姜禮杰 陳進 王良詣 侯言旭 王勇

肢體協(xié)調(diào)運動康復(fù)機器人的機構(gòu)設(shè)計與實驗

姜禮杰1陳進2王良詣1侯言旭1王勇1

針對臨床上缺少一種肢體協(xié)調(diào)運動康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的現(xiàn)狀,研制了一款適用于偏癱患者個性化訓(xùn)練的上下肢協(xié)調(diào)運動康復(fù)機器人.首先,在探究正常步態(tài)上下肢協(xié)調(diào)運動規(guī)律的基礎(chǔ)上,選擇以肩、膝關(guān)節(jié)角度協(xié)調(diào)變化規(guī)律作為機器人的設(shè)計目標(biāo);然后,基于五桿變胞機構(gòu)設(shè)計了康復(fù)訓(xùn)練機構(gòu)及主/輔傳動鏈,并對訓(xùn)練機構(gòu)進行了運動學(xué)分析;最后,在樣機上進行了實驗,結(jié)果表明該機器人能夠滿足設(shè)計目標(biāo).

康復(fù)機器人,上下肢協(xié)調(diào)運動,偏癱患者,機構(gòu)設(shè)計

DOI10.16383/j.aas.2016.c160171

近年來,我國人群腦卒中發(fā)病率總體呈上升趨勢[1].腦卒中發(fā)作后常會伴隨著患者的運動、語言和感知等方面的障礙,嚴(yán)重降低了他們的生活質(zhì)量,也給社會和家庭帶來了沉重的負(fù)擔(dān)[2?3].康復(fù)治療是降低致殘率和提高患者生活質(zhì)量的主要途徑[4?5].目前我國康復(fù)治療不僅極其缺乏康復(fù)人才,而且物理治療師與偏癱患者“一對一”的傳統(tǒng)康復(fù)治療方式存在著勞動強度大、治療費用高、康復(fù)周期長等不足,致使我國“人人享有康復(fù)服務(wù)”的目標(biāo)難以順利實現(xiàn)[6?8].因此,借助康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備對偏癱患者進行康復(fù)治療的理念便應(yīng)運而生.

傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備存在功能單一、智能化程度不高、康復(fù)訓(xùn)練效果有待提高等問題[9].康復(fù)機器人是機器人技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的完美結(jié)合[10].它不僅可減輕醫(yī)療人員的負(fù)擔(dān),提高康復(fù)效率,而且還可詳細(xì)客觀地記錄訓(xùn)練過程中的運動和生理參數(shù),為物理治療師分析和評價康復(fù)訓(xùn)練效果提供參考依據(jù).近年來,康復(fù)機器人已成為國際機器人領(lǐng)域的一個研究熱點,同時也取得了諸多成果,諸如末端執(zhí)行式[11?13]、外骨骼式[14?15]、懸吊跑步機式[16?17]、單關(guān)節(jié)式[18?19]、坐/臥式[20?22]等康復(fù)訓(xùn)練機器人的研究和使用都有了很大程度的發(fā)展.但目前報道中,康復(fù)機器人研究主要集中于單一的上肢、下肢、某一關(guān)節(jié)部位的康復(fù)訓(xùn)練.訓(xùn)練方式也主要集中于肌力、肌張力、關(guān)節(jié)活動度等方面,而對肢體平衡協(xié)調(diào)系統(tǒng)的康復(fù)研究報道相對較少.

肢體難以平衡協(xié)調(diào)地完成動作是腦卒中患者后遺癥之一[23].人體平衡協(xié)調(diào)運動不僅是肌力、肌張力、關(guān)節(jié)活動度作用的結(jié)果,前庭系統(tǒng)、視覺調(diào)節(jié)系統(tǒng)、身體本體感覺系統(tǒng)、大腦平衡反射調(diào)節(jié)、小腦共濟協(xié)調(diào)系統(tǒng)、基底節(jié)共濟失調(diào)、脊髓后索共濟失調(diào)以及肌群的力量在人體平衡功能的維持上都起到了重要作用[23].平衡協(xié)調(diào)功能是康復(fù)效果主要評價指標(biāo)之一[23?26],現(xiàn)有協(xié)調(diào)運動康復(fù)機器人主要用于患者康復(fù)中后期的主動訓(xùn)練,運動軌跡單一.研制一款可適用于偏癱患者整個康復(fù)期的肢體協(xié)調(diào)運動康復(fù)機器人具有一定的實用價值[27].

