新型四臂扶持式康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)

毛志賢，韋建軍*，王春寶，，4，孫正迪，王 同，劉銓權(quán) ，段麗紅，王玉龍，龍建軍

（1.廣西科技大學(xué)機(jī)械與交通工程學(xué)院，廣西柳州545006；2.深圳市老年醫(yī)學(xué)研究所，廣東深圳518035；3.深圳大學(xué)第一附屬醫(yī)院，廣東深圳518035；4.華南理工大學(xué)，廣東廣州510641）

0 引言

腦卒中是一種由腦血循環(huán)障礙引起的急性腦血管疾病.2010年“世界卒中日”的主題是“六分之一”，即全世界每6個(gè)人中就有1個(gè)人可能罹患腦卒中，每6秒鐘就有1人死于卒中，每6分鐘就有1人因卒中而致殘[1].為了緩解偏癱患者數(shù)量增多而治療師缺口嚴(yán)重的形勢(shì)，可輔助患者進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練恢復(fù)步態(tài)行走的康復(fù)機(jī)器人相繼問世，偏癱患者的生活質(zhì)量可在康復(fù)機(jī)器人的輔助下有所提高.目前較為普遍用于恢復(fù)步態(tài)行走的外骨骼機(jī)器人治療方式與治療師手法存在較大差異，使患者康復(fù)效果達(dá)不到最佳，如Lokomat機(jī)器人[2]通過電機(jī)帶動(dòng)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)下肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，但是該機(jī)器人體積大，患者穿戴復(fù)雜，無法全面反饋患者的運(yùn)動(dòng)信息；美國Delaware大學(xué)的下肢外骨骼步態(tài)矯形器[3]采用被動(dòng)式外骨骼，機(jī)器人無法實(shí)現(xiàn)步態(tài)的輔助調(diào)整；清華大學(xué)研發(fā)的步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人GRTS[4]采用外骨骼形式，穿戴復(fù)雜，限制了患者主觀能動(dòng)性發(fā)揮；哈爾濱工程大學(xué)開發(fā)的減重式步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人[5]存在功能單一或適應(yīng)性差的問題，缺乏康復(fù)訓(xùn)練評(píng)價(jià)系統(tǒng).針對(duì)外骨骼康復(fù)機(jī)器人穿戴不便、與治療師效果存在較大差異的缺點(diǎn)，參照仿生機(jī)器魚[6]可高效進(jìn)行海資源勘查的優(yōu)勢(shì)，從仿生角度出發(fā)，仿治療師手法創(chuàng)新設(shè)計(jì)四臂扶持式康復(fù)機(jī)器人，減小與治療師手法的差異，實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練效果的最佳化.

基于治療師康復(fù)手法分析，為減小治療師在康復(fù)訓(xùn)練中手臂的擺長，使患者在步態(tài)訓(xùn)練時(shí)保持姿態(tài)的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)具有四臂的扶持式康復(fù)機(jī)器人（如圖1所示）.該康復(fù)機(jī)器人由上雙臂和下雙臂組成，可模擬多名治療師對(duì)患者進(jìn)行步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練.上雙臂扶持嚴(yán)重肌無力患者的肩部，以恢復(fù)患者的正常體姿；下雙臂扶持患者的髖部，輔助步態(tài)訓(xùn)練.通過4只機(jī)械臂的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)來模擬治療師操作并快速適應(yīng)患者肩部和髖部的生理差異.

圖1 新型四臂扶持式康復(fù)機(jī)器人Fig.1 New four-arm assisted rehabilitation robot

1 四臂康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1.1 治療師康復(fù)操作建模

本文設(shè)計(jì)的康復(fù)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)治療師最大有效康復(fù)手法的量化，從而使患者在每一次訓(xùn)練時(shí)接受到最有效的治療手法.在分析治療師手法的同時(shí)，分析治療師手臂的生理結(jié)構(gòu)和患者的病理特征，建立治療師手臂模型，如圖2所示.

