非平面2自由度上肢康復外骨骼設計與分析

葛 攀,張 振,陳 玉,汪步云

(1.安徽工程大學 機械工程學院,安徽 蕪湖 241000;2.電氣傳動與控制安徽省重點實驗室,安徽 蕪湖 241000)

上肢的運動機能在日常的工作與生活中起著重要作用[1],但大量的運動損傷和神經系統疾病會影響上肢的運動機能,降低患者的生活質量。這種上肢機能的損傷可能發生在脊髓損傷、中風或骨折之后。臨床研究證實,人體的中樞神經組織損傷不可再生,但具有高度的可塑性,神經損傷引起的上肢運動機能障礙可通過重復的康復訓練進行恢復[2],是一個運動重新學習的過程。在緩慢的恢復過程中,患者需要康復治療師進行長時間協助。然而,隨著需要重復性運動康復的患者數量增加,導致了康復治療師的數量不足,為了減輕這種負擔并為患者提供穩定的康復過程,借助上肢康復機器人是協助上肢機能損傷患者恢復運動機能的有效途徑。

隨著上肢康復機器人技術的發展以及患者對康復需求的提高,上肢康復機器人按照設備康復形式的不同可分為兩種類型[3]。第一類康復機器人采用的是末端牽引式,另一類采用的是外骨骼式。末端牽引式直接作用于上肢的末端,如手握式和腕部固定式,往往是為了康復訓練而設計的。早期的末端牽引式機器人是由麻省理工學院的krebs等[4]開發的MIT-MANUS,該裝置采用了平面SCARA 機器人驅動上肢的肩膀和肘部,能夠實現2自由度平面空間內的運動康復。張磊剛等[5]設計了一款雙側7自由度上肢康復機器人。機器人的主要康復交互機構由兩個7自由度機械臂和末端牽引手柄等組件構成,可以幫助患者手臂實現三維空間的訓練,且可以根據不同康復時期的患者進行按需輔助康復。夏鵬鵬等[6]針對牽引式上肢康復訓練機器人結構復雜、柔順性和安全性不足的問題,設計了一種三維空間末端牽引式上肢康復訓練機器人。末端牽引式康復機器人只能保證上肢在輔助力的牽引下進行康復訓練,不能準確控制上肢所有關節的運動,且其設計中采用的機械臂以及整個控制組件的成本過高。外骨骼機器人是一種人機交互系統,其關節和鏈接方式與人體的關節和鏈接方式相對應,隨著其在康復醫學和虛擬現實中的應用,外骨骼為協助患者進行日常活動提供了更多可能[7]。上肢外骨骼具有與人類上肢生物結構類似的機械結構,可以通過改變連桿的長度以適應不同的骨架,并通過上肢與機械關節的匹配實現關節驅動扭矩的傳遞。外骨骼附著在手臂上有許多優點,相似的工作空間避免了奇點,以及工作空間上驅動力的一對一映射[8]。外骨骼機器人一般包含更多的傳感器,可以保證外骨骼在使用時的安全性,還能向患者和醫生提供更多信息,使醫生能夠更好地安排整個康復訓練的進展。Copaci等[9]設計了一種基于SMA 驅動的2自由度肘關節康復外骨骼,該外骨骼將肘關節簡化為機械球關節,并使用了基于形狀記憶合金的生物啟發致動器。翟宇毅等[10]針對一些外骨骼機器人體積大、舒適性差的問題,基于輕量化、人體工程學等原則,設計了一種3自由度柔性穿戴式機器人。劉志輝等[11]為了解決外骨骼上肢康復機器人自由度受限的問題,建立了上肢運動關節的簡化模型,對比人體上肢關節的運動機理,提出了一種改進的7自由度外骨骼上肢康復機器人。上肢康復機器人的主要功能是為患者提供康復訓練,協助患者進行日常的活動。然而,對于末端牽引式康復訓練裝置和外骨骼式康復訓練裝置來說,其研究只集中在某一方面。實際上,對于上肢康復機器人來說,其設計必須考慮將康復訓練與輔助功能相結合,使用較少的自由度實現盡可能大范圍的工作空間。

為滿足患者對康復訓練以及生活輔助的需求,針對當前低自由度上肢康復外骨骼康復訓練空間有限的問題,本研究設計了一種非平面2自由度上肢康復外骨骼,用于肘關節的屈曲/伸展和肩關節的內/外旋轉。其中肘關節采用柔性設計,避免了康復過程中機械關節與手臂肘關節產生軸偏差使患者產生不適感。

1 上肢外骨骼結構設計

人體上肢結構如圖1所示。上肢的運動是極其復雜的,主要的兩個活動關節為肩關節和肘關節[12]。肩關節受到骨骼的約束比較少,主要靠肩部的肌肉群約束,因此肩關節的運動通常簡化為3自由度:前屈/后伸、外展/內收和旋內/旋外。肘關節是一個鉸鏈關節,其軸移運動具有復雜的軌跡,旋轉軸會產生輕微的位移,用于進行屈/伸運動,運動范圍如表1所示。依據人體上肢結構的運動特點,確定了上肢康復外骨骼的設計方案,以肩部的旋內/旋外和肘部的屈曲/伸展為康復姿態。

圖1 人體上肢結構

表1 手臂主要關節活動范圍

上肢康復外骨骼主要由底座、大臂托架、柔性連接件、過渡連接件和小臂托架組成,如圖2所示。在康復過程中,大臂和小臂放置在托架內,通過緊固帶和墊板進行固定,托架的內側設置有墊層,增加患者的舒適性。由于肩部的康復姿態為旋內/旋外,整個大臂的大部分重量經大臂托架和底座支撐抵消,康復動作的執行依靠底座上安裝的舵機帶動。肘部的屈伸通過設置在大臂托架兩側的舵機帶動,增加運行的穩定性,可在安全角度內往復循環,滿足上肢康復的使用要求。

