模塊化可穿戴外骨骼上肢機器人的結構設計與分析

□ 吳小輝 □ 薛 卉 □ 黃 蓉 □ 樂 珺 □ 胡 鑫 □ 喻洪流

1.上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

2.上海理工大學 康復工程與技術研究所 上海 200093

目前，各類腦血管病已成為危害我國公民身體健康和生命的主要疾病之一，約有75%的腦血管病人患有不同程度的上肢功能障礙。依靠康復醫師對患者進行傳統的一對一手工操作和主觀臨床經驗對康復狀況進行評估的方式，存在著醫生工作強度大、效率低、依賴醫師經驗、患者被動接受治療、參與治療主動性不足等問題，限制了康復水平的提高。此外，各種高強度重體力勞動也嚴重危害著人們的健康狀況?；谌藱C智能技術，結合康復技術、肌電信號處理技術與機器人技術的模塊化可穿戴外骨骼機器人，為優化腦血管病患者的康復治療方法、改善高強度重體力勞動狀況提供了一個很好的契機［1］。它不僅可以減輕醫生的工作強度，改善康復效果，還可以顯著改善重體力勞動者的健康狀況，降低工傷事故，在工業、農業、交通運輸、醫療、服務業等領域有著極為廣泛的應用前景。

1 方案設計

人機智能技術的本質是將人-機器系統看作一個整體，人與機器各自執行自己最擅長的工作,二者共同認知、共同感知、共同決策、共同工作，從而突破傳統的人工智能系統的概念,形成達到甚至超過人的能力乃至智力的“超智能系統”［2］?；诖?，在人體上肢生理特征的基礎上，通過對比幾種典型的上肢康復訓練機器人系統機構模型，進行了模塊化可穿戴外骨骼上肢機器人的結構設計。

1.1 人體上肢生理特征

▲圖1 人體上肢生理特征圖

圖1 所示為人體上肢生理特征，肩關節由肱骨頭和肩胛骨等構成，通過三角肌、胸大肌等肌肉的收縮/舒張，實現上臂的屈/伸、內收/外展、旋內/旋外運動。肘關節由肱尺關節、肱撓關節和撓尺近側關節構成，通過肱二頭肌、肱三頭肌等肌肉的收縮/舒張，實現前臂的屈伸以及旋前/旋后運動。人體上肢各關節運動范圍見表1。

表1 手臂主要活動關節運動范圍

▲圖2 3種常見的上肢康復訓練機器人系統機構模型圖

1.2 構型選擇

人體外骨骼是一種可以讓人穿戴的人機一體化機械裝置，能夠提供對人體柔軟內部器官進行構型、建筑和保護的外部結構［3］，在醫學上，用來幫助傷殘人士進行功能替代或康復，是現在研究的熱點。圖2所示的是3種常見的上肢康復訓練機器人系統機構模型［4］。

圖2（a）是末端執行式康復機器人的機構模型，通過機器人的操作末端牽引人體上肢進行運動，雖然操作末端的運動域完全涵蓋上肢的運動范圍，但機器人的關節與人體關節無直接關系。該類系統一般通過牽引手或腕部來完成上肢的運動，安裝使用方便，但使用時上肢各關節位姿通常是不確定的，牽引力無法精確地施加于上肢各關節，牽引過度時容易對上肢造成傷害［4］。 這類機器人中較典型的有 MIT-MANUS、MIME 和iPAM。

圖2（b）是支架外骨骼式康復機器人機構模型，其部分機械結構可固定在人體上肢上，與肢體進行耦合運動，機器人在人體后部固定于支架上。該類系統對上肢的手、前臂、上臂等各部位進行支撐和牽引，牽引力精確地施加于上肢的各關節，使用時上肢各關節的位姿狀態是確定的。然而，患者使用這種機器人必須在固定的支架上或者椅子附近進行康復訓練，限制了患者的運動范圍，不能輔助患者進行日常生活訓練，這類機器人中較典型的有ARMin、CADEN-7 和 ArmeoSpring等，哈爾濱工業大學機器人研究所的5DOF穿戴式上肢康復機器人也屬于這一類型的機器人。

圖2（c）是穿戴外骨骼式康復機器人機構模型，如 HAL-5、Arm Robot，機器人本體機構穿戴在人體上，并通過其它肢體模塊將加載在人體的機器人質量轉移至地面，這樣不僅保證了機器人的運動域涵蓋人體上肢的運動范圍，而且機器人關節通過仿生人體關節來設計。這種機器人不限制患者的運動范圍，能夠輔助患者進行日常生活訓練，是目前最理想的康復訓練與助力設備。

通過對比三種典型的上肢康復訓練機器人可知，穿戴外骨骼式康復機器人相對于其它兩種機器人具有明顯的優勢，目前日本筑波大學山海嘉之和三階吉行教授研制的穿戴外骨骼式半機器人套裝HAL-5已經實現商業化應用，然而高昂的成本限制了其應用范圍。為便于該技術的推廣使用，需要采取技術手段在實現功能的前提下降低其成本。

2 結構設計

肩-肘關節是人體上肢主要運動關節，主要有肩關節的屈/伸、內收/外展、旋內/旋外、肘關節的屈伸以及旋前/旋后，共7個自由度。其中，肩關節的屈/伸、內收/外展、肘關節的屈伸是主要的運動自由度，基于此設計了圖3所示的模塊化可穿戴外骨骼機器人。

該機器人由背部模塊、肩關節模塊和肘關節模塊三部分構成，肩關節模塊通過柔索傳動的形式實現關節的屈/伸、內收/外展運動，內側用來固定肌電信號傳感器；肘關節模塊通過柔索傳動的形式實現屈伸運動；背部模塊可固定電機、減速器、驅動器、電池以及通信控制模塊等，肩-肘關節之間用一個可調長度的機構相互連接，以適應各種上臂長度不同的人。

▲圖3 模塊化可穿戴外骨骼上肢機器人三維模型圖

▲圖4 肩關節模塊三維模型圖

▲圖5 肘關節模塊三維模型圖

▲圖6 外骨骼機器人在人體工程學模型上的驗證

▲圖7 外骨骼上肢機器人坐標系定義

圖4 所示為肩關節模塊傳動機構，由電機驅動的傳動輪1來調節1號和2號柔索的伸出長度，進而帶動肩關節作水平面內的轉動，當1號柔索縮短、2號柔索伸長時，肩關節逆時針轉動，對應水平面的內收動作；反之則順時針轉動，對應水平面的外展動作。同理，通過電機驅動的矢轉盤來調節3號和4號柔索的伸出長度，進而帶動上臂板作矢狀面內的轉動，當3號柔索縮短、4號柔索伸長時，傳動臂逆時針轉動，對應矢狀面的屈；反之則順時針轉動，對應矢狀面的伸。通過水平面運動和矢狀面運動的復合，可以完成冠狀面的內收/外展動作。

圖5所示為肘關節模塊傳動機構，由電機驅動的傳動輪2來調節5號和6號柔索的伸出長度，進而帶動前臂托作水平面內的轉動，當5號柔索縮短、6號柔索伸長時，前臂板逆時針轉動，對應肘關節的屈；反之則順時針轉動，對應肘關節的伸。

外骨骼應能充分適應人體上肢的運動，在設計過程中，需要充分貫徹“擬人化”的設計原則［5］。為此將機器人在人體工程學模型上進行了驗證，如圖6所示，穿戴上機器人的標準人體模型的各部分肢體能夠順滑地隨著外骨骼一起進行耦合運動，肩、肘關節兩端的機構長度可調整，以此適應手臂長度不同的人。

3 運動學分析

機器人運動學分析包括運動學正解和運動學反解。運動學正解是在機器人各自由度運動已知的情況下，求機器人末端的位姿；而運動學反解則恰好相反，是在機器人末端位姿已知的情況下，求各自由度運動情況［6］。

外骨骼上肢機器人可簡化為一個由定位板、肩拐板、上臂板、前臂板4個桿件組成的空間四連桿機構，3個轉動副對應于機器人的3個自由度。人體上臂、前臂分別捆綁在機器人的上臂板、前臂板上，隨著上臂板、前臂板進行耦合運動。

如圖7所示，基于D-H（Denavit-Hartenberg）法建立了機器人運動的連桿坐標系，該坐標系確定了各連桿間的相對運動和位姿關系。坐標系O0-X0Y0Z0為全局坐標系，O4代表了機器人末端的運動。

表2是外骨骼上肢機器人各連桿的D-H參數，其中，桿長和扭角是固定不變的，用于描述連桿本身，偏置和轉角描述相鄰連桿的連接關系，偏置是固定的，轉角θi是關節變量。由于運動范圍比較小，假設肩關節和肘關節的轉動中心點位置不變。