患者的步態(tài)訓(xùn)練主要由治療師雙臂來完成.常規(guī)訓(xùn)練中，患者的髖部在治療師雙手的扶持下，患者肌力不足的影響可以通過治療師手臂的力量和手臂的自由度來緩解，同時(shí)患者運(yùn)動(dòng)自由度缺失所造成的影響也可通過治療師手臂自由度得到緩解.另外對(duì)于早期偏癱患者，在進(jìn)行步行訓(xùn)練時(shí)，需要一名治療師扶持患者的肩部，以恢復(fù)患者的正常體姿，同時(shí)需要另一名治療師扶持患者的髖部，輔助步態(tài)訓(xùn)練.治療師的雙手能夠主導(dǎo)患者肩部和髖部運(yùn)動(dòng)的軌跡，通過腕部的靈活度來適應(yīng)患者在訓(xùn)練過程中自身姿態(tài)的差異，以滿足患者步行訓(xùn)練時(shí)肩部和髖部的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng).另外，治療師通過腿部的屈伸動(dòng)作來彌補(bǔ)患者的身高差異，基于以上手法分析建立了人體坐標(biāo)系，如圖3所示.

圖2 治療師手臂簡化模型Fig.2 Therapist arm simplified model

圖3 治療師康復(fù)操作手法建模Fig.3 Modeling therapist's rehabilitation operation

1.2 人體髖部運(yùn)動(dòng)空間分析

圖4 髖部運(yùn)動(dòng)測試Fig.4 Hip exercise test

為測量人體步態(tài)訓(xùn)練髖部運(yùn)動(dòng)空間，利用實(shí)驗(yàn)室已開發(fā)的WB姿態(tài)傳感器[7]測人體髖部運(yùn)動(dòng)角度，以1位25歲的健康者作為測試對(duì)象，測試場景如圖4所示，測試對(duì)象站立在y軸（冠狀軸）方向，面向x軸（矢狀軸）正向軸.測試過程中朝x軸正向軸步行，當(dāng)右腿向前邁出第一步時(shí)，右髖在xoy平面（水平面）的前進(jìn)角度記為j，yoz平面（冠狀面）的上升角度記為k.經(jīng)過多次步態(tài)測試并取各角度平均值計(jì)算結(jié)果如下：人體髖部前進(jìn)角度j的范圍為[-5°，5°]，上升角度k的范圍為[-3°，3°].測量人體左右髖之間的距離為330 cm，并將其簡化為連桿L.結(jié)合人體髖部運(yùn)動(dòng)角度和桿長L在matlab中繪制髖部的運(yùn)動(dòng)空間散點(diǎn)圖如圖5所示.由圖5（b）、圖5（c）可見，左髖和右髖運(yùn)動(dòng)空間都為半球面，分別從左髖右髖運(yùn)動(dòng)空間中截取平面圓如圖5（a）所示，表示人體左右髖部運(yùn)動(dòng)空間為球面，可直觀表示人體髖部運(yùn)動(dòng)空間范圍.

圖5 人體步態(tài)髖部運(yùn)動(dòng)空間Fig.5 Human gait hip movement space

1.3 四臂康復(fù)機(jī)器人建模

人體手臂有7個(gè)自由度，分別為肩部3個(gè)，肘部1個(gè)，腕部3個(gè).本文根據(jù)治療師操作手法特點(diǎn)，合理分配簡化機(jī)械臂的自由度以輔助患者進(jìn)行步態(tài)訓(xùn)練.在傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練過程中，治療師雙手夾緊患者的髖部進(jìn)行步態(tài)糾正訓(xùn)練，無外展內(nèi)收動(dòng)作，故機(jī)械臂肩部由3個(gè)自由度簡化為2個(gè)自由度，即前屈后伸和內(nèi)旋外旋2個(gè)自由度，機(jī)械臂大臂的回轉(zhuǎn)動(dòng)作簡化到肩關(guān)節(jié)的內(nèi)旋外旋動(dòng)作.因機(jī)械臂腕部扶持患者髖部，變動(dòng)距離小，腕部采用無動(dòng)力設(shè)計(jì)，根據(jù)這一特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的新型四臂扶持式康復(fù)機(jī)器人手臂有6個(gè)自由度，機(jī)械臂模型如圖6所示.3個(gè)主動(dòng)自由度和腕關(guān)節(jié)3個(gè)從動(dòng)自由度的結(jié)合是本機(jī)器人的特點(diǎn)，通過機(jī)械臂肩部位置的2個(gè)自由度和肘部位置的1個(gè)自由度使機(jī)械臂末端能夠達(dá)到上下、左右、前后移動(dòng)的目的.這3個(gè)自由度是本康復(fù)機(jī)器人的主動(dòng)自由度，當(dāng)患者相對(duì)于機(jī)械臂姿態(tài)變化所造成的自由度影響可以通過機(jī)械臂腕部的3個(gè)從動(dòng)自由度得到抵消，通過機(jī)器人下雙臂各關(guān)節(jié)的配合來實(shí)現(xiàn)患者的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練.腕部的靈活設(shè)計(jì)不僅控制了髖部運(yùn)動(dòng)的精確度，而且簡化了機(jī)構(gòu)，優(yōu)化了控制性能.基于以上治療師康復(fù)手法分析，建立四臂機(jī)器人模型如圖7所示.對(duì)比傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練，兩名治療師雙手集成機(jī)器人的上下雙臂，治療師腿部屈伸動(dòng)作集成機(jī)器人的升降機(jī)構(gòu).

圖6 機(jī)械臂模型圖Fig.6 Arm of robot model

圖7 四臂機(jī)器人模型Fig.7 Four-armed robot model

1.4 四臂康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的四臂康復(fù)機(jī)器人升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)于機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)空間很小，且主要通過絲杠來傳遞運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)較為簡單，故不再詳細(xì)介紹.機(jī)械臂是機(jī)器人當(dāng)中最重要的結(jié)構(gòu)，肩關(guān)節(jié)、回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖8所示.手臂在運(yùn)動(dòng)過程中，肩關(guān)節(jié)受的轉(zhuǎn)矩最大，肩部傳動(dòng)部分不僅包括了齒輪組1和內(nèi)齒輪組，同時(shí)包括了諧波減速器.回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)由電機(jī)及諧波減速器構(gòu)成，肘關(guān)節(jié)是四臂機(jī)器人輔助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)最直接的控制部位，通過肘關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)板與上臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接，該關(guān)節(jié)的傳動(dòng)是由一對(duì)錐齒輪、傳送帶和減速器三者來實(shí)現(xiàn).機(jī)械臂腕部機(jī)構(gòu)是四臂機(jī)器人輔助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)的抓取固定關(guān)節(jié)，通過前臂內(nèi)外側(cè)板與肘關(guān)節(jié)連接；從動(dòng)自由度設(shè)計(jì)是腕部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在機(jī)械臂肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的組合控制下，腕關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)組合控制運(yùn)動(dòng)，以此防止機(jī)構(gòu)被卡死，減少患者的二次傷害.因此，腕關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)不僅體現(xiàn)了高靈活性的特點(diǎn)，而且也體現(xiàn)了多自由度的特點(diǎn)，同時(shí)也體現(xiàn)了新型四臂扶持式康復(fù)機(jī)器人主動(dòng)自由度加從動(dòng)自由度的特點(diǎn).在已完成的設(shè)計(jì)模型基礎(chǔ)上，四臂機(jī)器人樣機(jī)如圖9所示.

