□ 吳小輝 □ 薛 卉 □ 黃 蓉 □ 樂 珺 □ 胡 鑫 □ 喻洪流

1.上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

2.上海理工大學(xué) 康復(fù)工程與技術(shù)研究所 上海 200093

目前，各類腦血管病已成為危害我國公民身體健康和生命的主要疾病之一，約有75%的腦血管病人患有不同程度的上肢功能障礙。依靠康復(fù)醫(yī)師對患者進(jìn)行傳統(tǒng)的一對一手工操作和主觀臨床經(jīng)驗(yàn)對康復(fù)狀況進(jìn)行評估的方式，存在著醫(yī)生工作強(qiáng)度大、效率低、依賴醫(yī)師經(jīng)驗(yàn)、患者被動(dòng)接受治療、參與治療主動(dòng)性不足等問題，限制了康復(fù)水平的提高。此外，各種高強(qiáng)度重體力勞動(dòng)也嚴(yán)重危害著人們的健康狀況。基于人機(jī)智能技術(shù)，結(jié)合康復(fù)技術(shù)、肌電信號處理技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)的模塊化可穿戴外骨骼機(jī)器人，為優(yōu)化腦血管病患者的康復(fù)治療方法、改善高強(qiáng)度重體力勞動(dòng)狀況提供了一個(gè)很好的契機(jī)［1］。它不僅可以減輕醫(yī)生的工作強(qiáng)度，改善康復(fù)效果，還可以顯著改善重體力勞動(dòng)者的健康狀況，降低工傷事故，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用前景。

1 方案設(shè)計(jì)

人機(jī)智能技術(shù)的本質(zhì)是將人-機(jī)器系統(tǒng)看作一個(gè)整體，人與機(jī)器各自執(zhí)行自己最擅長的工作,二者共同認(rèn)知、共同感知、共同決策、共同工作，從而突破傳統(tǒng)的人工智能系統(tǒng)的概念,形成達(dá)到甚至超過人的能力乃至智力的“超智能系統(tǒng)”［2］?；诖耍谌梭w上肢生理特征的基礎(chǔ)上，通過對比幾種典型的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)構(gòu)模型，進(jìn)行了模塊化可穿戴外骨骼上肢機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.1 人體上肢生理特征

▲圖1 人體上肢生理特征圖

圖1 所示為人體上肢生理特征，肩關(guān)節(jié)由肱骨頭和肩胛骨等構(gòu)成，通過三角肌、胸大肌等肌肉的收縮/舒張，實(shí)現(xiàn)上臂的屈/伸、內(nèi)收/外展、旋內(nèi)/旋外運(yùn)動(dòng)。肘關(guān)節(jié)由肱尺關(guān)節(jié)、肱撓關(guān)節(jié)和撓尺近側(cè)關(guān)節(jié)構(gòu)成，通過肱二頭肌、肱三頭肌等肌肉的收縮/舒張，實(shí)現(xiàn)前臂的屈伸以及旋前/旋后運(yùn)動(dòng)。人體上肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍見表1。

表1 手臂主要活動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍

▲圖2 3種常見的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)構(gòu)模型圖

1.2 構(gòu)型選擇

人體外骨骼是一種可以讓人穿戴的人機(jī)一體化機(jī)械裝置，能夠提供對人體柔軟內(nèi)部器官進(jìn)行構(gòu)型、建筑和保護(hù)的外部結(jié)構(gòu)［3］，在醫(yī)學(xué)上，用來幫助傷殘人士進(jìn)行功能替代或康復(fù)，是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)。圖2所示的是3種常見的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)構(gòu)模型［4］。

圖2（a）是末端執(zhí)行式康復(fù)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)模型，通過機(jī)器人的操作末端牽引人體上肢進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，雖然操作末端的運(yùn)動(dòng)域完全涵蓋上肢的運(yùn)動(dòng)范圍，但機(jī)器人的關(guān)節(jié)與人體關(guān)節(jié)無直接關(guān)系。該類系統(tǒng)一般通過牽引手或腕部來完成上肢的運(yùn)動(dòng)，安裝使用方便，但使用時(shí)上肢各關(guān)節(jié)位姿通常是不確定的，牽引力無法精確地施加于上肢各關(guān)節(jié)，牽引過度時(shí)容易對上肢造成傷害［4］。 這類機(jī)器人中較典型的有 MIT-MANUS、MIME 和iPAM。

圖2（b）是支架外骨骼式康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型，其部分機(jī)械結(jié)構(gòu)可固定在人體上肢上，與肢體進(jìn)行耦合運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人在人體后部固定于支架上。該類系統(tǒng)對上肢的手、前臂、上臂等各部位進(jìn)行支撐和牽引，牽引力精確地施加于上肢的各關(guān)節(jié)，使用時(shí)上肢各關(guān)節(jié)的位姿狀態(tài)是確定的。然而，患者使用這種機(jī)器人必須在固定的支架上或者椅子附近進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，限制了患者的運(yùn)動(dòng)范圍，不能輔助患者進(jìn)行日常生活訓(xùn)練，這類機(jī)器人中較典型的有ARMin、CADEN-7 和 ArmeoSpring等，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所的5DOF穿戴式上肢康復(fù)機(jī)器人也屬于這一類型的機(jī)器人。

圖2（c）是穿戴外骨骼式康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型，如 HAL-5、Arm Robot，機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)穿戴在人體上，并通過其它肢體模塊將加載在人體的機(jī)器人質(zhì)量轉(zhuǎn)移至地面，這樣不僅保證了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)域涵蓋人體上肢的運(yùn)動(dòng)范圍，而且機(jī)器人關(guān)節(jié)通過仿生人體關(guān)節(jié)來設(shè)計(jì)。這種機(jī)器人不限制患者的運(yùn)動(dòng)范圍，能夠輔助患者進(jìn)行日常生活訓(xùn)練，是目前最理想的康復(fù)訓(xùn)練與助力設(shè)備。

通過對比三種典型的上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人可知，穿戴外骨骼式康復(fù)機(jī)器人相對于其它兩種機(jī)器人具有明顯的優(yōu)勢，目前日本筑波大學(xué)山海嘉之和三階吉行教授研制的穿戴外骨骼式半機(jī)器人套裝HAL-5已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，然而高昂的成本限制了其應(yīng)用范圍。為便于該技術(shù)的推廣使用，需要采取技術(shù)手段在實(shí)現(xiàn)功能的前提下降低其成本。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

肩-肘關(guān)節(jié)是人體上肢主要運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，主要有肩關(guān)節(jié)的屈/伸、內(nèi)收/外展、旋內(nèi)/旋外、肘關(guān)節(jié)的屈伸以及旋前/旋后，共7個(gè)自由度。其中，肩關(guān)節(jié)的屈/伸、內(nèi)收/外展、肘關(guān)節(jié)的屈伸是主要的運(yùn)動(dòng)自由度，基于此設(shè)計(jì)了圖3所示的模塊化可穿戴外骨骼機(jī)器人。

該機(jī)器人由背部模塊、肩關(guān)節(jié)模塊和肘關(guān)節(jié)模塊三部分構(gòu)成，肩關(guān)節(jié)模塊通過柔索傳動(dòng)的形式實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的屈/伸、內(nèi)收/外展運(yùn)動(dòng)，內(nèi)側(cè)用來固定肌電信號傳感器；肘關(guān)節(jié)模塊通過柔索傳動(dòng)的形式實(shí)現(xiàn)屈伸運(yùn)動(dòng)；背部模塊可固定電機(jī)、減速器、驅(qū)動(dòng)器、電池以及通信控制模塊等，肩-肘關(guān)節(jié)之間用一個(gè)可調(diào)長度的機(jī)構(gòu)相互連接，以適應(yīng)各種上臂長度不同的人。

