六自由度上肢康復(fù)機器人機構(gòu)設(shè)計及軌跡規(guī)劃

編者按 在國家加快實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的大背景下，“醫(yī)工融合”“醫(yī)工轉(zhuǎn)化”已經(jīng)成為醫(yī)療行業(yè)的研究熱點。康復(fù)機器人是醫(yī)工融合的一個重要分支，其研究主要集中在康復(fù)機械手、智能輪椅、假肢和康復(fù)治療機器人等幾個方面，涉及康復(fù)醫(yī)學(xué)、機器人學(xué)、人工智能、生物力學(xué)、機械學(xué)、材料學(xué)、計算機科學(xué)等諸多學(xué)科。目前，康復(fù)機器人已被廣泛應(yīng)用于康復(fù)治療、假肢和康復(fù)護理等領(lǐng)域，它可以代替治療師為患者做長時間的、簡單的重復(fù)運動，且能夠保持相同的速度和力量，從而確?？祻?fù)訓(xùn)練的舒適性和穩(wěn)定性。

康復(fù)機器人主要適用于腦卒中、腦外傷、腦癱等引起的肢體癱瘓以及肌腱或韌帶斷裂、脊髓損傷等運動創(chuàng)傷的早期康復(fù)訓(xùn)練等。它作為一種新興的康復(fù)輔助技術(shù)，不僅可以幫助康復(fù)患者進行更好的康復(fù)訓(xùn)練和治療，還極大地提高了康復(fù)的效率和精度，從而使患者獲得更好的康復(fù)效果。未來的康復(fù)機器人將會朝著更加智能化、可穿戴化和遠程化方向發(fā)展，助力康復(fù)治療和醫(yī)療服務(wù)水平的不斷提升。本刊一直關(guān)注醫(yī)工融合在康復(fù)治療領(lǐng)域的新技術(shù)、新發(fā)展，本期從相關(guān)醫(yī)療機器人的研發(fā)設(shè)計、構(gòu)型特點、技術(shù)要點、分類和功能原理等方面入手，策劃了“醫(yī)工融合與康復(fù)機器人專欄”，以期為各位專家、同仁共同探討和促進醫(yī)工融合與康復(fù)機器人的發(fā)展提供一個交流平臺。

摘 要 本研究設(shè)計一款六自由度上肢康復(fù)機器人，機器人采用繩索驅(qū)動、串并聯(lián)相結(jié)合的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)形式，能夠牽引偏癱患者的上肢實現(xiàn)多個關(guān)節(jié)且活動范圍較大的康復(fù)運動訓(xùn)練。針對上肢康復(fù)機器人機構(gòu)適用性問題，基于運動學(xué)理論和D-H坐標(biāo)系法建立上肢康復(fù)機器人本體D-H參數(shù)模型，根據(jù)空間坐標(biāo)向量之間的平移、旋轉(zhuǎn)關(guān)系，對運動序列建模分析，求解正運動學(xué)，通過封閉解法求解逆運動學(xué)?；谶\動學(xué)分析結(jié)果，提出五次多項式函數(shù)關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃方法，對上肢提拉抬肘運動進行軌跡規(guī)劃仿真，驗證了康復(fù)運動過程中的運動能力。

關(guān)鍵詞 上肢康復(fù)機器人；運動學(xué)分析；軌跡規(guī)劃

中圖分類號 R615 R496 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-7721（2024）02-0115-06

Mechanism design and trajectory planning of a 6-DOF upper limb rehabilitation robot

ZHANG Bangcheng， LAN Xuteng， LIU Shuai， PANG Zaixiang

（School of Mechatronical Engineering， Changchun University of Technology， Changchun 130012， China）

