上肢外骨骼康復訓練裝置設計及分析

張 振，闞延鵬，陳 玉，葛 攀，張師榕，付 磊

(1.安徽工程大學 機械工程學院，安徽 蕪湖 2410002.安徽工程大學 電氣傳動與控制安徽省重點實驗室，安徽 蕪湖 241000)

王隆德院士在《中國中風防治報告(2016)》中指出“40歲以上的人中，約有15%是中風的高危人群，患者的年齡呈年輕化趨勢，全國每年因中風死亡病例達188萬例，已成為中國第一大致死原因”[1]。由于“腦卒中”患者的大腦神經無法對其肢體的運動進行控制，因此需要通過進行重復性的肢體運動姿態訓練來幫助患者對其神經產生刺激，重新建立腦部損傷神經與肢體之間的聯系[2]。

康復訓練系統是一種全新的、高自動化的輔助治療系統，是機器人技術高速發展和康復工程學相結合的成果，其存在的主要價值是通過自動化設備的牽引完成特定的康復運動姿態，恢復患肢的運動功能。與傳統醫治方法相比，康復訓練機器人的產生代替了傳統醫治方法，開創了一條新的治療途徑，在臨床應用中有較大的優勢。使用康復機器人較早地介入康復姿態訓練，能夠有效地保持各個關節的活躍度，改善患者運動功能的最終康復狀態。

人體上肢是一個空間內多自由度的結構，在生活中極具重要性，而上肢外骨骼具備耐久性、低勞動強度和高重復性等優點，患者穿戴上肢外骨骼能有效地幫助腦卒中患者康復，維持關節活動度[3]。吳常鋮等[4]設計了一種具有5自由度的康復訓練機器人，其中3個自由度可以調整機器人姿態以適應不同體格患者的需求，兩個自由度用于患者肢體訓練，驅動部件是步進電機和直流電機。魯守銀等[5]為腦中卒引起的偏癱患者設計了一款主從式上肢外骨骼康復裝置，采用符合人體上肢運動規律的主從式結構作為設計基礎，利用患者健康側上肢的運動功能作為控制輸入信號。徐晨陽等[6]為了降低繩驅動并聯外骨骼的結構不穩定性所帶來的運動學建模誤差，改善外骨骼對不同穿戴者的適應能力，提升外骨骼的穿戴舒適度，提出了一種7自由度的可穿戴上肢外骨骼康復裝置。翟宇毅等[7]針對傳統康復機器人重量重、穿戴不便等不足，基于輕量化、易穿戴和人體工學等設計原則，設計了一種3自由度的穿戴式上肢康復訓練裝置，可以實現肘關節屈/伸及旋前/旋后的運動。許祥等[8]為輔助患者進行后期的高強度康復訓練，提出了一種具有4自由度的上肢康復訓練裝置，可以實現肩關節和肘關節的康復訓練。Li等[9]提出一種3自由度的上肢康復訓練裝置，其串聯結構帶有一個末端執行器，在水平旋轉時具有2個自由度，在垂直運動時具有1個自由度，主要用于上肢肩關節和肘關節的康復訓練，由電機和氣缸驅動，其結構緊湊，節省空間，易于移動。Duan等[10]為了實現上肢康復機械手各關節軌跡的精確控制，利用SolidWorks建立了6自由度上肢康復機械手的簡化模型。Pang等[11]根據“繩齒帶”廣義繩傳動設計方案，設計了一種帶張緊機構的6自由度上肢康復訓練，并對其進行分析證明合理性。

