上肢康復機器人的設計研究

□蔚國飛 董小康 費秋仙

偏癱病人需要進行大量的康復訓練才能恢復肢體的功能。另外，因為受傷或者隨年齡的增長，人的上肢的能力也有所下降，同樣需要進行一定的康復訓練和鍛煉保健。目前，由于醫院醫務人員有限且康復器材單一，無法滿足需要康復或鍛煉人群的需求。隨著社會的迅速發展，機器人已悄然進入人們的生活中，設計一種上肢康復機器人可以有效恢復偏癱病人的上肢機能，緩解病痛，同時滿足人們的鍛煉保健功能，具有重要的意義。

一、上肢康復機器人的結構設計

根據人們康復訓練的需要，設計的上肢康復機器人主要具有肩部的前后擺動、肩部的水平內收和外展、手臂的外展和內收、肘關節的上下擺動和聳肩動作還有腕部的旋轉和左右擺動等功能。

(一)手部機構。手部如圖1，通過步進電機驅動實現腕部的擺動，如圖2 所示，腕部的旋轉如圖3，主要靠使用者自己的意愿隨意轉動。設計的腕部設有環形限定位置，采用環形軌道內嵌式結構，使用者可以隨自己意愿旋轉手腕。

(二)大臂和肩部機構。大臂要實現手臂外展和內收如圖4，肩部水平內收和外展如圖5，通過步進電機驅動肩部的前后擺動如圖6。大臂通過設置的調節孔來有級調節小臂長度，調后以螺栓固定，并采用雙柱的方式限制X 軸的轉動、Y 軸的移動和轉動以及Z 軸的移動和轉動，該機構具有5 個自由度。

圖1 手部整體建模

圖2 腕部擺動

圖3 腕部旋轉

圖4 手臂外展和內收圖

圖5 肩部水平內收和外展

圖6 肩部的前后擺動

二、上肢康復機器人的三維建模及干涉檢驗

(一)機器人的三維建模。結合人體工程學原理和人體結構，大臂尺寸范圍定為250 ～350mm，小臂尺寸范圍定為220 ～270mm，可根據需要有級調節。觀察人體的上肢和進行一系列的實驗及測量，再根據傳動部分的設計計算結果，應用三維軟件UG 對上肢康復機器人進行建模，如圖7。

圖7

(二)機器人的干涉檢驗。為了檢驗所設計的機器人尺寸是否有合理，檢驗各構件是否能夠按照預期的設想運動正常工作，且相互之間不發生干涉，對于建立的樣機三維模型，進行干涉檢查。結果如圖8 所示。干涉檢查主要是針對支架、連桿等傳動部分以外的構件。檢驗結果顯示所建模型有部分硬干涉，根據干涉檢查后導出的報告，對硬干涉部分進行裝配及零件形狀及尺寸的調整，修改后的模型消除了硬干涉。

圖8 干涉結果

圖9 小臂連桿最大變形

三、有限元分析

對應用三維軟件UG 建立的零件模型，進行網格劃分，并設置材料特性，約束條件，施加載荷，對主要零件模型進行有限元分析。小臂連桿的最大變形為2.321e-003mm，如圖9;大臂連桿的最大變形為0.0306mm，如圖10;軸套的最大變形為3.258e-006mm，如圖11，均滿足變形的剛性要求。

圖10 大臂連桿的最大變形

圖11 軸套的最大變形

四、上肢康復機器人的控制

采用單片機技術對上肢康復機器人進行控制系統設計，如圖12 所示。使用者通過PC 機輸入信息，由單片機將信號輸入驅動器再由驅動器驅動步進電機工作，從而使康復機器人運動。機器人的運動軸有角速度傳感器，關節處有力傳感器，控制系統通過傳感器返回的信息可以實時檢測、控制各運動構件的運動狀態。

圖12 控制原理圖

［1］李慶玲，孔民秀.5 -DOF 上肢康復機械臂交互式康復訓練控制策略［J］.機械工程學報，2008