Abstract A six-degree-of-freedom upper limb rehabilitation robot was designed in this study. The rope-driven robot was taken series-parallel circuit， which could pull the upper limbs of hemiplegic patients to achieve rehabilitation exercise training with multiple joints and a large range of motion. Aiming at the applicability of the upper limb rehabilitation robot mechanism， based on the kinematics theory， the Denavit-Hartenberg （DH） parameter model of the upper limb rehabilitation robot body was designed based on the DH coordinates. Then the motion sequence was modeled and analyzed to solve the forward kinematics by analyzing the relationship of translation and rotation between the space coordinate vectors， and the inverse kinematics was solved with the closed-form solution. Based on the results of kinematics analysis， a quintic polynomial function on joint space trajectory planning was proposed to simulate the trajectory planning of the upper limb lifting and elbow lifting， which could be used to verify the movement ability during the rehabilitation exercise.

Key words Upper Limb Rehabilitation Robot; Kinematic Analysis; Trajectory Planning

腦卒中是指由急性腦血管循環(huán)障礙所導(dǎo)致的持續(xù)性大腦神經(jīng)功能缺損、壞死，85%的腦卒中幸存者會留下不同程度的身體功能障礙[1]?？纱┐魇缴现夤趋揽祻?fù)機器人是基于仿生學(xué)理論，結(jié)合醫(yī)工交叉學(xué)科進行設(shè)計，服務(wù)于人體上肢運動功能康復(fù)訓(xùn)練的系統(tǒng)[2]?？纱┐魇缴现夤趋揽祻?fù)機器人能夠有效改善人體受傷組織，促進神經(jīng)系統(tǒng)的恢復(fù)，使患者在日常生活中的運動功能不受影響[3]。目前外骨骼式康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計方法是康復(fù)機器人研究的熱點問題之一。

眾多學(xué)者對上肢康復(fù)機器人展開了研究，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研制了外骨骼式上肢康復(fù)機器人 ARMin[4]，瑞士 Hocoma 公司研制了外骨骼式上肢康復(fù)機器人 T-WREX[5]。美國芝加哥大學(xué)研制了上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人ARM Guide，該系統(tǒng)能夠幫助患者完成直線往復(fù)式上肢康復(fù)訓(xùn)練任務(wù)[6]。一些學(xué)者對柔性驅(qū)動的機器人進行研究，如美國Perry J C等人研制了外骨骼式上肢康復(fù)機器人ADEN-7，該機器人系統(tǒng)具有7個自由度[7]。Mao Y等人[8-9]研發(fā)出輕型繩索驅(qū)動外骨骼康復(fù)訓(xùn)練機器人CAREX，這是第1個將多級電纜驅(qū)動并聯(lián)機構(gòu)用于外骨骼機器人設(shè)計中的機器人系統(tǒng)。瑞士研制生產(chǎn)了繩驅(qū)動外骨骼式康復(fù)機器人 Armeo Power，該機器人系統(tǒng)的關(guān)節(jié)之間均采用繩索進行驅(qū)動[10]。英國索爾福德大學(xué)研制開發(fā)了7自由度氣動肌肉驅(qū)動的上肢康復(fù)機器人[11]。美國亞利桑那州立大學(xué)研制了RUPERT多自由度上肢康復(fù)機器人，適用于95%以上的偏癱患者。美國華盛頓大學(xué)研制了氣動上肢康復(fù)機器人BONES，該機器人主要用于肘關(guān)節(jié)以及腕關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練[12-14]。

本研究針對現(xiàn)有機器人在康復(fù)過程中機器人結(jié)構(gòu)與人體上肢不匹配的問題，設(shè)計了繩索驅(qū)動串并聯(lián)相結(jié)合的6自由度可穿戴式上肢外骨骼康復(fù)機器人，并對該系統(tǒng)進行運動分析和軌跡規(guī)劃研究，驗證了其能夠滿足上肢康復(fù)訓(xùn)練要求。

1 上肢外骨骼康復(fù)機器人整體結(jié)構(gòu)

