非平面2自由度上肢康復(fù)外骨骼設(shè)計(jì)與分析

葛 攀,張 振,陳 玉,汪步云

(1.安徽工程大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 蕪湖 241000;2.電氣傳動(dòng)與控制安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 蕪湖 241000)

上肢的運(yùn)動(dòng)機(jī)能在日常的工作與生活中起著重要作用[1],但大量的運(yùn)動(dòng)損傷和神經(jīng)系統(tǒng)疾病會(huì)影響上肢的運(yùn)動(dòng)機(jī)能,降低患者的生活質(zhì)量。這種上肢機(jī)能的損傷可能發(fā)生在脊髓損傷、中風(fēng)或骨折之后。臨床研究證實(shí),人體的中樞神經(jīng)組織損傷不可再生,但具有高度的可塑性,神經(jīng)損傷引起的上肢運(yùn)動(dòng)機(jī)能障礙可通過重復(fù)的康復(fù)訓(xùn)練進(jìn)行恢復(fù)[2],是一個(gè)運(yùn)動(dòng)重新學(xué)習(xí)的過程。在緩慢的恢復(fù)過程中,患者需要康復(fù)治療師進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間協(xié)助。然而,隨著需要重復(fù)性運(yùn)動(dòng)康復(fù)的患者數(shù)量增加,導(dǎo)致了康復(fù)治療師的數(shù)量不足,為了減輕這種負(fù)擔(dān)并為患者提供穩(wěn)定的康復(fù)過程,借助上肢康復(fù)機(jī)器人是協(xié)助上肢機(jī)能損傷患者恢復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)能的有效途徑。

隨著上肢康復(fù)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展以及患者對(duì)康復(fù)需求的提高,上肢康復(fù)機(jī)器人按照設(shè)備康復(fù)形式的不同可分為兩種類型[3]。第一類康復(fù)機(jī)器人采用的是末端牽引式,另一類采用的是外骨骼式。末端牽引式直接作用于上肢的末端,如手握式和腕部固定式,往往是為了康復(fù)訓(xùn)練而設(shè)計(jì)的。早期的末端牽引式機(jī)器人是由麻省理工學(xué)院的krebs等[4]開發(fā)的MIT-MANUS,該裝置采用了平面SCARA 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)上肢的肩膀和肘部,能夠?qū)崿F(xiàn)2自由度平面空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)康復(fù)。張磊剛等[5]設(shè)計(jì)了一款雙側(cè)7自由度上肢康復(fù)機(jī)器人。機(jī)器人的主要康復(fù)交互機(jī)構(gòu)由兩個(gè)7自由度機(jī)械臂和末端牽引手柄等組件構(gòu)成,可以幫助患者手臂實(shí)現(xiàn)三維空間的訓(xùn)練,且可以根據(jù)不同康復(fù)時(shí)期的患者進(jìn)行按需輔助康復(fù)。夏鵬鵬等[6]針對(duì)牽引式上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜、柔順性和安全性不足的問題,設(shè)計(jì)了一種三維空間末端牽引式上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人。末端牽引式康復(fù)機(jī)器人只能保證上肢在輔助力的牽引下進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,不能準(zhǔn)確控制上肢所有關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng),且其設(shè)計(jì)中采用的機(jī)械臂以及整個(gè)控制組件的成本過高。外骨骼機(jī)器人是一種人機(jī)交互系統(tǒng),其關(guān)節(jié)和鏈接方式與人體的關(guān)節(jié)和鏈接方式相對(duì)應(yīng),隨著其在康復(fù)醫(yī)學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用,外骨骼為協(xié)助患者進(jìn)行日?；顒?dòng)提供了更多可能[7]。上肢外骨骼具有與人類上肢生物結(jié)構(gòu)類似的機(jī)械結(jié)構(gòu),可以通過改變連桿的長(zhǎng)度以適應(yīng)不同的骨架,并通過上肢與機(jī)械關(guān)節(jié)的匹配實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)扭矩的傳遞。外骨骼附著在手臂上有許多優(yōu)點(diǎn),相似的工作空間避免了奇點(diǎn),以及工作空間上驅(qū)動(dòng)力的一對(duì)一映射[8]。外骨骼機(jī)器人一般包含更多的傳感器,可以保證外骨骼在使用時(shí)的安全性,還能向患者和醫(yī)生提供更多信息,使醫(yī)生能夠更好地安排整個(gè)康復(fù)訓(xùn)練的進(jìn)展。Copaci等[9]設(shè)計(jì)了一種基于SMA 驅(qū)動(dòng)的2自由度肘關(guān)節(jié)康復(fù)外骨骼,該外骨骼將肘關(guān)節(jié)簡(jiǎn)化為機(jī)械球關(guān)節(jié),并使用了基于形狀記憶合金的生物啟發(fā)致動(dòng)器。翟宇毅等[10]針對(duì)一些外骨骼機(jī)器人體積大、舒適性差的問題,基于輕量化、人體工程學(xué)等原則,設(shè)計(jì)了一種3自由度柔性穿戴式機(jī)器人。劉志輝等[11]為了解決外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人自由度受限的問題,建立了上肢運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的簡(jiǎn)化模型,對(duì)比人體上肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理,提出了一種改進(jìn)的7自由度外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人。上肢康復(fù)機(jī)器人的主要功能是為患者提供康復(fù)訓(xùn)練,協(xié)助患者進(jìn)行日常的活動(dòng)。然而,對(duì)于末端牽引式康復(fù)訓(xùn)練裝置和外骨骼式康復(fù)訓(xùn)練裝置來(lái)說,其研究只集中在某一方面。實(shí)際上,對(duì)于上肢康復(fù)機(jī)器人來(lái)說,其設(shè)計(jì)必須考慮將康復(fù)訓(xùn)練與輔助功能相結(jié)合,使用較少的自由度實(shí)現(xiàn)盡可能大范圍的工作空間。