圖8 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.8 Mechanical arm structure design

圖9 新型四臂扶持式機(jī)器人Fig.9 New four-arm supporting robot

圖10 機(jī)器人坐標(biāo)系Fig.10 Robot coordinate system

2 雙臂運(yùn)動(dòng)空間分析

下肢康復(fù)機(jī)器人通過控制患者髖部兩點(diǎn)位置來調(diào)整其在步態(tài)訓(xùn)練中的運(yùn)動(dòng)軌跡.為了驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，需要對(duì)機(jī)器人的工作空間進(jìn)行計(jì)算，保證患者步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練的順利進(jìn)行.結(jié)合本文設(shè)計(jì)的四臂機(jī)器人特征，機(jī)械臂腕關(guān)節(jié)處的位置即為患者髖部扶持點(diǎn)的位置.考慮到所研究機(jī)械臂為典型的串聯(lián)機(jī)構(gòu)，采用Denavit-Hartenberg（D-H）方法建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過計(jì)算運(yùn)動(dòng)學(xué)[8]正解進(jìn)一步分析機(jī)械臂的工作空間.首先將機(jī)械臂簡化為連桿并建立D-H坐標(biāo)系如圖10所示，基于已建立的坐標(biāo)系列出D-H參數(shù)如表1所示.以肩關(guān)節(jié)為基坐標(biāo)系，結(jié)合式（1）、式（2）計(jì)算腕關(guān)節(jié)相對(duì)肩關(guān)節(jié)的坐標(biāo)變換矩陣.結(jié)合機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的具體長度并代入式（1）、式（2）計(jì)算出運(yùn)動(dòng)學(xué)正解如式（3）所示.

表1 D-H參數(shù)Tab.1 D-H parameters

式（2）中：nx，ny，nz，ox，oy，oz，ax，ay，az——機(jī)械臂末端姿態(tài)坐標(biāo)，px，py，pz——機(jī)械臂末端位置坐標(biāo).

式（3）中：L0，L1，L2，L3，L4——各連桿長度.

基于已計(jì)算得到的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解，使用蒙特卡洛法并借助MATLAB軟件繪制機(jī)器人單臂及雙臂的計(jì)算空間如圖11所示.

在分析機(jī)器人機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)空間后，進(jìn)一步對(duì)機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析并計(jì)算出機(jī)械臂各關(guān)節(jié)變量的值，作為后續(xù)位置控制算法的基礎(chǔ)，結(jié)果如式（4）—式（6）.

圖11 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)空間Fig.11 Arm of robot working space

通過對(duì)比機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)空間與人體髖部運(yùn)動(dòng)空間可知：所設(shè)計(jì)的康復(fù)機(jī)器人雙臂的運(yùn)動(dòng)空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人體髖部運(yùn)動(dòng)空間.人體運(yùn)動(dòng)空間范圍以mm為單位，能到達(dá)左極限、右極限、上極限、下極限的范圍約為7 mm；設(shè)計(jì)的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)空間的極限位置以m為單位，極限位置都大于100 mm，滿足人體髖部步態(tài)運(yùn)動(dòng)空間，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性.

3 結(jié)論

1）以治療師為研究對(duì)象，首先分析了治療師手臂生理結(jié)構(gòu)并建立生理模型，以健康者為測量對(duì)象，使用WB姿態(tài)傳感器測量人體髖部運(yùn)動(dòng)范圍.

2）基于治療師康復(fù)訓(xùn)練手法，結(jié)合仿生學(xué)理論仿治療師建立康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型.

3）機(jī)器人采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，四肢機(jī)械臂均包含3個(gè)主動(dòng)自由度及3個(gè)被動(dòng)自由度，可以輔助患者開展單項(xiàng)訓(xùn)練及包含患者軀干在內(nèi)的整體性協(xié)調(diào)訓(xùn)練.建立機(jī)器人雙臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，計(jì)算運(yùn)動(dòng)學(xué)正解及逆解，并繪制機(jī)械臂的工作空間散點(diǎn)圖.測量結(jié)果表明：本文所提出的機(jī)器人滿足人體髖部運(yùn)動(dòng)空間需求，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為治療師手法再現(xiàn)模擬提供了基礎(chǔ).