對于腦卒中引起的偏癱患者來說，通過康復(fù)機器人來實現(xiàn)人體上肢功能康復(fù)運動的方式有多種。但上肢康復(fù)機器人的設(shè)計在考慮實現(xiàn)方式的同時，還應(yīng)考慮機構(gòu)是否具有良好的人機交互能力，以及康復(fù)裝置與患者受損的肢體結(jié)構(gòu)、運動形式的契合性等問題。本研究綜合考慮了偏癱患者使用的安全性、對患肢的支撐性和大工作空間等因素，所設(shè)計的上肢康復(fù)機器人為外骨骼式串并聯(lián)相結(jié)合的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)能夠與人體緊密配合，牽引肢體共同完成協(xié)調(diào)運動。

為滿足偏癱患者的康復(fù)需要，本研究設(shè)計并開發(fā)的上肢康復(fù)機器人主要針對腦卒中患者的中期半主動康復(fù)訓(xùn)練和后期主動康復(fù)訓(xùn)練，結(jié)合人體上肢肌肉解剖學(xué)特性和相關(guān)參數(shù)，從上肢各骨骼和關(guān)節(jié)的運動特點出發(fā)，確定人手臂各關(guān)節(jié)的運動角度范圍，提出了一種以繩索傳動為主，“繩索+齒形帶”的廣義繩索驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計方法。該機構(gòu)采用繩索驅(qū)動和串并聯(lián)相結(jié)合的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)形式，機器人能夠牽引偏癱患者的上肢實現(xiàn)多個關(guān)節(jié)進行活動范圍較大的康復(fù)運動訓(xùn)練。通過上肢康復(fù)機器人對偏癱患肢進行運動康復(fù)來維持患肢的關(guān)節(jié)活動度、防止患肢肌肉萎縮、增強患肢肌力、促進患肢功能的恢復(fù)，為腦卒中造成的上肢偏癱患者提供一種有效的康復(fù)器材。

肩關(guān)節(jié)康復(fù)運動的康復(fù)機構(gòu)取決于人體肩關(guān)節(jié)運動和不同人員的體型特征。肩關(guān)節(jié)康復(fù)運動的外骨骼康復(fù)機構(gòu)固定在可升降式平臺，由3個主運動模塊和1個被動調(diào)節(jié)模塊組成。3個主運動模塊分別用來實現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的屈/伸、旋內(nèi)/旋外、外展/內(nèi)收運動，被動調(diào)節(jié)模塊可實現(xiàn)關(guān)節(jié)局部調(diào)節(jié)功能。肩關(guān)節(jié)的屈/伸、外展/內(nèi)收兩個自由度均采用電機+減速器的傳動形式進行裝置之間的驅(qū)動和連接。由于以大臂為軸進行旋內(nèi)/旋外時，需要將機器人與人體進行穿戴，不能采用電機進行直接驅(qū)動，所以本研究通過圓弧滑軌來實現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的旋內(nèi)/旋外運動。

肘關(guān)節(jié)運動機構(gòu)采用雙向纏線盤結(jié)構(gòu)，通過一個電機實現(xiàn)雙向的精準(zhǔn)驅(qū)動，避免了雙電機繞線機構(gòu)同步性差的問題。肘關(guān)節(jié)運動機構(gòu)的驅(qū)動部分安裝在基座上，電機的雙向驅(qū)動盤通過繩索將動力傳遞給肘部雙向纏線盤，從而完成肘部的屈/伸運動。肘關(guān)節(jié)運動機構(gòu)的驅(qū)動部分安裝在基座上，電機的雙向驅(qū)動盤通過繩索將動力傳遞給肘部雙向纏線盤，從而完成肘部的屈/伸運動?？紤]到肘部需承受較大扭矩，所以應(yīng)用兩個交叉滾子軸承以增加肘部結(jié)構(gòu)的承載能力和減小旋轉(zhuǎn)軸的徑向誤差。硅膠護墊的應(yīng)用符合人體手臂運動時肘部的運動要求，增加了穿戴舒適性與裝置美觀性。

