上肢外骨骼康復(fù)訓(xùn)練裝置設(shè)計(jì)及分析

張 振，闞延鵬，陳 玉，葛 攀，張師榕，付 磊

(1.安徽工程大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 2410002.安徽工程大學(xué) 電氣傳動(dòng)與控制安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000)

王隆德院士在《中國(guó)中風(fēng)防治報(bào)告(2016)》中指出“40歲以上的人中，約有15%是中風(fēng)的高危人群，患者的年齡呈年輕化趨勢(shì)，全國(guó)每年因中風(fēng)死亡病例達(dá)188萬例，已成為中國(guó)第一大致死原因”[1]。由于“腦卒中”患者的大腦神經(jīng)無法對(duì)其肢體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，因此需要通過進(jìn)行重復(fù)性的肢體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)訓(xùn)練來幫助患者對(duì)其神經(jīng)產(chǎn)生刺激，重新建立腦部損傷神經(jīng)與肢體之間的聯(lián)系[2]。

康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)是一種全新的、高自動(dòng)化的輔助治療系統(tǒng)，是機(jī)器人技術(shù)高速發(fā)展和康復(fù)工程學(xué)相結(jié)合的成果，其存在的主要價(jià)值是通過自動(dòng)化設(shè)備的牽引完成特定的康復(fù)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，恢復(fù)患肢的運(yùn)動(dòng)功能。與傳統(tǒng)醫(yī)治方法相比，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的產(chǎn)生代替了傳統(tǒng)醫(yī)治方法，開創(chuàng)了一條新的治療途徑，在臨床應(yīng)用中有較大的優(yōu)勢(shì)。使用康復(fù)機(jī)器人較早地介入康復(fù)姿態(tài)訓(xùn)練，能夠有效地保持各個(gè)關(guān)節(jié)的活躍度，改善患者運(yùn)動(dòng)功能的最終康復(fù)狀態(tài)。

人體上肢是一個(gè)空間內(nèi)多自由度的結(jié)構(gòu)，在生活中極具重要性，而上肢外骨骼具備耐久性、低勞動(dòng)強(qiáng)度和高重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，患者穿戴上肢外骨骼能有效地幫助腦卒中患者康復(fù)，維持關(guān)節(jié)活動(dòng)度[3]。吳常鋮等[4]設(shè)計(jì)了一種具有5自由度的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，其中3個(gè)自由度可以調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)以適應(yīng)不同體格患者的需求，兩個(gè)自由度用于患者肢體訓(xùn)練，驅(qū)動(dòng)部件是步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)。魯守銀等[5]為腦中卒引起的偏癱患者設(shè)計(jì)了一款主從式上肢外骨骼康復(fù)裝置，采用符合人體上肢運(yùn)動(dòng)規(guī)律的主從式結(jié)構(gòu)作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，利用患者健康側(cè)上肢的運(yùn)動(dòng)功能作為控制輸入信號(hào)。徐晨陽等[6]為了降低繩驅(qū)動(dòng)并聯(lián)外骨骼的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性所帶來的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模誤差，改善外骨骼對(duì)不同穿戴者的適應(yīng)能力，提升外骨骼的穿戴舒適度，提出了一種7自由度的可穿戴上肢外骨骼康復(fù)裝置。翟宇毅等[7]針對(duì)傳統(tǒng)康復(fù)機(jī)器人重量重、穿戴不便等不足，基于輕量化、易穿戴和人體工學(xué)等設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)了一種3自由度的穿戴式上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置，可以實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)屈/伸及旋前/旋后的運(yùn)動(dòng)。許祥等[8]為輔助患者進(jìn)行后期的高強(qiáng)度康復(fù)訓(xùn)練，提出了一種具有4自由度的上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置，可以實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練。Li等[9]提出一種3自由度的上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置，其串聯(lián)結(jié)構(gòu)帶有一個(gè)末端執(zhí)行器，在水平旋轉(zhuǎn)時(shí)具有2個(gè)自由度，在垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)具有1個(gè)自由度，主要用于上肢肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練，由電機(jī)和氣缸驅(qū)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省空間，易于移動(dòng)。Duan等[10]為了實(shí)現(xiàn)上肢康復(fù)機(jī)械手各關(guān)節(jié)軌跡的精確控制，利用SolidWorks建立了6自由度上肢康復(fù)機(jī)械手的簡(jiǎn)化模型。Pang等[11]根據(jù)“繩齒帶”廣義繩傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了一種帶張緊機(jī)構(gòu)的6自由度上肢康復(fù)訓(xùn)練，并對(duì)其進(jìn)行分析證明合理性。