不同患者、不同康復(fù)期對康復(fù)訓(xùn)練幅度要求具有差異性,患者采用統(tǒng)一的運動方式可能會形成異常動作.目前能夠滿足個性化訓(xùn)練的康復(fù)機器人大都結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制困難、造價昂貴,難以惠及大眾.研制一款結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟性好,能夠滿足不同康復(fù)期偏癱患者個性化需求的協(xié)調(diào)運動的康復(fù)機器人,是一項既具有重要現(xiàn)實意義,又有研究難度的工作.

本文分析正常步行時肩、膝關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動規(guī)律,針對不同患者、不同康復(fù)期個性化訓(xùn)練幅度的要求,結(jié)合主/被動不同訓(xùn)練模式的特點,選擇坐姿可調(diào)減重方式,研制了一款安全可靠、經(jīng)濟性好、幅度可調(diào),在主/被動訓(xùn)練模式下均可實現(xiàn)上肢肩關(guān)節(jié)與下肢膝關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動的康復(fù)機器人.

1 協(xié)調(diào)運動規(guī)律

恢復(fù)正常步態(tài)運動是偏癱康復(fù)治療的主要目標(biāo)之一.正常步態(tài)是全身各肢體按照某一固定規(guī)律相互配合協(xié)調(diào)運動的結(jié)果,為探究人體步態(tài)協(xié)調(diào)運動規(guī)律,設(shè)計了健康成人正常步行實驗.實驗選用一款基于微機電系統(tǒng)(Micro-electro-mechanical system,MEMS)慣性傳感器的荷蘭Xsens MVN運動捕捉系統(tǒng),獲取正常步行時肢體各個關(guān)節(jié)的運動學(xué)參數(shù).實驗選取20名上、下肢均無運動障礙、身心健康、無疾病史的受試者.受試者在實驗相關(guān)人員的幫助下,完成人體正常步態(tài)運動,通過關(guān)節(jié)平移繪制人體棍棒圖如圖1所示.

圖1 正常步行棍棒圖Fig.1 Normal walking stick diagram

實驗結(jié)果顯示:

1)正常步態(tài)下,人體上、下肢的運動范圍包括了矢狀面內(nèi)、額狀面和水平面,其中矢狀面內(nèi)的關(guān)節(jié)活動度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于額狀面和水平面.本文參考文獻[28?30]將額狀面和水平面內(nèi)的運動忽略.

2)在正常行走時,下肢在矢狀面內(nèi)同頻交替擺動,兩臂隨兩腿的交替運動而擺動,其運動方向與同側(cè)腿相反而與對側(cè)腿一致,大臂、小臂繞肩、肘關(guān)節(jié)呈圓弧狀轉(zhuǎn)動,大、小腿繞髖、膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動.

3)選取實驗中12名受試者(男、女各6名)作為有效樣本進行統(tǒng)計分析,平均步長為58.63cm,膝關(guān)節(jié)平均活動范圍為4.58°～58.93°,肩關(guān)節(jié)平均活動范圍-15.07°～19.54°.不同身高、不同年齡的受試者肩、膝關(guān)節(jié)活動度存在個體性差異.圖2為在水平地面上勻速直線行走時,從腳跟觸地作為起點,以同側(cè)腳跟再次觸地作為一個步態(tài)周期內(nèi)的肩膝關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)擺動規(guī)律.

圖2 正常步態(tài)下肩、膝關(guān)節(jié)角度變化規(guī)律Fig.2 Motion law of shoulder and knee during normal walking

2 機構(gòu)設(shè)計

坐/臥姿減重訓(xùn)練方式操作方便,本文選擇一種靠背可調(diào)傾斜角度的坐姿訓(xùn)練方式.機器人主要包括安裝于座椅兩側(cè)的上、下肢訓(xùn)練執(zhí)行機構(gòu)、機械傳動系統(tǒng)、下位機控制系統(tