肩部康復外骨骼擬人化機構設計與研究

朱德海，張繼國，王 昊，李 坤*，徐 楠

（1.山東建筑大學 機電工程學院，濟南 250101；2.山東建筑大學 信息與電氣工程學院，濟南 250101）

0 引言

近年來，受高血壓、糖尿病、血脂異常、吸煙、酒精攝入、腹型肥胖等因素影響，中國腦卒中患者呈現快速增長狀態，極大影響了人類的健康生活。據全球疾病負擔出具的數據指出，截止到2016年，我國第一壽命年損失（YLL -Years of Life Lost）病因是腦卒中[1]。其發病率為每10萬人中有401.1人發病，且從2005年至2016年，缺血性腦卒中患者從每10萬人中170人增至270人[2]。2007～2008年患者在3個月、半年、1年的復發率分別為1.9%、13.4%、14.7%[3]；而2008～2009年康復后的腦卒中患者在1年后的復發率達到了17.1%[4]；在高發病率、患病率及復發率的背景下致殘率達到了88%[5]。

伴隨著腦卒中患者的增加，傳統的物理治療方式已經不能滿足病人的需要。傳統物理治療主要由康復醫生對患者一對一治療，時間短、費用高、頻次低、康復周期長。而肩部康復機器人具有頻次高、大時長且無需占用康復醫生的特點，可代替傳統物理治療。

國內外對肩部外骨骼康復機器人的研究日趨完善，控制方式趨于多樣性。ARMin系列[6]是第一個實現商業化的康復機器人，能驅動肩部4個自由度（也叫主動控制），但機器人旋轉中心做豎直運動，缺失水平方向位移補償，導致肩部前伸/后縮屬于主動運動下肌肉連帶運動（也叫被動康復）；馬里蘭大學的MGA機器人[7]能主動控制肩部的3個自由度，考慮了肩胛骨運動對肩部運動的影響，但用機器人肩部旋轉中心為圓弧軌跡來替代正常人因肩胛骨內旋、外旋導致的肩部瞬時旋轉中心非圓弧軌跡，即瞬時旋轉中心人機不重合，存在拉扯感。還有許多類似康復設備，此處不再贅述。

僅從機構設計而言，目前康復機器人都存在肩部自由度主動控制數不足及任意位置的瞬時肩部旋轉中心與康復機器人的旋轉中心不重合，出現肢體拉扯感而產生不舒適、運動不協調。

針對上述存在的問題，本文利用肩部解剖學結構確定肩部運動自由度；以肩峰為研究對象，確定肩部運動特性；采用二自由度肩胛帶機構用以實現肩部上升/下降、前伸/后縮運動，采用三自由度球鉸機構實現肩肱關節屈曲/伸展、外展/內收、內旋/外選運動；最后通過完整機械系統進行運動學仿真，確定關節運動空間。

1 肩部解剖學結構與運動特性

針對目前肩部康復機器人在主動康復自由度數不足及人機瞬時旋轉中心不吻合問題，可通過分析肩部解剖學結構對復雜的肩部運動進行劃分，識別出肩部運動在人體基準面內的運動類型及運動學特性。

1.1 肩部解剖學結構

如圖1所示，肩部復合體是由鎖骨、胸骨、肩胛骨及肱骨組成，兩兩形成關節實現肩肱節律行為，如上肢外展180度時，肱骨實際轉動120度，肩胛骨內旋運動60度。

圖1 人體肩關節復合體結構[8]

從矢狀面、橫截面、冠狀面出發，如圖2所示對運動形式進行分類：以平行于橫截面為一類，平行于矢狀面為一類，以沿冠狀面為一類共分為五個自由度。

HSP60是一種主要存在于線粒體的伴侶蛋白，可抑制細胞凋亡，可通過促進免疫炎癥、促進動脈粥樣硬化形成參與糖尿病發生[15]，并與缺氧誘導因子2α存在蛋白相互作用[16]。本研究顯示HSP60在不同血糖狀態的結直腸癌樣本中的表達無差異，其mRNA表達量隨結直腸癌患者年齡增大而增高，可能與其參與多種慢性疾病的病理過程有關。

圖2 人體解剖基準面

分別為肩部的上升/下降、前伸/后縮；外展/內收、內旋/外旋及屈曲/伸展運動，如圖3所示。

圖3 肩部五自由度運動示意圖

為研究實際肩部復合體各關節對肩部運動的綜合影響，以肩部復合體的局部尖點肩峰為研究對象，肩峰的運動軌跡就是整個肩部復合體綜合運動的體現。把肩部復合體節律行為轉變為肩峰的軌跡問題，通過控制肩峰的軌跡以實現肩部在節律行為下的運動。

1.2 肩部運動學特性

根據肩部解剖分析，當肩部做前伸/后縮運動時，如圖4所示，預期軌跡應以鎖骨長AB在橫軸方向的投影OB為半徑，以胸鎖關節中心點A在橫軸的投影O為圓心，且平行于水平面做圓弧運動；同理，肩部在做上升/下降運動時應以OB為半徑，沿冠狀面做圓弧運動。

圖4 肩關節理論運動面

健康人右肩運動時肩峰的實際運動軌跡如圖5所示。實線為肩峰運動軌跡，沒有重合是由于試驗者重復多次運動時身體出現X橫軸方向輕微移動造成的；虛線代表理論軌跡線。

圖5(a)紅色部分表示健康人肩部上升到極限位置處脊椎呈現扭曲狀態，上肢發生側向偏移。介于虛線及紅色線之間表示試驗對象脊椎不發生扭曲時所達到的最大極限。由圖可得肩部在點{（240，1460），（255，1440）}區間內做類圓弧運動，半徑方向偏離胸鎖關節點朝向身體內側，在{（230，1473），（240，1465）}長度內做類直線運動，在X軸方向最大位移為25mm，在Y軸方向位移35mm。

圖5(b)表示正常人右肩前伸/后縮時肩峰的運動軌跡（俯視），方框表示當運動到前極限位置時，會出現右肩向左上方偏移，造成曲線在X軸負方向有位移。且肩部前伸/后縮運動軌跡在兩極限區間內做變半徑運動，軌跡曲率中心偏離胸鎖關節點。對應肩峰在X軸方向最大位移為60mm，Z軸方向位移160mm。

從圖5可以看出，肩峰在上升/下降及前伸/后縮運動時位移軌跡并不全是接近定半徑圓弧曲線，呈變曲率狀態。這種軌跡的變化及旋轉半徑的改變是受到內力的作用：在肩肱節律行為的驅動下，肩部上升/下降運動時肩胛骨在超過一定運動角后受到附著肌肉的作用出現上下偏移；并且當角度進一步擴大，肩胛骨出現一定角度的內外旋轉，造成了由類圓弧軌跡轉變為類直線軌跡；同理，在肩部前伸/后縮運動時，運動角度擴大時也會發生肩胛骨做一定角度的上下翻轉，導致在兩極限區間內肩峰軌跡呈現變半徑狀態。

圖5 健康人右肩運動時肩峰的運動軌跡

2 外骨骼機器人機構設計

肩部的上升/下降、前伸/后縮運動受到肩肱節律的影響呈現變半徑運動狀態，迫使肩峰在內力作用下改變運動軌跡。結合肩關節運動空間，使用繞定軸轉動的J1關節和平行于冠狀面的平行四邊形機構J2組成肩胛帶機構；對于肩肱關節，用球鉸機構J3&J4&J5來代替，以三個獨立運轉的驅動裝置作為肩部三個自由度的驅動源，如圖6所示。

圖6 外骨骼機器人運動簡圖

圖6中J代表驅動關節。O1胸鎖關節點，O2表示肩肱關節中心，共分為二個部分：J1&J2（肩胛帶機構）及J3&-J4&J5（球鉸機構）。

2.1 兩自由度肩胛帶機構設計

外骨骼機器人第一部分為肩胛帶機構J1&J2，如圖6所示JJ1為主動驅動關節，定軸轉動，旋轉軸線垂直冠狀面穿過胸鎖關節點O1。當J1繞軸線旋轉時實現肩部的上升/下降運動。

J2為平行四邊形機構，如圖7所示，桿AB平行于矢狀軸，整個機構與冠狀面垂直。當角度由Φ變化到θ時實現肩部的前伸/后縮運動。

圖7 平行四邊形機構移動與轉角示意圖

如圖6、圖7所示，肩胛帶機構的參數關系為：

H表示在X軸方向的移動距離；Δ1max表示J1關節沿X軸方向至J2的最大距離；Δ2max表示J2驅動關節沿X軸方向的最大寬度；LAmax表示包含J1、J2全部寬度之和；Δb表示左右兩側肩肱關節中心之間在X軸方向的距離。Δl表示肩部前伸/后縮時肩峰在平行于縱軸方向的最大運動距離，由試驗數據可得。

平行四邊形機構在解決運動學差異及剛度上具優勢：平行四邊形兩對邊分別平行，當四邊形機架固定后，對邊連架桿與球鉸機構連接后能始終與機架保持一定角度，即康復機器人旋轉中心O2與平行四邊形機架角度相對固定；較單一轉動關節在擬合人、機旋轉中心時運動學差異性更小。