盡管現(xiàn)有的上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置能提供多樣的訓(xùn)練姿態(tài)，但是仍存在用于患者訓(xùn)練的自由度數(shù)目較少、驅(qū)動(dòng)部件耗能較大、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、適用率低及使用效果不明顯等不足。訓(xùn)練姿態(tài)的動(dòng)作幅度過大、運(yùn)動(dòng)角度不夠以及不安全等因素也可能會(huì)造成患者在使用過程中產(chǎn)生不必要的二次損傷。針對(duì)上述問題，本研究以人體運(yùn)動(dòng)功能和程度為依據(jù)，結(jié)合上肢在日常生活中常用的5個(gè)自由度，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的可穿戴外骨骼康復(fù)訓(xùn)練裝置，實(shí)現(xiàn)了肩關(guān)節(jié)的前屈/后伸、外擺/內(nèi)收，肘關(guān)節(jié)的屈曲/伸展，腕關(guān)節(jié)的尺屈/橈屈和掌屈/背屈5個(gè)康復(fù)訓(xùn)練姿態(tài)，輔助患者獲得有效的日常康復(fù)訓(xùn)練。

1 上肢外骨骼康復(fù)訓(xùn)練裝置的設(shè)計(jì)

裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要依據(jù)人體上肢結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行分析，需對(duì)其運(yùn)動(dòng)自由度、康復(fù)姿態(tài)等進(jìn)行確定，進(jìn)而對(duì)外骨骼康復(fù)訓(xùn)練裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.1 康復(fù)姿態(tài)及裝置自由度的選定

上肢是人體運(yùn)動(dòng)最靈活的部位，肩、肘、腕、前臂和手掌等部位在關(guān)節(jié)的配合下，完成日常生活中的多種運(yùn)動(dòng)。上肢主要依賴肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，是人們?nèi)粘Ｉ钪羞\(yùn)用頻率最高的關(guān)節(jié)。其中，肩關(guān)節(jié)的前屈/后伸、外擺/內(nèi)斂和旋內(nèi)/旋外，肘關(guān)節(jié)的屈/伸與前臂的旋轉(zhuǎn)，腕關(guān)節(jié)的尺屈/橈屈和掌屈/背屈是人體上肢的主要運(yùn)動(dòng)自由度，運(yùn)動(dòng)示意圖如圖1所示[12]。因關(guān)節(jié)及所處位置的不同，其需要完成的動(dòng)作和功能也不同，因此每個(gè)關(guān)節(jié)所需自由度的運(yùn)動(dòng)范圍也不同，手臂主要關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍表如表1所示。結(jié)合人體上肢運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，本文確定了上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置以肩部的前屈/后伸和外旋/內(nèi)旋、肘部的屈曲/伸展以及腕部的尺屈/橈屈和掌屈/背屈進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