腕部前后部分通過一個圓錐壓縮彈簧完成連接，圓錐壓縮彈簧用來模擬人的腕部活動關(guān)節(jié)，其周圍設(shè)有三組繩索機構(gòu)，每組繩索機構(gòu)相隔120°，用以模擬手腕肌肉，完成對腕部的驅(qū)動控制。每個繩索機構(gòu)均在基座配有一個動力源。

該機器人各關(guān)節(jié)機構(gòu)與人體上肢大臂、前臂、手腕部分緊密結(jié)合，利用機器人鉸鏈?zhǔn)叫D(zhuǎn)副、弧形齒條、塔簧等的自由度實現(xiàn)了對上肢多個關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練。機器人在矢狀面上能實現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的屈/伸0°～ 100°、外展/內(nèi)收0°～ 120°、旋內(nèi)/旋外0°～ 110°；肘關(guān)節(jié)的屈/伸0°～ 105°、旋內(nèi)/旋外0°～ 90°；腕關(guān)節(jié)的屈/伸0°～ 90°。關(guān)節(jié)運動分析角度范圍滿足上肢康復(fù)訓(xùn)練過程角度要求。上肢康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 康復(fù)機器人關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃

上肢康復(fù)機器人在康復(fù)訓(xùn)練過程中，需對所進行的康復(fù)訓(xùn)練任務(wù)設(shè)定相應(yīng)的康復(fù)運動軌跡。為更好地完成特定的康復(fù)任務(wù)，需對所設(shè)計的康復(fù)機器人運動軌跡進行規(guī)劃。上肢康復(fù)機器人需要在保證安全和康復(fù)效果的同時，規(guī)劃出符合人體上肢運動規(guī)律和康復(fù)醫(yī)學(xué)規(guī)律的機器人軌跡。

為了方便對偏癱患者的上肢各關(guān)節(jié)進行特定角度范圍的康復(fù)訓(xùn)練，減少計算量，確?？祻?fù)機器人位置準(zhǔn)確和運行平穩(wěn)，本研究選用五次多項式對上肢康復(fù)機器人進行關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃，保證所規(guī)劃的軌跡速度平滑、加速度連續(xù)。

在關(guān)節(jié)空間中，假設(shè)康復(fù)機器人某關(guān)節(jié)在約束起始時間t0時刻和終止時間tn時刻所對應(yīng)的關(guān)節(jié)角分別為θ0和θn，則可用平滑的五次多項式插值函數(shù)θt來描述起止點之間的運動軌跡，即：（2.1）

關(guān)節(jié)處的速度公式為（2.1）的一階導(dǎo)數(shù)，表示為：（2.2）

關(guān)節(jié)處的加速度公式為（2.1）的二階導(dǎo)數(shù)，表示為：（2.3）

其中，，將上述公式進行推導(dǎo)：（2.4）

假設(shè)起始時間與終止時間均為0，則可得出：（2.5）

關(guān)節(jié)空間中點到點的運動要求，

可求出式（2.5）中的各系數(shù)。并可推導(dǎo)得出關(guān)節(jié)角度位置、角速度和角加速度的函數(shù)式為：（2.6）

3 仿真實驗分析

上肢康復(fù)機器人在康復(fù)訓(xùn)練過程中，需對所進行的康復(fù)訓(xùn)練任務(wù)設(shè)定相應(yīng)的康復(fù)運動軌跡，為了能夠更好地完成特定的康復(fù)運動任務(wù)，尋找最優(yōu)的康復(fù)訓(xùn)練路徑，需要對所設(shè)計的康復(fù)機器人運動軌跡進行規(guī)劃。上肢康復(fù)機器人需要保證安全和康復(fù)效果的同時，規(guī)劃出符合人體上肢運動規(guī)律和康復(fù)醫(yī)學(xué)規(guī)律的機器人軌跡。為給定上肢康復(fù)機器人真實合理的訓(xùn)練軌跡（如圖2），本研究采用Qualisys三維動作捕捉系統(tǒng)對人體上肢的運動軌跡進行采集，分別在人體的肩部、大臂和小臂粘貼4個標(biāo)記點并將其定義為剛體，用以建立人體上肢的局部坐標(biāo)系；分別在肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)和手部粘貼1個標(biāo)記點，用以提取運動軌跡（如圖3）。受試者在20 s內(nèi)用右手連續(xù)摸腹部和背部3次，將三維動作捕捉系統(tǒng)采集到的各關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)導(dǎo)出至MATLAB軟件進行處理。