盡管現有的上肢康復訓練裝置能提供多樣的訓練姿態，但是仍存在用于患者訓練的自由度數目較少、驅動部件耗能較大、機械結構復雜、適用率低及使用效果不明顯等不足。訓練姿態的動作幅度過大、運動角度不夠以及不安全等因素也可能會造成患者在使用過程中產生不必要的二次損傷。針對上述問題，本研究以人體運動功能和程度為依據，結合上肢在日常生活中常用的5個自由度，設計了一種簡易的可穿戴外骨骼康復訓練裝置，實現了肩關節的前屈/后伸、外擺/內收，肘關節的屈曲/伸展，腕關節的尺屈/橈屈和掌屈/背屈5個康復訓練姿態，輔助患者獲得有效的日常康復訓練。

1 上肢外骨骼康復訓練裝置的設計

裝置的結構設計要依據人體上肢結構的運動特點進行分析，需對其運動自由度、康復姿態等進行確定，進而對外骨骼康復訓練裝置進行結構設計。

1.1 康復姿態及裝置自由度的選定

上肢是人體運動最靈活的部位，肩、肘、腕、前臂和手掌等部位在關節的配合下，完成日常生活中的多種運動。上肢主要依賴肩關節、肘關節和腕關節運動，是人們日常生活中運用頻率最高的關節。其中，肩關節的前屈/后伸、外擺/內斂和旋內/旋外，肘關節的屈/伸與前臂的旋轉，腕關節的尺屈/橈屈和掌屈/背屈是人體上肢的主要運動自由度，運動示意圖如圖1所示[12]。因關節及所處位置的不同，其需要完成的動作和功能也不同，因此每個關節所需自由度的運動范圍也不同，手臂主要關節活動范圍表如表1所示。結合人體上肢運動特點，本文確定了上肢康復訓練裝置以肩部的前屈/后伸和外旋/內旋、肘部的屈曲/伸展以及腕部的尺屈/橈屈和掌屈/背屈進行運動。

表1 手臂主要關節活動范圍表

1.2 康復訓練裝置的機械結構設計

結合人體結構特征、選定的自由度及確定的康復姿態，以人體右上肢為例，其各個關節的運動自由度簡圖如圖2所示。依次是肩關節的前屈/后伸(J1)、外展/內收(J2)、肘關節的屈曲/伸展(J3)、腕關節的掌屈/背屈(J4)、尺屈/橈屈(J5)。此外，為了滿足不同患者的需求以及不同的臂長和手掌尺寸，在康復訓練裝置的上臂(l2)、前臂(l3)兩個位置可以對尺寸進行調節。結合自由度簡圖使用SolidWorks設計了外骨骼康復訓練裝置的三維模型，如圖3所示。各動作的執行依靠設置在各自由度處的舵機驅動，可以在固定的角度內往復循環，也可以通過延時控制速度變化。舵機電路簡單、結構簡單、質量輕，具有輕便性，可以在固定的角度內往復循環，也可以通過延時控制運動速度，用于康復訓練裝置。

依據設計要求，肩關節處承載了人體整個上肢的重量，所需的扭矩也最大。現以身高175 cm、體重60 kg的男性成年人為研究對象，根據GB10000-88成年人人體尺寸國家標準(如表2所示)，肩關節、肘關節和腕關節處的最大驅動力矩如表3所示。根據力矩數值要求，各關節分別選用SM-120B-C003、DS5160和MG995型舵機。

表2 身體各部分占體重比例

表3 各關節處的最大驅動力矩

1.3 外骨骼裝置的正運動學分析

正運動學分析是指對于特定的機械手，根據連桿參數和各關節變量計算末端執行器相對于選定坐標系的位置和姿態，從而判斷各關節的運動狀態是否正常。基于D-H坐標系一般原則建立D-H坐標系如圖4所示，根據連桿之間的結構參數列出各關節的參數如表4所示。

表4 各連桿之間D-H參數表

(1)

使用Matlab建立外骨骼裝置的運動學模型，其可視化仿真及關節曲線如圖5、6所示。由圖6可知，上肢康復訓練裝置的5個自由度能在設定的空間范圍內運動，運行平穩，末端軌跡運動趨勢沒有干涉。驗證了運動學方程的正確性，以及外骨骼裝置設計的可行性和合理性。