表1 手臂主要關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍表

1.2 康復(fù)訓(xùn)練裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合人體結(jié)構(gòu)特征、選定的自由度及確定的康復(fù)姿態(tài)，以人體右上肢為例，其各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)自由度簡(jiǎn)圖如圖2所示。依次是肩關(guān)節(jié)的前屈/后伸(J1)、外展/內(nèi)收(J2)、肘關(guān)節(jié)的屈曲/伸展(J3)、腕關(guān)節(jié)的掌屈/背屈(J4)、尺屈/橈屈(J5)。此外，為了滿足不同患者的需求以及不同的臂長(zhǎng)和手掌尺寸，在康復(fù)訓(xùn)練裝置的上臂(l2)、前臂(l3)兩個(gè)位置可以對(duì)尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)。結(jié)合自由度簡(jiǎn)圖使用SolidWorks設(shè)計(jì)了外骨骼康復(fù)訓(xùn)練裝置的三維模型，如圖3所示。各動(dòng)作的執(zhí)行依靠設(shè)置在各自由度處的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以在固定的角度內(nèi)往復(fù)循環(huán)，也可以通過延時(shí)控制速度變化。舵機(jī)電路簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕，具有輕便性，可以在固定的角度內(nèi)往復(fù)循環(huán)，也可以通過延時(shí)控制運(yùn)動(dòng)速度，用于康復(fù)訓(xùn)練裝置。

依據(jù)設(shè)計(jì)要求，肩關(guān)節(jié)處承載了人體整個(gè)上肢的重量，所需的扭矩也最大。現(xiàn)以身高175 cm、體重60 kg的男性成年人為研究對(duì)象，根據(jù)GB10000-88成年人人體尺寸國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(如表2所示)，肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)處的最大驅(qū)動(dòng)力矩如表3所示。根據(jù)力矩?cái)?shù)值要求，各關(guān)節(jié)分別選用SM-120B-C003、DS5160和MG995型舵機(jī)。

表2 身體各部分占體重比例

表3 各關(guān)節(jié)處的最大驅(qū)動(dòng)力矩

1.3 外骨骼裝置的正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是指對(duì)于特定的機(jī)械手，根據(jù)連桿參數(shù)和各關(guān)節(jié)變量計(jì)算末端執(zhí)行器相對(duì)于選定坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，從而判斷各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否正常。基于D-H坐標(biāo)系一般原則建立D-H坐標(biāo)系如圖4所示，根據(jù)連桿之間的結(jié)構(gòu)參數(shù)列出各關(guān)節(jié)的參數(shù)如表4所示。

表4 各連桿之間D-H參數(shù)表

(1)

使用Matlab建立外骨骼裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，其可視化仿真及關(guān)節(jié)曲線如圖5、6所示。由圖6可知，上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置的5個(gè)自由度能在設(shè)定的空間范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)，末端軌跡運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)沒有干涉。驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的正確性，以及外骨骼裝置設(shè)計(jì)的可行性和合理性。

1.4 控制方案的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)上肢外骨骼康復(fù)訓(xùn)練裝置進(jìn)行關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度范圍、訓(xùn)練速度和康復(fù)模式的主動(dòng)控制，通過按鍵和電位計(jì)調(diào)節(jié)的方式對(duì)特定的功能進(jìn)行控制，控制關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)幅度在正?；顒?dòng)范圍內(nèi)，可以有效地避免對(duì)患者的肢體造成二次損傷。其運(yùn)動(dòng)控制流程圖和各控制器執(zhí)行方案如圖7和表5所示。

表5 控制方案簡(jiǎn)述

1.5 實(shí)物制作及空載角度驗(yàn)證

整體實(shí)物通過ABS耗材經(jīng)過3D打印制作而成，經(jīng)組裝得到如圖8所示的實(shí)物。為了驗(yàn)證實(shí)物運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的準(zhǔn)確性以及使用的安全性，在空載時(shí)對(duì)各項(xiàng)功能進(jìn)行了測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如表6所示。由表6可知，該上肢康復(fù)裝置能實(shí)現(xiàn)肩部的前屈/后伸和外旋/內(nèi)旋、肘部的屈曲/伸展、腕部的尺屈/橈屈和掌屈/背屈。所測(cè)的數(shù)據(jù)均低于預(yù)計(jì)角度，且誤差均在5°之內(nèi)，沒有超過極限角度，空載時(shí)的關(guān)節(jié)活動(dòng)度均在人體正?；顒?dòng)范圍內(nèi)，可以保證其安全性。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析