為滿足患者對(duì)康復(fù)訓(xùn)練以及生活輔助的需求,針對(duì)當(dāng)前低自由度上肢康復(fù)外骨骼康復(fù)訓(xùn)練空間有限的問題,本研究設(shè)計(jì)了一種非平面2自由度上肢康復(fù)外骨骼,用于肘關(guān)節(jié)的屈曲/伸展和肩關(guān)節(jié)的內(nèi)/外旋轉(zhuǎn)。其中肘關(guān)節(jié)采用柔性設(shè)計(jì),避免了康復(fù)過程中機(jī)械關(guān)節(jié)與手臂肘關(guān)節(jié)產(chǎn)生軸偏差使患者產(chǎn)生不適感。

1 上肢外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

人體上肢結(jié)構(gòu)如圖1所示。上肢的運(yùn)動(dòng)是極其復(fù)雜的,主要的兩個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)為肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)[12]。肩關(guān)節(jié)受到骨骼的約束比較少,主要靠肩部的肌肉群約束,因此肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)通常簡(jiǎn)化為3自由度:前屈/后伸、外展/內(nèi)收和旋內(nèi)/旋外。肘關(guān)節(jié)是一個(gè)鉸鏈關(guān)節(jié),其軸移運(yùn)動(dòng)具有復(fù)雜的軌跡,旋轉(zhuǎn)軸會(huì)產(chǎn)生輕微的位移,用于進(jìn)行屈/伸運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)范圍如表1所示。依據(jù)人體上肢結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),確定了上肢康復(fù)外骨骼的設(shè)計(jì)方案,以肩部的旋內(nèi)/旋外和肘部的屈曲/伸展為康復(fù)姿態(tài)。

圖1 人體上肢結(jié)構(gòu)

表1 手臂主要關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍

上肢康復(fù)外骨骼主要由底座、大臂托架、柔性連接件、過渡連接件和小臂托架組成,如圖2所示。在康復(fù)過程中,大臂和小臂放置在托架內(nèi),通過緊固帶和墊板進(jìn)行固定,托架的內(nèi)側(cè)設(shè)置有墊層,增加患者的舒適性。由于肩部的康復(fù)姿態(tài)為旋內(nèi)/旋外,整個(gè)大臂的大部分重量經(jīng)大臂托架和底座支撐抵消,康復(fù)動(dòng)作的執(zhí)行依靠底座上安裝的舵機(jī)帶動(dòng)。肘部的屈伸通過設(shè)置在大臂托架兩側(cè)的舵機(jī)帶動(dòng),增加運(yùn)行的穩(wěn)定性,可在安全角度內(nèi)往復(fù)循環(huán),滿足上肢康復(fù)的使用要求。

圖2 上肢康復(fù)外骨骼整體結(jié)構(gòu)圖

1.1 柔性肘關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

外骨骼的肘關(guān)節(jié)采用柔性連接件,其彈性結(jié)構(gòu)對(duì)稱分布,材質(zhì)為鋁合金,為了補(bǔ)償肘關(guān)節(jié)在屈伸過程中與外骨骼之間的軸偏差,其在平面內(nèi)具有3自由度,通過連接軸和軸承與過渡連接件連接,采取被動(dòng)調(diào)節(jié)的方式,結(jié)構(gòu)更加緊湊,柔性連接件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 柔性連接件結(jié)構(gòu)

通過有限元軟件校核柔性模塊,以驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)的性能,X 和Y 方向施加的力大小均為30 N[13],當(dāng)模塊在X 方向受到力時(shí),會(huì)產(chǎn)生位移和應(yīng)變,柔性模塊X 方向的位移量為2.319 8 mm,最大應(yīng)變值為0.002 617,如圖4所示;當(dāng)模塊在Y 方向受到力時(shí),柔性模塊Y 方向的位移量為2.317 4 mm,最大應(yīng)變值為0.002 617 1,如圖5所示。柔性模塊的X 方向和Y 方向的位移量均為2.3 mm,能夠在一定程度上被動(dòng)補(bǔ)償機(jī)械關(guān)節(jié)與手臂肘關(guān)節(jié)產(chǎn)生的軸偏差,X 方向和Y 方向的最大應(yīng)變值處于安全范圍內(nèi)。

圖4 X 方向的應(yīng)變和位移

圖5 Y 方向的應(yīng)變和位移

1.2 過渡連接件設(shè)計(jì)

根據(jù)小臂托架和柔性肘關(guān)節(jié)的接頭方式確定過渡連接件的結(jié)構(gòu)。過渡連接件的作用是連接小臂托架和柔性肘關(guān)節(jié),在設(shè)計(jì)中充分考慮到外骨骼的輕量化設(shè)計(jì),以及過渡連接件的制作成本,通過有限元軟件對(duì)比了過渡連接件在位移方面的分析結(jié)果,受力大小均為30 N,連接件位移分析云圖如圖6 所示。連接件的材料分別為ABS、鋼和鋁,三種材料均滿足強(qiáng)度要求。在這種情況下,ABS是一種很好的材料,其重量更輕且價(jià)格更經(jīng)濟(jì)。

圖6 連接件位移分析云圖

2 上肢外骨骼運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

為了進(jìn)一步說明非平面2自由度上肢康復(fù)外骨骼的安全性,采用D-H 分析法,對(duì)外骨骼進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。首先建立外骨骼的機(jī)構(gòu)D-H 坐標(biāo)系,具體如圖7所示,外骨骼D-H 參數(shù)如表2所示。

圖7 上肢康復(fù)外骨骼 坐標(biāo)

表2 上肢康復(fù)外骨骼D-H 參數(shù)

上肢康復(fù)外骨骼D-H 坐標(biāo)系中相鄰坐標(biāo)系第i桿相對(duì)于i-1桿的位姿矩陣為Ti:

式中,sθi=sinθi,sαi=sinαi,cαi=cosαi,cθi=cosθi。根據(jù)式(1)和表2所示參數(shù),可求得各連桿的變換矩陣:

則末端坐標(biāo)系與基坐標(biāo)系之間的變換矩陣02T如式(4)所示:

為了驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,在M ATLAB中,以θ1=90°、θ2=0°為初始值,得到外骨骼仿真結(jié)果,具體如圖8所示,驗(yàn)證了模型的正確性。

圖8 仿真結(jié)果

2.2 工作空間分析

通過工作空間分析能夠確定康復(fù)裝置的可達(dá)康復(fù)范圍,在實(shí)際任務(wù)的應(yīng)用中可以根據(jù)康復(fù)裝置的工作空間制定其康復(fù)軌跡。本研究選用蒙特卡羅法對(duì)工作空間進(jìn)行求解,根據(jù)非平面2自由度機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)和關(guān)節(jié)變化范圍,利用MATLAB機(jī)器人工具箱軟件完成其工作空間分析,取θ1、θ2的角度變化范圍為0°~90°內(nèi)的隨機(jī)值帶入,當(dāng)N=30 000次可得非平面2自由度機(jī)械臂的工作空間范圍,如圖9所示。由圖9可以看出,其工作空間為連續(xù)的四分之一球面,代表機(jī)械臂的活動(dòng)范圍滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 基于蒙特卡羅法的工作空間分析

3 康復(fù)機(jī)器人軌跡規(guī)劃仿真

患者的整個(gè)康復(fù)過程都需要外骨骼協(xié)助完成康復(fù)動(dòng)作,而康復(fù)動(dòng)作是外骨骼在可達(dá)工作空間內(nèi)通過一定軌跡制定。在MATLAB中可以進(jìn)行外骨骼的末端軌跡制定,并能顯示各個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度、角速度以及角加速度變化圖,這對(duì)分析外骨骼末端運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性以及外骨骼的使用安全性有很重要的參考意義。

根據(jù)所設(shè)計(jì)的2自由度外骨骼,設(shè)定其起始關(guān)節(jié)變量q0=[0,0]和終點(diǎn)關(guān)節(jié)變量通過MATLAB進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,當(dāng)外骨骼末端從初始點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到終止點(diǎn),外骨骼末端位置圖如圖10所示。各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)在外骨骼運(yùn)動(dòng)中的角位移、角速度和角加速度曲線如圖11所示。由圖11可以看出,兩個(gè)關(guān)節(jié)動(dòng)作完成時(shí)間均為5 s,第1關(guān)節(jié)即肘關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng),從初始位置運(yùn)動(dòng)到45°;第2關(guān)節(jié)即肩關(guān)節(jié)的內(nèi)外旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),從初始位置運(yùn)動(dòng)到30°。第1關(guān)節(jié)和第2關(guān)節(jié)動(dòng)作同時(shí)完成,肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的初始速度和終止速度均為0,初始點(diǎn)和終止點(diǎn)的加速度均為0,整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中曲線平滑連續(xù)無(wú)突變點(diǎn),且符合康復(fù)外骨骼運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和安全性要求。

圖10 外骨骼末端位置圖

圖11 角位移、角速度和角加速度曲線圖

4 結(jié)論

本文針對(duì)上肢康復(fù)患者對(duì)康復(fù)訓(xùn)練以及生活輔助的需求,設(shè)計(jì)了一種非平面2自由度上肢康復(fù)外骨骼裝置。針對(duì)肘部的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)了柔性連接件,對(duì)裝置的主要連接件進(jìn)行了有限元分析,驗(yàn)證了其使用強(qiáng)度,確保了裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。通過對(duì)上肢康復(fù)外骨骼裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及仿真,裝置的各個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)能夠在安全角度范圍內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng),驗(yàn)證了模型的合理性。由裝置的工作空間及軌跡規(guī)劃仿真結(jié)果可以看出,非平面2自由度上肢康復(fù)外骨骼裝置能夠以低自由度實(shí)現(xiàn)連續(xù)的四分之一球面訓(xùn)練空間,且運(yùn)動(dòng)過程平穩(wěn)。