康復(fù)機(jī)器人的振動(dòng)特性分析

朱德海

【摘? 要】康復(fù)機(jī)器人現(xiàn)在發(fā)展的還是比較成熟的，但大都是下肢的康復(fù)，比如輔助行走、膝關(guān)節(jié)的往復(fù)擺動(dòng)及髖部分的三自由度康復(fù)設(shè)備;但對(duì)于上肢，還是比較稀缺的。現(xiàn)在很多高校都有上肢部分的試驗(yàn)機(jī)，但總的來說，沒有臨床試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，并且，上肢結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能性shoulder gridle錯(cuò)綜連接，并且人的運(yùn)動(dòng)角度與支持骨結(jié)構(gòu)及肌肉連接比例復(fù)雜，所以，上面的康復(fù)設(shè)備（試驗(yàn)機(jī)）都沒有全部滿足上肢康復(fù)的要求。

【關(guān)鍵詞】康復(fù);試驗(yàn)機(jī);機(jī)器人;

Abstract：Rehabilitation robots are still relatively mature，but most of them are lower limb rehabilitation，such as assisted walking，reciprocating swing of knee joint and three-degree-of-freedom rehabilitation equipment of hip part.But upper limbs are scarce.Now a lot of colleges and universities have upper part of the machine，but on the whole，has no experience in clinical trials，and the upper extremity structure is complex，functional shoulder gridle intricate connection，and Angle of motion and support bone structure and muscle connection proportion is complex，so the above rehabilitation equipment（machine）are not all meet the requirements of upper limb rehabilitation.

Key words：rehabilitation，testing machine，robot;

1 設(shè)計(jì)背景

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們?cè)絹碓疥P(guān)注生活的質(zhì)量。人們向往自由，渴望“走出去”。但是，對(duì)于很多身患半癱的病人來說，在自己不能自理的情況下，還需要一個(gè)人專門就那些照料，就像關(guān)在牢籠里的鳥兒，失去了本該有的天空。很多脊椎受損的病人，由于得不到鍛煉，造成終身癱瘓，這樣一來，對(duì)后面陪護(hù)人員的要求又增加了挑戰(zhàn)。“用進(jìn)廢退”一詞在人類進(jìn)化史體現(xiàn)的淋漓盡致。

對(duì)肩部解剖學(xué)運(yùn)動(dòng)分析后，本人設(shè)計(jì)了一款專門針對(duì)上肢脊柱受損后可修復(fù)病人的一款康復(fù)機(jī)器人：采用五自由度的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，分別補(bǔ)償人肩部關(guān)節(jié)的三個(gè)自由運(yùn)動(dòng)及人肩部肌腱的兩個(gè)自由運(yùn)動(dòng)——采用人體外骨科可穿戴設(shè)計(jì)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如下圖所示，其中，J1固連機(jī)架，做上下運(yùn)動(dòng)，從而使整個(gè)機(jī)構(gòu)做上下運(yùn)動(dòng);最后的輸出關(guān)節(jié)為J5，付連于人肱骨位置，通過其余關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的連接實(shí)現(xiàn)肩部五個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。右圖是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖。

對(duì)于目前已經(jīng)完成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，由于運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，除了要考慮靜態(tài)時(shí)的連接特性外，還需要考慮在運(yùn)動(dòng)時(shí)，某一關(guān)節(jié)在在外加條件激勵(lì)（如J5運(yùn)動(dòng)時(shí)，肱骨的一個(gè)單自由度運(yùn)動(dòng)會(huì)給J5關(guān)節(jié)一個(gè)瞬時(shí)激勵(lì)）時(shí)整個(gè)機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)特性。這在設(shè)計(jì)時(shí)除了在保證強(qiáng)度、使用條件和最緊湊結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上也要考慮的地方。往往采用有限元分析就可以做到。

針對(duì)康復(fù)機(jī)器人在實(shí)際工作中會(huì)因受激勵(lì)振動(dòng)而影響工作性能，對(duì)康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行諧響應(yīng)分析，并根據(jù)分析情況對(duì)康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。此過程中運(yùn)用proe參數(shù)化建模，與Workbench 17.0協(xié)助，共同保證康復(fù)機(jī)器人的強(qiáng)度、剛度，確定固有頻率（當(dāng)然，一旦確定好質(zhì)量及材料，固有頻率就已經(jīng)確定了）。通過選取最佳優(yōu)化參數(shù)作為優(yōu)化方案，從而提高機(jī)械臂的整體工作性能。確保設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠承受住不同頻率的各種正弦載荷，避免共振發(fā)生。

2 康復(fù)機(jī)器人的模型建立

2.1 康復(fù)機(jī)器人關(guān)節(jié)臂的建模

運(yùn)用proe，對(duì)整個(gè)康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行三維建模，整個(gè)機(jī)構(gòu)如下圖所示：J1關(guān)節(jié)負(fù)責(zé)控制整個(gè)機(jī)構(gòu)做上下運(yùn)動(dòng)，與機(jī)架連接，為整個(gè)機(jī)構(gòu)的第一輸入關(guān)節(jié)，在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中，以垂直于屏幕的方向旋轉(zhuǎn)，通過齒條機(jī)構(gòu)換向做上下的運(yùn)動(dòng);J2連接J1與J3，采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，在單自由度運(yùn)動(dòng)的情況下，控制整個(gè)機(jī)構(gòu)做沿圓弧軌跡擺動(dòng)，圓弧的擺動(dòng)半徑為J3外殼中點(diǎn)至J2電機(jī)輸出軸所在軸線的垂直距離。對(duì)于J345關(guān)節(jié)，擬合與人體肩部的運(yùn)動(dòng)解剖狀態(tài)，其交點(diǎn)為肩關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心。最后的輸出是J5輸出臂與人上肢通過CUFF相連，以后所有的康復(fù)動(dòng)作都是通過此鏈接來實(shí)現(xiàn)。在本次模態(tài)分析中，主要分析前臂做外張和內(nèi)收動(dòng)作時(shí)，控制相關(guān)運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)的活動(dòng)情況及整個(gè)機(jī)構(gòu)相應(yīng)的模態(tài)分析

2.2 機(jī)械臂有限元的模型的建立

由于整個(gè)機(jī)構(gòu)是個(gè)復(fù)雜、多自由度機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)五自由度運(yùn)動(dòng)，但在實(shí)際中，可能為五自由度同時(shí)運(yùn)動(dòng)，本次分析康復(fù)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)及固有特性，所以，所取模型為上肢在外展時(shí)的姿態(tài)。在此基礎(chǔ)上做模態(tài)分析。

如靜力分析一樣，在有限元分析過程中為了節(jié)省計(jì)算量，需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，本次簡(jiǎn)化照片中，只對(duì)原螺釘進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化方式是采用銷軸代替，去掉螺母，以減少較小的面;把諧波減速簡(jiǎn)化為一個(gè)實(shí)體，并將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的較小的面去除掉，比如，導(dǎo)線截?cái)嗝娴牡娜コ⒅C波減速器、電機(jī)設(shè)置成不銹鋼，按照密度、體積計(jì)算，其質(zhì)量接近現(xiàn)實(shí)質(zhì)量。將簡(jiǎn)化后的機(jī)械臂模型導(dǎo)入workbench17.0中，設(shè)置材料屬性，機(jī)械臂的各臂體制作材料都選用高性能7075鋁合金，7075 鋁合金的彈性模量E為71.7 GPa，材料密度ρ為2810kg/m3，泊松比u為0.33.不銹鋼的彈性模量E為191GPa，密度ρ為7900kg/m3，泊松比u為0.3。

在細(xì)化網(wǎng)格時(shí)，將螺釘處，關(guān)節(jié)鏈接處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化及加密處理，細(xì)化處網(wǎng)格大小為3mm，普通網(wǎng)格為7mm，共劃分為734327個(gè)節(jié)點(diǎn)，413013個(gè)四面體單元，網(wǎng)格質(zhì)量0.668，質(zhì)量滿足本次分子目的。

3 機(jī)械臂的諧響應(yīng)分析

3.1 響應(yīng)分析理論

由于整個(gè)機(jī)構(gòu)是安裝在固定支架上，后續(xù)準(zhǔn)備采用椅子，用來在其上面進(jìn)行裝配。所以，整個(gè)機(jī)構(gòu)可以看做一個(gè)多自由度的系統(tǒng)，在原則上具有無限多個(gè)自由度。在末端及支架處加負(fù)載，滿足諧響應(yīng)通用方程：

上式中，[K]是設(shè)備的剛度矩陣，[M]是質(zhì)量矩陣，[C]是阻尼矩陣，{F}是機(jī)器在負(fù)載時(shí)所受到的激勵(lì)力矩陣;U以及U的一階及二階倒數(shù)，分別是速度矢量、加速度矢量及位移矢量。

在本次分析中，在負(fù)載定的情況下，負(fù)載隨著關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度，整個(gè)質(zhì)量矢量會(huì)發(fā)生變化，載荷做周期性的簡(jiǎn)諧變化，其頻率為末端執(zhí)行時(shí)，人的康復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，一人而定，一般，經(jīng)減速器后，最理想為50r/min，本次分析時(shí)，設(shè)為，那么負(fù)載的力矢量{F}和變形量（振幅）{x}滿足以下關(guān)系：

4 模態(tài)分析

4.1 相應(yīng)分析理論

由于整個(gè)康復(fù)機(jī)構(gòu)安裝在固定椅子上，可認(rèn)為該分析模型是一個(gè)完成的連續(xù)關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)體，所以，對(duì)此機(jī)構(gòu)增加固定支撐，用來模擬實(shí)際工況的模態(tài)。

5 結(jié)果

本次分析的是康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人的模態(tài)分析，從分析結(jié)果看各關(guān)節(jié)的能量主要集中在前幾階模態(tài)中，葉片的振型形式是上下擺動(dòng)為主，機(jī)構(gòu)最大變形在第二關(guān)節(jié)平四邊形處，機(jī)構(gòu)最小頻率為第一階固有頻率0.0063HZ，接近于0。本次設(shè)計(jì)的康復(fù)機(jī)構(gòu)，采用被動(dòng)式康復(fù)：患者根據(jù)機(jī)構(gòu)本身的運(yùn)動(dòng)康復(fù)頻率進(jìn)行從動(dòng)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)避免上述十階固有頻率;考慮到本文所選取的電機(jī)及減速器，應(yīng)著重避免前4階自然頻率。

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