重力自平衡上肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

摘要：【目的】在機(jī)器人中添加重力平衡機(jī)構(gòu)，可有效提升機(jī)器人的動(dòng)態(tài)性能。但現(xiàn)有上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人涉及末端牽引式平衡機(jī)構(gòu)的很少。針對(duì)該問題，在分析了上肢康復(fù)機(jī)器人懸臂工作過程中質(zhì)心變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種可自動(dòng)平衡重力的上肢康復(fù)機(jī)器人懸臂機(jī)構(gòu)?！痉椒ā吭摍C(jī)構(gòu)能夠通過確定零長(zhǎng)彈簧位置以及參數(shù)實(shí)現(xiàn)重力平衡，即只需1根彈簧便能滿足上肢康復(fù)機(jī)器人懸臂在拉伸以及旋轉(zhuǎn)工作狀態(tài)下的自平衡；理論上可完全消除由重力產(chǎn)生的關(guān)節(jié)負(fù)載，減小能量損耗，提升上肢康復(fù)機(jī)器人的工作范圍及系統(tǒng)性能；并且設(shè)計(jì)了康復(fù)機(jī)器人平衡模型并搭建樣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和設(shè)計(jì)方案的可行性?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明，與傳統(tǒng)牽引式康復(fù)懸臂相比，彈簧重力平衡方案的效果顯著，平衡所需力矩減小了92%，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小了85%。

關(guān)鍵詞：上肢康復(fù)；重力自平衡；零長(zhǎng)彈簧；質(zhì)心特性；數(shù)學(xué)模型

中圖分類號(hào)：TP242 DOI：10. 16578/j. issn. 1004. 2539. 2025. 01. 018

0 引言

我國(guó)是一個(gè)腦卒中高發(fā)國(guó)家，據(jù)全球疾病負(fù)擔(dān)（Global Burden of Disease， GBD）數(shù)據(jù)顯示，腦卒中是造成我國(guó)減壽年數(shù)的第一位病因[1]。有效的康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練能夠顯著改善神經(jīng)功能缺損情況，緩解由于老齡化帶來的腦卒中等疾病對(duì)老年人日常生活能力以及運(yùn)動(dòng)功能的影響[2]。傳統(tǒng)康復(fù)機(jī)器人通過機(jī)械結(jié)構(gòu)替代人工康復(fù)訓(xùn)練[3-4]，提高了訓(xùn)練的效率與訓(xùn)練效果?？祻?fù)機(jī)器人分為可穿戴式以及末端牽引式兩種。末端牽引式上肢康復(fù)機(jī)器人基于上肢末端生物力學(xué)特性，針對(duì)不同患者自適應(yīng)提供被動(dòng)、助動(dòng)、主動(dòng)、抗阻4種訓(xùn)練模式，可明顯改善腦卒中后上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙患者上肢運(yùn)動(dòng)功能，提高患者日常生活能力[5]，末端牽引式上肢康復(fù)機(jī)器人工作時(shí)，其自重及末端負(fù)載主要由關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)克服，但其自重負(fù)載一般較大，甚至超過末端負(fù)載幾倍[6]，這對(duì)關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力提出更高的要求，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生人機(jī)安全隱患。因此，在機(jī)器人本體中添加重力平衡機(jī)構(gòu)，可有效地減小關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，簡(jiǎn)化機(jī)器人控制策略，減少能量損耗，提升機(jī)器人的動(dòng)態(tài)性能。

康復(fù)機(jī)器人重力平衡分為主動(dòng)式和被動(dòng)式。被動(dòng)重力平衡是指機(jī)器人在其運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)無需關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)提供轉(zhuǎn)矩即可在任意位置保持平衡狀態(tài)[7]。與主動(dòng)重力平衡相比，被動(dòng)重力平衡控制簡(jiǎn)單、能量利用率高、動(dòng)態(tài)性能更高。串聯(lián)機(jī)器人被動(dòng)重力平衡方法主要包括配重法和彈簧機(jī)構(gòu)法[8]。配重會(huì)增加機(jī)器人質(zhì)量，增大機(jī)器人尺寸，運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的慣性，造成機(jī)器人動(dòng)態(tài)特性降低，不利于控制，所以，配重法適用范圍有限。相比于配重法，彈簧平衡方法對(duì)平衡更有利，因?yàn)閺椈稍ǔＹ|(zhì)量輕、附加慣性小、易于調(diào)整、成本低廉，逐漸成為串聯(lián)機(jī)器人重力平衡工具的重要發(fā)展方向[9-11]。純彈簧法中所用的彈簧可以分為兩類：定剛度彈簧、變剛度彈簧。可以通過改變彈簧固有參數(shù)，從而改變彈簧剛度；或設(shè)計(jì)不同變剛度彈簧，平衡變化的負(fù)載[12-13]。但是，變剛度彈簧具有應(yīng)用不靈活、加工成本高等特點(diǎn)，應(yīng)用并不廣泛。普通彈簧拉力與其伸長(zhǎng)量成正比，而零長(zhǎng)彈簧拉力與其長(zhǎng)度成正比，合理設(shè)置零長(zhǎng)彈簧位置，能夠提升康復(fù)機(jī)器人的平衡效果。