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)
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??祻推餍倒こ碳夹g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。
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??紤]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
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
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)
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
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
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。