1.4 控制方案的設計

為了實現上肢外骨骼康復訓練裝置進行關節運動角度范圍、訓練速度和康復模式的主動控制，通過按鍵和電位計調節的方式對特定的功能進行控制，控制關節的運動幅度在正常活動范圍內，可以有效地避免對患者的肢體造成二次損傷。其運動控制流程圖和各控制器執行方案如圖7和表5所示。

表5 控制方案簡述

1.5 實物制作及空載角度驗證

整體實物通過ABS耗材經過3D打印制作而成，經組裝得到如圖8所示的實物。為了驗證實物運動姿態的準確性以及使用的安全性，在空載時對各項功能進行了測試，其測試結果如表6所示。由表6可知，該上肢康復裝置能實現肩部的前屈/后伸和外旋/內旋、肘部的屈曲/伸展、腕部的尺屈/橈屈和掌屈/背屈。所測的數據均低于預計角度，且誤差均在5°之內，沒有超過極限角度，空載時的關節活動度均在人體正常活動范圍內，可以保證其安全性。

2 實驗測試及分析

根據人體體質量標準，實驗測試邀請了10名成年人(5男5女)參加，分別是3位偏瘦者(1、2、3)、3位正常體型(4、5、6)、4位偏胖者(7、8、9、10)。實驗過程中參與者將康復裝置穿戴于右臂之上，并對表6中的各項功能進行往復10次體驗。對不同姿態運動時的舒適、難易和過程進行綜合評分，每種姿態對應10分，分值越高表明裝置的姿態靈活性、舒適性及自主操作能力越好，實驗結果如表8所示。

表6 空載時各關節運動數據分析

在體驗過程中，通過JY61P角度傳感器記錄每種姿態下機械臂的實際活動范圍，如表7所示。由表7可知，隨著上肢重量的加重，上肢康復訓練裝置在每種姿態下的活動范圍逐漸減小，均在正常范圍內。在體驗結束時，根據參與者的體驗狀態對上肢康復訓練裝置所提問題進行客觀評分，評分指標及結果如表9所示。

表7 參與者進行實驗時各關節運動數據分析

表8 實驗評價結果

表9 問題評價指標及結果

表8的實驗結果表明，各項姿態在執行過程中其評分均達到8分以上，表明本研究所設計的上肢外骨骼康復訓練裝置有較好的適應性，具有舒適、高靈活性以及自主操作能力好等優點，較好地完成了預期規定姿態的控制，能實現用戶的被動訓練。通過問題評價指標及其結果也可以看出，裝置在可穿戴性、自主操控以及姿態的短暫記憶方面有一定效果。而對于使用過程中的發力以及使用后實驗者較為疲憊的問題，通過詢問得知可能是實驗者在使用過程中有些許緊張導致，并非裝置的原因。

3 結論

本文針對“腦卒中”患者肌無力、無法自主康復訓練等問題，設計一種5自由度的可穿戴上肢外骨骼康復訓練裝置。

(1)通過對上肢外骨骼裝置結構進行運動學分析及仿真，表明各關節自由度能較好地在設定角度范圍內進行運動，驗證了模型的合理性和可行性。

(2)利用按鍵和電位計調節的方式可對特定的康復姿態進行控制，能實現對上肢外骨骼康復訓練裝置進行康復模式、運動角度以及訓練速度的主動控制。

(3)選取3類不同體型的參與者佩戴上肢康復訓練裝置進行實驗，實驗結果表明，隨著體質量的增加，關節運動范圍逐漸減小，但仍在正常活動范圍內。通過建立評價實驗對上肢外骨骼康復訓練裝置進行測試，結果顯示各項康復姿態在執行過程中其評分均達到8分以上，表明本研究所設計的上肢外骨骼康復訓練裝置能較好地完成預期規定姿態的控制，參與者客觀的體驗評價也表明該裝置具有較好的適用性效果。