根據(jù)人體體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試邀請(qǐng)了10名成年人(5男5女)參加，分別是3位偏瘦者(1、2、3)、3位正常體型(4、5、6)、4位偏胖者(7、8、9、10)。實(shí)驗(yàn)過程中參與者將康復(fù)裝置穿戴于右臂之上，并對(duì)表6中的各項(xiàng)功能進(jìn)行往復(fù)10次體驗(yàn)。對(duì)不同姿態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)的舒適、難易和過程進(jìn)行綜合評(píng)分，每種姿態(tài)對(duì)應(yīng)10分，分值越高表明裝置的姿態(tài)靈活性、舒適性及自主操作能力越好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表6 空載時(shí)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分析

在體驗(yàn)過程中，通過JY61P角度傳感器記錄每種姿態(tài)下機(jī)械臂的實(shí)際活動(dòng)范圍，如表7所示。由表7可知，隨著上肢重量的加重，上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置在每種姿態(tài)下的活動(dòng)范圍逐漸減小，均在正常范圍內(nèi)。在體驗(yàn)結(jié)束時(shí)，根據(jù)參與者的體驗(yàn)狀態(tài)對(duì)上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置所提問題進(jìn)行客觀評(píng)分，評(píng)分指標(biāo)及結(jié)果如表9所示。

表7 參與者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分析

表8 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果

表9 問題評(píng)價(jià)指標(biāo)及結(jié)果

表8的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各項(xiàng)姿態(tài)在執(zhí)行過程中其評(píng)分均達(dá)到8分以上，表明本研究所設(shè)計(jì)的上肢外骨骼康復(fù)訓(xùn)練裝置有較好的適應(yīng)性，具有舒適、高靈活性以及自主操作能力好等優(yōu)點(diǎn)，較好地完成了預(yù)期規(guī)定姿態(tài)的控制，能實(shí)現(xiàn)用戶的被動(dòng)訓(xùn)練。通過問題評(píng)價(jià)指標(biāo)及其結(jié)果也可以看出，裝置在可穿戴性、自主操控以及姿態(tài)的短暫記憶方面有一定效果。而對(duì)于使用過程中的發(fā)力以及使用后實(shí)驗(yàn)者較為疲憊的問題，通過詢問得知可能是實(shí)驗(yàn)者在使用過程中有些許緊張導(dǎo)致，并非裝置的原因。

3 結(jié)論

本文針對(duì)“腦卒中”患者肌無力、無法自主康復(fù)訓(xùn)練等問題，設(shè)計(jì)一種5自由度的可穿戴上肢外骨骼康復(fù)訓(xùn)練裝置。

(1)通過對(duì)上肢外骨骼裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及仿真，表明各關(guān)節(jié)自由度能較好地在設(shè)定角度范圍內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，驗(yàn)證了模型的合理性和可行性。

(2)利用按鍵和電位計(jì)調(diào)節(jié)的方式可對(duì)特定的康復(fù)姿態(tài)進(jìn)行控制，能實(shí)現(xiàn)對(duì)上肢外骨骼康復(fù)訓(xùn)練裝置進(jìn)行康復(fù)模式、運(yùn)動(dòng)角度以及訓(xùn)練速度的主動(dòng)控制。

(3)選取3類不同體型的參與者佩戴上肢康復(fù)訓(xùn)練裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著體質(zhì)量的增加，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍逐漸減小，但仍在正常活動(dòng)范圍內(nèi)。通過建立評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)對(duì)上肢外骨骼康復(fù)訓(xùn)練裝置進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示各項(xiàng)康復(fù)姿態(tài)在執(zhí)行過程中其評(píng)分均達(dá)到8分以上，表明本研究所設(shè)計(jì)的上肢外骨骼康復(fù)訓(xùn)練裝置能較好地完成預(yù)期規(guī)定姿態(tài)的控制，參與者客觀的體驗(yàn)評(píng)價(jià)也表明該裝置具有較好的適用性效果。