人體肘關(guān)節(jié)及腕關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的性能分析

山西中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 申登高 梅瑛 李瑞琴 李小龍

1 引言

單獨(dú)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練，但是對(duì)于人體上肢各個(gè)關(guān)節(jié)都受損的患者而言，如果需要多次移動(dòng)患肢分別對(duì)不同關(guān)節(jié)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，無疑增添了麻煩；并且多次移動(dòng)患肢加大了患肢損傷的風(fēng)險(xiǎn)，有可能會(huì)使即將痊愈的患肢在移動(dòng)中受到損傷；再者更換關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置給患者形成了一定的心理壓力，導(dǎo)致患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的積極性降低，增加了患者患肢實(shí)現(xiàn)康復(fù)的難度。如果將3-RRS機(jī)構(gòu)與曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)亟M合，可以有效地進(jìn)行肘關(guān)節(jié)及腕關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練，并且減少了患者的痛苦，方便使用[3]。

2 肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的構(gòu)型

本文采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練，并將其置于3-RRS康復(fù)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)上，該人體上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)可采用UG軟件建立三維模型如圖2.1所示。

圖2 .1 人體上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的三維模型

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

根據(jù)肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人機(jī)構(gòu)的模型，為實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練，有必要對(duì)該機(jī)構(gòu)連桿上的手柄位置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。已知曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的桿件參數(shù)如圖3.1所示，設(shè)連桿上手柄距離連桿與搖桿形成的轉(zhuǎn)動(dòng)副的距離為e，在圖3.1中（參照3.2實(shí)體圖），以E點(diǎn)標(biāo)示連桿上手柄所在位置，且EC的長(zhǎng)度為e，輸入的曲柄轉(zhuǎn)速為ω。根據(jù)前文的分析，搖桿能夠?qū)崿F(xiàn)肘關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練，則求C點(diǎn)能否實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練，就有必要對(duì)E點(diǎn)相對(duì)于C點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析[4]。

圖3 .1 含手柄標(biāo)示點(diǎn)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)圖

E點(diǎn)相對(duì)于C點(diǎn)的相對(duì)速度分析：根據(jù)B、C點(diǎn)的絕對(duì)速度可得E點(diǎn)相對(duì)于C點(diǎn) 的 相 對(duì) 速 度 為：

其中：

圖3 .2 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)體圖

4 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真與驗(yàn)證

為說明曲柄搖桿機(jī)構(gòu)用于肘關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，搖桿轉(zhuǎn)速與輸入轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，此處以ω=10r/min采用Matlab進(jìn)行仿真研究[5-6]，運(yùn)動(dòng)仿真的速度和加速度幅值曲線圖如圖4.1所示，時(shí)間均設(shè)置為2s。

圖4 .1ω=10r/min 時(shí)搖桿運(yùn)動(dòng)的幅值曲線

由圖4.1可知，搖桿與連桿轉(zhuǎn)動(dòng)副處的速度曲線和加速度曲線基本是平滑的過渡，沒有突變。當(dāng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)用于人體上肢肘關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，可根據(jù)患者的損傷程度調(diào)節(jié)曲柄的輸入轉(zhuǎn)速。為說明曲柄搖桿機(jī)構(gòu)用于腕關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練時(shí)連桿上手柄的運(yùn)動(dòng)與輸入轉(zhuǎn)速的關(guān)系，則采用曲柄以ω=10r/min進(jìn)行仿真研究。運(yùn)動(dòng)仿真的幅值曲線圖如圖4.2所示。

對(duì)比圖4.1和圖4.2，可以發(fā)現(xiàn)在曲柄同一輸入轉(zhuǎn)速下輸出曲線的共同之處：除了曲線沒有突變，過渡相對(duì)平緩?fù)猓俣群图铀俣惹€類似，說明該手柄與腕關(guān)節(jié)處的運(yùn)動(dòng)沒有強(qiáng)大的沖擊，因此手柄的存在對(duì)于實(shí)現(xiàn)人體上肢腕關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練具有重要的實(shí)踐意義[7]。

5 結(jié)論

（1）利用UG軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真建立三維模型與理論計(jì)算的結(jié)果相一致，證明理論推導(dǎo)的正確性。

（2）在理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步通過Matlab進(jìn)行分析得到速度幅值、加速度幅值曲線圖，軌跡平滑，證明機(jī)構(gòu)的可行性，以及運(yùn)動(dòng)沒有較大的沖擊，因此對(duì)于實(shí)現(xiàn)人體肘關(guān)節(jié)及腕關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練具有重要的實(shí)踐意義[8]。

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