上肢偏癱康復機器人結構設計與仿真分析*

蔡國慶，李 杰，石 巖，周利杰

(1.河北省工業機械手控制與可靠性技術創新中心，河北 滄州 061001；2.河北水利電力學院 機械工程系，河北 滄州 061001；3.滄州市人民醫院 康復科，河北 滄州 061001)

0 引言

偏癱是腦卒中常見的后遺癥，嚴重影響患者日常生活[1]。隨著我國人口老齡化程度提高，康復需求將進一步增加，而康復機器人能夠有效解決當前問題[2]。目前，國內外一些機構、院校已經將機器人應用到康復領域，并取得了一定的進展。日本筑波大學[3]、韓國科學技術院[4]、西安電子科技大學[5]、上海康復器械工程技術研究中心[6]等都對康復機器人進行了設計研究。但現有的這些上肢康復機器人存在訓練形式單一、關節復合鍛煉程度不高等不足。本文設計了一種6自由度上肢康復訓練機器人，可以完成肩、肘、腕關節的康復訓練，并通過仿真分析驗證了其合理性。

1 康復機器人結構設計

1.1 自由度的選取及運動范圍的確定

通過對人體上肢解剖結構分析可知，肩關節有5個自由，肘關節有1個自由度，腕關節有3個自由度。考慮康復訓練需求及上肢穿戴空間的局限性，機器人選取肩部屈伸、收展、內外旋運動，肘部屈伸運動，前臂旋轉運動和腕部屈伸運動進行設計。關于外骨骼結構尺寸，根據我國人體尺寸標準GB10000-88給出，如表1所示，各關節康復運動范圍如表2所示。

表1 人體上肢尺寸參數

1.2 結構設計

根據選取的自由度，設計康復機器人的整體結構，其三維模型如圖1所示。肩部屈伸軌道1與機架固定，電機2裝于肩部屈伸軌道1，通過齒輪3帶動扇形齒圈4旋轉，完成肩部的屈伸運動。屈伸齒圈連桿5與扇形齒圈4固連，電機6裝于屈伸齒圈連桿5，帶動上臂連桿7完成肩部的收展運動。上臂連桿7末端為扇形軌道，電機10置于上臂連桿7上，通過齒輪8帶動扇形齒圈9旋轉，完成肩部的內外旋運動。內外旋齒圈連桿11與齒圈9固連，電機12置于內外旋齒圈連桿11上，帶動前臂連桿13旋轉，完成肘部的屈伸運動。前臂調節板14通過螺栓與前臂連桿13連接，通過3對螺栓孔調節長度。電機15置于前臂調節板14上，帶動腕部連桿16旋轉，完成腕部屈伸運動。電機17置于腕部屈伸連桿16上，帶動把手18旋轉，完成前臂的旋前旋后運動。

1-肩部屈伸軌道；2，6，10，12，15，17-電機；3，8-齒輪；4，9-扇形齒圈；5-屈伸齒圈連桿；7-上臂連桿；11-內外旋齒圈連桿；13-前臂連桿；14-前臂調節板；16-腕部屈伸連桿；18-把手

表2 人體上肢各關節康復運動范圍

2 運動學分析

2.1 運動學建模

參照D-H參數法建立康復機器人坐標系，如圖2所示，得到機器人連桿長度ai-1、連桿轉角αi-1、連桿偏距di、關節角θi，見表3。

圖2 機器人連桿坐標系

表3 D-H連桿參數表

Rot(x,αi-1)Trans(ai-1,0,0)Rot(z,θi)Trans(0,0,di)=

(1)

(2)

2.2 運動學模型仿真驗證

根據表3中的參數，應用MATLAB建立機器人運動學模型。以肩關節外展90°與肘關節屈曲90°的復合康復運動為例對其進行仿真驗證，結果如圖3所示。由圖3可以看出，機器人末端位姿與期望位姿一致，驗證了運動學模型的正確性。

圖3 肩關節外展90°與肘關節屈曲90°復合康復運動示教

2.3 運動學分析

本文以上肢最為常見的飲食、擴胸、抓物動作為例，應用ADAMS對康復機器人進行運動學仿真分析。機器人仿真時的初始位姿條件為θ1=0°，θ2=90°，θ3=90°，θ4=-90°，θ5=90°，θ6=0°，仿真終止時的期望關節角及角位移如表4所示。設定3個仿真動作均在勻速的條件下進行，仿真時間設定為5 s,各動作時把手位移曲線如圖4～圖6所示。由圖4～圖6可以看出：機器人末端在各個方向運動連續平穩，可以完成規劃的康復訓練動作。

表4 康復訓練動作仿真參數

圖4 飲食動作把手的位移曲線 圖5 擴胸動作把手的位移曲線 圖6 抓物動作把手的位移曲線

3 結論

針對當前康復機器人運動形式單一的問題，設計了一種6自由度康復機器人，并對其進行了運動學建模和驗證。以飲食、擴胸、抓物動作為例對其進行了運動學仿真分析，證明了康復機器人結構設計合理，能夠幫助偏癱患者完成多關節復合康復運動訓練。本文研究可為樣機開發提供數據支撐。