表2 外骨骼上肢機器人D-H參數表

表中,L1和L2分別為肩關節的轉動中心到定位板和肩拐板的距離，LU和LF分別為機器人上臂板和前臂板的關節長度。相鄰連桿間的相對位姿關系為：

通過矩陣乘法建立機器人末端相對于全局坐標系的位姿，可以得到多連桿之間的變換，即機器人運動學的正解方程，即：

綜合式（1）、式（2），可得：

n、o、a描述了機器人末端相對于全局坐標系的姿態，與3個關節變量有關，p描述了機器人末端在全局坐標系中的位置，與3個關節變量和機器人外形尺寸參數有關。

運動學的反解是根據機器人末端相對于全局坐標系的位姿來求解關節變量的值。此時n、o、a、p都是已知的，可結合式（3）和式（4）得出各關節變量。

根據 nx與 ny、px與 pz、nz與 oz的關系可分別求出θ1、θ2、θ3的值，式（5）～式（7）即為機器人的運動學反解方程。

4 機器人的運動域

如圖8所示，筆者所設計的外骨骼上肢康復訓練機器人可簡化為空間連桿機構，機器人背部模塊背負在患者背上，在上臂桿、前臂桿處分別與患者的上臂和前臂綁縛在一起，帶動患肢進行耦合運動。機器人的運動域是人體上肢的運動域的真子集，從而可在不超出人體上肢運動范圍的情況下，帶動患肢運動到運動域空間中的任一位置，同時保證患者肢體的安全。

▲圖8 患者患肢和機械臂的運動域

該外骨骼上肢康復訓練機器人訓練的主要是患者上肢的肩關節和肘關節，主要訓練動作為：矢狀面內抬臂、曲肘，水平面內旋、外旋，冠狀面外展、內收，以及由這些基本動作所組合的其它動作，同時可使患者在機器人的輔助下完成進食、喝水、開門、取物等動作，逐步恢復生活自理能力。

肩關節可進行水平面、矢狀面、冠狀面內的訓練，上臂的最大活動范圍為：矢狀面的0～90°屈曲/伸展，水平面的 0～90°內旋/外旋， 冠狀面的 0～90°外展/內收。肘關節主要以屈、伸運動訓練為主，前臂的最大活動范圍為與上臂的夾角從 0～120°。

5 前景展望

在健康領域，外骨骼機器人不僅僅是向患者提供機械肢體，還需要通過合理的控制方法和康復模式，輔助患者進行康復訓練與康復運動［7］。對比傳統的人工輔助康復訓練方式，新型外骨骼機器人可以將治療師從繁重的體力和精神負擔中解脫出來，滿足殘障者對生活輔助的時間和強度的要求，同時記錄的數據可為評價康復效果、實時調整康復方案及康復工程的深入研究提供客觀依據。通過成熟產品的推廣應用，最終將使廣大患者受益，進而改善人們的健康狀況與生活品質。

［1］ 王東巖,李慶玲,杜志江,等.5DOF穿戴式上肢康復機器人控制方法研究 ［J］.哈爾濱工業大學學報，2007,37（9）：1383-1387.

［2］ 楊燦軍,陳鷹,路甬祥.人機一體化智能系統理論及應用研究探索［J］.機械工程學報，2000,36（6）：42-47.

［3］ 李慶玲,孫立寧,杜志江.上肢康復機器人發展現狀的分析與研究［J］.機械設計，2008,25（9）:1-3.

［4］ André Schiele.Fundamentals of Ergonomic Exoskeleton Robots［D］.Delft：Technische Universiteit Delft,2008.

［5］ A Gupta ， M K O’Malley.Design of a Haptic Arm Exoskeleton for Training and Rehabilitation［J］.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2006,11（3）:280–289.

［6］ 呂廣明,孫立寧,彭龍剛.康復機器人技術發展現狀及關鍵技術分析 ［J］.哈爾濱工業大學學報，2004，36（9）:1224-1231.

［7］ Haiwei Dong,Izaskun Ugalde， Nadia Fiqueroa，et al.Towards Whole Body Fatigue Assessment of Human Movement:A Fatigue-Tracking System BasedonCombinedsEMG andAccelerometer Signals ［J］ .Sensors ，2014,14（2）:2052-2070.