2.2 三自由度球鉸機構的設計

利用J3&J4&J5球鉸機構來實現肩部外展/內收、屈曲/伸展、內旋/外旋動作。根據設計，J3、J4、J5所處的軸線交于一點，如圖8所示。結合圖6，J3旋轉使整個肩肱關節繞J3軸線做旋轉運動，實現上肢的外展/內收；J4旋轉使上肢實現上肢的外旋/內旋運動；J5旋轉實現上肢做屈曲/伸展運動。至此，肩肱關節各自由度通過球鉸關節得到了實現。

圖8 球鉸機構各關節運動示意圖

球鉸機構為實現最大化滿足肩部運動空間，需考慮J3、J4、J5驅動關節的角度布置。為減小變量，結合圖6、圖8，令J5關節直接與肩部對齊，方向沿-X軸朝于身體內側。各關節之間位置如圖9(a)～圖9(d)所示。在保證肩部運動空間各關節對頭部、頸部及關節間無干涉的前提下，通過比對選取了α（15度～25度）、β（55度～65度）及γ（55度～65度）值。α、β、γ角度關系如圖9(a)、圖9(b)、圖9(c)所示；坐標系建立如圖9(d)所示。

圖9 球鉸機構關節布置圖

球鉸機構穿戴與角度配置關系如圖10所示，圖10(a)為正常穿戴時各關節與人體模型的穿戴關系。箭頭方向為各關節的運動方向，參照圖8，J3、J4、J5轉動時分別對應內收/外展、內/外旋、屈曲/伸直動作；圖10(b)表示傾斜放置的J4與J5做屈曲動作時存在間隙；圖10(c)表示J3和J5成角度布置避免外旋運動時關節間干涉；由于J4與J3存在角β，使得頸部與J4關節有一定的間隙圖10(d)。

圖10 三自由度球鉸關節連接配置圖

3 完整機械系統及仿真分析

圖11為采用計算機輔助設計（CAD）的肩部康復機器人雙肩三維造型，對其進行運動學分析以確定各關節運動空間，實驗條件為各關節做24d/s等角速度運動，運行時間為5s。

圖11 康復機器人三維造型

J1關節轉動時球鉸中心位移與轉角、時間關系如圖12所示，實線表示球鉸中心位移曲線；運動空間為（-180，180）mm，可達肩部上升/下降全部運動空間。

圖12 J1關節轉角特性曲線

圖13為平行四邊形機構轉動時球鉸中心在X軸向與Z軸向位移曲線。虛線框內為滿足前伸/后縮運動空間時的有效轉角，對應轉角42度，此時Z軸向位移運動區間為（50mm，210mm），X軸向位移（-175mm，-75mm），滿足圖3(b)實際運動參數。

圖13 平行四邊形機構位移特性曲線

J3轉動時肩部外展/內收運動空間如圖14所示，虛線表示J3與J2干涉觸發曲線；實線表示展角，用以確定干涉發生時外展/內收最大角度。外展最大為100度，內收大于57.5度。

圖14 J3關節轉動特性曲線

肩部屈曲/伸展、內旋/外旋兩自由度在運動時不會發生干涉現象：肩部屈曲動作在體側平行于矢狀面往復擺動，肩部內旋/外旋動作在胸前擺動，固不會受到運動干涉。

結合仿真曲線，可獲得球鉸機構相對正常人自然運動空間[9]實際轉角性能表，如表1所示。

表1 球鉸機構運動空間ROM

4 結語

本設計為肩部外骨骼康復機器人對肩部全部自由度康復及機器人與人體肩部瞬時旋轉中心的吻合提供了理論設計：基于肩部解剖結構，確定肩部在人體基準面內全部自由度數；并以肩峰為擬合點，對肩峰軌跡進行監測，得出了肩肱節律行為對上肢運動的影響。采用定軸轉動關節及平行四邊形機構組成肩胛帶機構，使得肩部在縱軸及矢狀軸方向得到位移補償，實現肩部上下及前后運動；采用三自由度球鉸關節來模擬肱關節在上肢外展/內收、內旋/外旋及屈曲/縮回三自由度運動，并對球鉸關節角度配置來最大化滿足肩部自然運動空間。令肩胛帶機構與球鉸關節固連，實現肩部全部自由度主動運動。

后續在樣機做出后，通過真人穿戴，總結出各關節的運動速度、協調性控制及不同人群的穿戴尺寸，以便設計出適應性高、協調性好的康復設備，從而更好地服務于腦卒中患者。