▲圖3 模塊化可穿戴外骨骼上肢機(jī)器人三維模型圖

▲圖4 肩關(guān)節(jié)模塊三維模型圖

▲圖5 肘關(guān)節(jié)模塊三維模型圖

▲圖6 外骨骼機(jī)器人在人體工程學(xué)模型上的驗(yàn)證

▲圖7 外骨骼上肢機(jī)器人坐標(biāo)系定義

圖4 所示為肩關(guān)節(jié)模塊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)輪1來調(diào)節(jié)1號和2號柔索的伸出長度，進(jìn)而帶動(dòng)肩關(guān)節(jié)作水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)1號柔索縮短、2號柔索伸長時(shí)，肩關(guān)節(jié)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，對應(yīng)水平面的內(nèi)收動(dòng)作；反之則順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，對應(yīng)水平面的外展動(dòng)作。同理，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)的矢轉(zhuǎn)盤來調(diào)節(jié)3號和4號柔索的伸出長度，進(jìn)而帶動(dòng)上臂板作矢狀面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)3號柔索縮短、4號柔索伸長時(shí)，傳動(dòng)臂逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，對應(yīng)矢狀面的屈；反之則順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，對應(yīng)矢狀面的伸。通過水平面運(yùn)動(dòng)和矢狀面運(yùn)動(dòng)的復(fù)合，可以完成冠狀面的內(nèi)收/外展動(dòng)作。

圖5所示為肘關(guān)節(jié)模塊傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)輪2來調(diào)節(jié)5號和6號柔索的伸出長度，進(jìn)而帶動(dòng)前臂托作水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)5號柔索縮短、6號柔索伸長時(shí)，前臂板逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，對應(yīng)肘關(guān)節(jié)的屈；反之則順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，對應(yīng)肘關(guān)節(jié)的伸。

外骨骼應(yīng)能充分適應(yīng)人體上肢的運(yùn)動(dòng)，在設(shè)計(jì)過程中，需要充分貫徹“擬人化”的設(shè)計(jì)原則［5］。為此將機(jī)器人在人體工程學(xué)模型上進(jìn)行了驗(yàn)證，如圖6所示，穿戴上機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)人體模型的各部分肢體能夠順滑地隨著外骨骼一起進(jìn)行耦合運(yùn)動(dòng)，肩、肘關(guān)節(jié)兩端的機(jī)構(gòu)長度可調(diào)整，以此適應(yīng)手臂長度不同的人。

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析包括運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和運(yùn)動(dòng)學(xué)反解。運(yùn)動(dòng)學(xué)正解是在機(jī)器人各自由度運(yùn)動(dòng)已知的情況下，求機(jī)器人末端的位姿；而運(yùn)動(dòng)學(xué)反解則恰好相反，是在機(jī)器人末端位姿已知的情況下，求各自由度運(yùn)動(dòng)情況［6］。

外骨骼上肢機(jī)器人可簡化為一個(gè)由定位板、肩拐板、上臂板、前臂板4個(gè)桿件組成的空間四連桿機(jī)構(gòu)，3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副對應(yīng)于機(jī)器人的3個(gè)自由度。人體上臂、前臂分別捆綁在機(jī)器人的上臂板、前臂板上，隨著上臂板、前臂板進(jìn)行耦合運(yùn)動(dòng)。

如圖7所示，基于D-H（Denavit-Hartenberg）法建立了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的連桿坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系確定了各連桿間的相對運(yùn)動(dòng)和位姿關(guān)系。坐標(biāo)系O0-X0Y0Z0為全局坐標(biāo)系，O4代表了機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)。

表2是外骨骼上肢機(jī)器人各連桿的D-H參數(shù)，其中，桿長和扭角是固定不變的，用于描述連桿本身，偏置和轉(zhuǎn)角描述相鄰連桿的連接關(guān)系，偏置是固定的，轉(zhuǎn)角θi是關(guān)節(jié)變量。由于運(yùn)動(dòng)范圍比較小，假設(shè)肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心點(diǎn)位置不變。

表2 外骨骼上肢機(jī)器人D-H參數(shù)表

表中,L1和L2分別為肩關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心到定位板和肩拐板的距離，LU和LF分別為機(jī)器人上臂板和前臂板的關(guān)節(jié)長度。相鄰連桿間的相對位姿關(guān)系為：

通過矩陣乘法建立機(jī)器人末端相對于全局坐標(biāo)系的位姿，可以得到多連桿之間的變換，即機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的正解方程，即：

綜合式（1）、式（2），可得：

n、o、a描述了機(jī)器人末端相對于全局坐標(biāo)系的姿態(tài)，與3個(gè)關(guān)節(jié)變量有關(guān)，p描述了機(jī)器人末端在全局坐標(biāo)系中的位置，與3個(gè)關(guān)節(jié)變量和機(jī)器人外形尺寸參數(shù)有關(guān)。