通過上肢康復(fù)機器人系統(tǒng)進行康復(fù)目的是維持偏癱患者患肢的關(guān)節(jié)活動度、防止患肢肌肉萎縮、增強患肢肌力、促進患肢功能恢復(fù)。因此，本研究以日常上肢中的提拉抬肘動作為例，對所設(shè)計的機器人進行關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃。首先，通過設(shè)定提拉抬肘時動作的起始位置，關(guān)節(jié)角度設(shè)定為p0=[-90°，45°，0°，-90°]，完成動作時機器人末端所對應(yīng)的關(guān)節(jié)角度設(shè)定為p1=[-90°，90°，0°，-30°]，利用所得到的五次多項式插值函數(shù)，在Matlab軟件中對提拉抬肘動作進行軌跡規(guī)劃，設(shè)置系統(tǒng)運行時間為10 s，采樣時間為0.1 s，在動作過程中通過繪制曲線圖得到各關(guān)節(jié)的角位移曲線（如圖4）、各關(guān)節(jié)角速度曲線（如圖5），以及各關(guān)節(jié)角加速度曲線（如圖6）。

圖4為上肢康復(fù)機器人各關(guān)節(jié)角位移曲線，該系統(tǒng)中關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)3角度不發(fā)生變化，關(guān)節(jié)2從45°運動到90°，關(guān)節(jié)4從-90°運動到-30°，對應(yīng)軌跡規(guī)劃的始末位置關(guān)節(jié)角度值，通過軌跡曲線可看出，各關(guān)節(jié)運動較為平穩(wěn)、光滑。

圖5為上肢康復(fù)機器人各關(guān)節(jié)角速度曲線，各關(guān)節(jié)的初始速度和終止速度均為0，角速度函數(shù)是連續(xù)的，機器人在運動過程中平穩(wěn)，無剛性沖擊。

圖6為上肢康復(fù)機器人各關(guān)節(jié)角加速度曲線，各關(guān)節(jié)的初始位置和終止位置加速度均為0，未發(fā)生柔性沖擊。在提拉抬肘動作的軌跡規(guī)劃中，機器人末端運行平穩(wěn)，速度與加速度連續(xù)，無剛性和柔性沖擊，滿足軌跡規(guī)劃要求，軌跡規(guī)劃合理，具有完成多個關(guān)節(jié)復(fù)合康復(fù)運動的能力。

4 結(jié)論

本研究針對現(xiàn)有機器人康復(fù)過程中機器人與人體上肢不匹配的問題，設(shè)計了繩索驅(qū)動串并聯(lián)相結(jié)合的6自由度可穿戴式上肢外骨骼康復(fù)機器人。基于運動學(xué)分析結(jié)果，提出五次多項式函數(shù)關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃方法，并采用MATLAB軟件對上肢抬肘的運動進行軌跡規(guī)劃仿真，驗證了康復(fù)運動過程中運動能力及設(shè)計的合理性。接下來的研究將逐步引入EMG等生理信號傳感器，實現(xiàn)對穿戴者運動的預(yù)測控制及柔性外骨骼的主動運動控制模式。

利益沖突聲明：本文不存在任何利益沖突。

作者貢獻聲明：①張邦成負(fù)責(zé)擬定寫作思路，指導(dǎo)撰寫文章并最后定稿；②蘭旭騰負(fù)責(zé)設(shè)計論文框架，起草論文；③劉帥負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集和分析，繪制圖表；④龐在祥負(fù)責(zé)論文修改。

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編輯：劉靜凱