角，通過MATLAB編程計算工作空間運(yùn)動范圍，得到康復(fù)外骨骼的工作空間點(diǎn)云圖，如圖4所示。

(a)三維工作空間

康復(fù)外骨骼工作空間范圍為x∈[-500,500]mm，y∈[-500,500]mm。結(jié)果表明，三自由度康復(fù)外骨骼滿足普通成年人手臂長度要求。實(shí)時運(yùn)動空間軌跡表明，本文提出的三自由度康復(fù)外骨骼能夠很好模擬人體上肢軌跡運(yùn)動范圍。

3 運(yùn)動學(xué)仿真分析實(shí)驗(yàn)

將去掉螺栓以及螺栓孔的外骨骼模型導(dǎo)入ADAMS仿真模塊，設(shè)置連桿材料為6061鋁合金，添加重力加速度以及人體手臂的重量，設(shè)置固定副、轉(zhuǎn)動副和驅(qū)動副，并在關(guān)節(jié)添加相應(yīng)的驅(qū)動函數(shù)，得到肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)運(yùn)動曲線圖，如圖5所示。圖5(a)中上肢康復(fù)外骨骼關(guān)節(jié)角速度在同一時間段內(nèi)變化趨勢一致，曲線平滑連續(xù)，有利于改善腦卒中患者在康復(fù)訓(xùn)練活動中的舒適性。圖5(b)為上肢康復(fù)外骨骼的肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的角加速度曲線，在整個過程滿足康復(fù)訓(xùn)練活動要求。肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的角加速度從0短時間達(dá)到最大值，上肢康復(fù)外骨骼整體為柔性沖擊,不會對患者手臂產(chǎn)生傷害。圖5(c)、(d)為康復(fù)外骨骼末端在肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)復(fù)合運(yùn)動下速度、加速度隨時間變化關(guān)系圖。設(shè)置好關(guān)節(jié)的驅(qū)動參數(shù)見表5。得到關(guān)節(jié)力矩與時間變化關(guān)系圖，如圖6所示。最大力矩為28 N·m，在設(shè)計的驅(qū)動力矩范圍之內(nèi)，因此也驗(yàn)證了電機(jī)選型的合理性。

(a)關(guān)節(jié)角速度隨時間變化曲線

表5 關(guān)節(jié)驅(qū)動參數(shù)

圖6 關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩曲線圖

4 結(jié)語

為了滿足腦卒中患者康復(fù)訓(xùn)練要求，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)和康復(fù)功能需求分析設(shè)計了一款可批量定制、價格低廉的新型三自由度康復(fù)外骨骼。首先，利用修正D-H法建立了上肢外骨骼的連桿坐標(biāo)系，得到了康復(fù)外骨骼的D-H參數(shù)表；其次，推導(dǎo)了運(yùn)動學(xué)方程并給出了驗(yàn)證，利用蒙特卡洛法繪制了三自由度康復(fù)外骨骼的運(yùn)動工作空間點(diǎn)云圖，更好地模擬了康復(fù)外骨骼的實(shí)際工作空間；最后，利用ADAMS對康復(fù)外骨骼進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明，康復(fù)外骨骼能夠滿足腦卒中患者日常康復(fù)訓(xùn)練活動，也為后期康復(fù)外骨骼動力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考依據(jù)。