圖2 上肢康復外骨骼整體結構圖

1.1 柔性肘關節設計

外骨骼的肘關節采用柔性連接件,其彈性結構對稱分布,材質為鋁合金,為了補償肘關節在屈伸過程中與外骨骼之間的軸偏差,其在平面內具有3自由度,通過連接軸和軸承與過渡連接件連接,采取被動調節的方式,結構更加緊湊,柔性連接件結構如圖3所示。

圖3 柔性連接件結構

通過有限元軟件校核柔性模塊,以驗證其結構的性能,X 和Y 方向施加的力大小均為30 N[13],當模塊在X 方向受到力時,會產生位移和應變,柔性模塊X 方向的位移量為2.319 8 mm,最大應變值為0.002 617,如圖4所示;當模塊在Y 方向受到力時,柔性模塊Y 方向的位移量為2.317 4 mm,最大應變值為0.002 617 1,如圖5所示。柔性模塊的X 方向和Y 方向的位移量均為2.3 mm,能夠在一定程度上被動補償機械關節與手臂肘關節產生的軸偏差,X 方向和Y 方向的最大應變值處于安全范圍內。

圖4 X 方向的應變和位移

圖5 Y 方向的應變和位移

1.2 過渡連接件設計

根據小臂托架和柔性肘關節的接頭方式確定過渡連接件的結構。過渡連接件的作用是連接小臂托架和柔性肘關節,在設計中充分考慮到外骨骼的輕量化設計,以及過渡連接件的制作成本,通過有限元軟件對比了過渡連接件在位移方面的分析結果,受力大小均為30 N,連接件位移分析云圖如圖6 所示。連接件的材料分別為ABS、鋼和鋁,三種材料均滿足強度要求。在這種情況下,ABS是一種很好的材料,其重量更輕且價格更經濟。

圖6 連接件位移分析云圖

2 上肢外骨骼運動學分析

2.1 運動學分析

為了進一步說明非平面2自由度上肢康復外骨骼的安全性,采用D-H 分析法,對外骨骼進行運動學分析。首先建立外骨骼的機構D-H 坐標系,具體如圖7所示,外骨骼D-H 參數如表2所示。

圖7 上肢康復外骨骼 坐標

表2 上肢康復外骨骼D-H 參數

上肢康復外骨骼D-H 坐標系中相鄰坐標系第i桿相對于i-1桿的位姿矩陣為Ti:

式中,sθi=sinθi,sαi=sinαi,cαi=cosαi,cθi=cosθi。根據式(1)和表2所示參數,可求得各連桿的變換矩陣:

則末端坐標系與基坐標系之間的變換矩陣02T如式(4)所示:

為了驗證運動學方程,在M ATLAB中,以θ1=90°、θ2=0°為初始值,得到外骨骼仿真結果,具體如圖8所示,驗證了模型的正確性。

圖8 仿真結果

2.2 工作空間分析

通過工作空間分析能夠確定康復裝置的可達康復范圍,在實際任務的應用中可以根據康復裝置的工作空間制定其康復軌跡。本研究選用蒙特卡羅法對工作空間進行求解,根據非平面2自由度機械臂的結構參數和關節變化范圍,利用MATLAB機器人工具箱軟件完成其工作空間分析,取θ1、θ2的角度變化范圍為0°~90°內的隨機值帶入,當N=30 000次可得非平面2自由度機械臂的工作空間范圍,如圖9所示。由圖9可以看出,其工作空間為連續的四分之一球面,代表機械臂的活動范圍滿足設計要求。

圖9 基于蒙特卡羅法的工作空間分析

3 康復機器人軌跡規劃仿真

患者的整個康復過程都需要外骨骼協助完成康復動作,而康復動作是外骨骼在可達工作空間內通過一定軌跡制定。在MATLAB中可以進行外骨骼的末端軌跡制定,并能顯示各個運動關節的運動角度、角速度以及角加速度變化圖,這對分析外骨骼末端運動的穩定性以及外骨骼的使用安全性有很重要的參考意義。

根據所設計的2自由度外骨骼,設定其起始關節變量q0=[0,0]和終點關節變量通過MATLAB進行運動仿真,當外骨骼末端從初始點運動到終止點,外骨骼末端位置圖如圖10所示。各運動關節在外骨骼運動中的角位移、角速度和角加速度曲線如圖11所示。由圖11可以看出,兩個關節動作完成時間均為5 s,第1關節即肘關節的屈伸運動,從初始位置運動到45°;第2關節即肩關節的內外旋轉運動,從初始位置運動到30°。第1關節和第2關節動作同時完成,肘關節和肩關節的初始速度和終止速度均為0,初始點和終止點的加速度均為0,整個運動過程中曲線平滑連續無突變點,且符合康復外骨骼運動的穩定性和安全性要求。

圖10 外骨骼末端位置圖

圖11 角位移、角速度和角加速度曲線圖

4 結論

本文針對上肢康復患者對康復訓練以及生活輔助的需求,設計了一種非平面2自由度上肢康復外骨骼裝置。針對肘部的運動設計了柔性連接件,對裝置的主要連接件進行了有限元分析,驗證了其使用強度,確保了裝置結構設計的可行性。通過對上肢康復外骨骼裝置進行運動學分析及仿真,裝置的各個運動關節能夠在安全角度范圍內進行運動,驗證了模型的合理性。由裝置的工作空間及軌跡規劃仿真結果可以看出,非平面2自由度上肢康復外骨骼裝置能夠以低自由度實現連續的四分之一球面訓練空間,且運動過程平穩。