運(yùn)動(dòng)學(xué)的反解是根據(jù)機(jī)器人末端相對于全局坐標(biāo)系的位姿來求解關(guān)節(jié)變量的值。此時(shí)n、o、a、p都是已知的，可結(jié)合式（3）和式（4）得出各關(guān)節(jié)變量。

根據(jù) nx與 ny、px與 pz、nz與 oz的關(guān)系可分別求出θ1、θ2、θ3的值，式（5）～式（7）即為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解方程。

4 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)域

如圖8所示，筆者所設(shè)計(jì)的外骨骼上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人可簡化為空間連桿機(jī)構(gòu)，機(jī)器人背部模塊背負(fù)在患者背上，在上臂桿、前臂桿處分別與患者的上臂和前臂綁縛在一起，帶動(dòng)患肢進(jìn)行耦合運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)域是人體上肢的運(yùn)動(dòng)域的真子集，從而可在不超出人體上肢運(yùn)動(dòng)范圍的情況下，帶動(dòng)患肢運(yùn)動(dòng)到運(yùn)動(dòng)域空間中的任一位置，同時(shí)保證患者肢體的安全。

▲圖8 患者患肢和機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)域

該外骨骼上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人訓(xùn)練的主要是患者上肢的肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)，主要訓(xùn)練動(dòng)作為：矢狀面內(nèi)抬臂、曲肘，水平面內(nèi)旋、外旋，冠狀面外展、內(nèi)收，以及由這些基本動(dòng)作所組合的其它動(dòng)作，同時(shí)可使患者在機(jī)器人的輔助下完成進(jìn)食、喝水、開門、取物等動(dòng)作，逐步恢復(fù)生活自理能力。

肩關(guān)節(jié)可進(jìn)行水平面、矢狀面、冠狀面內(nèi)的訓(xùn)練，上臂的最大活動(dòng)范圍為：矢狀面的0～90°屈曲/伸展，水平面的 0～90°內(nèi)旋/外旋， 冠狀面的 0～90°外展/內(nèi)收。肘關(guān)節(jié)主要以屈、伸運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練為主，前臂的最大活動(dòng)范圍為與上臂的夾角從 0～120°。

5 前景展望

在健康領(lǐng)域，外骨骼機(jī)器人不僅僅是向患者提供機(jī)械肢體，還需要通過合理的控制方法和康復(fù)模式，輔助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練與康復(fù)運(yùn)動(dòng)［7］。對比傳統(tǒng)的人工輔助康復(fù)訓(xùn)練方式，新型外骨骼機(jī)器人可以將治療師從繁重的體力和精神負(fù)擔(dān)中解脫出來，滿足殘障者對生活輔助的時(shí)間和強(qiáng)度的要求，同時(shí)記錄的數(shù)據(jù)可為評價(jià)康復(fù)效果、實(shí)時(shí)調(diào)整康復(fù)方案及康復(fù)工程的深入研究提供客觀依據(jù)。通過成熟產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，最終將使廣大患者受益，進(jìn)而改善人們的健康狀況與生活品質(zhì)。

［1］ 王東巖,李慶玲,杜志江,等.5DOF穿戴式上肢康復(fù)機(jī)器人控制方法研究 ［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,37（9）：1383-1387.

［2］ 楊燦軍,陳鷹,路甬祥.人機(jī)一體化智能系統(tǒng)理論及應(yīng)用研究探索［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2000,36（6）：42-47.

［3］ 李慶玲,孫立寧,杜志江.上肢康復(fù)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀的分析與研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2008,25（9）:1-3.

［4］ André Schiele.Fundamentals of Ergonomic Exoskeleton Robots［D］.Delft：Technische Universiteit Delft,2008.

［5］ A Gupta ， M K O’Malley.Design of a Haptic Arm Exoskeleton for Training and Rehabilitation［J］.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2006,11（3）:280–289.

［6］ 呂廣明,孫立寧,彭龍剛.康復(fù)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析 ［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，36（9）:1224-1231.

［7］ Haiwei Dong,Izaskun Ugalde， Nadia Fiqueroa，et al.Towards Whole Body Fatigue Assessment of Human Movement:A Fatigue-Tracking System BasedonCombinedsEMG andAccelerometer Signals ［J］ .Sensors ，2014,14（2）:2052-2070.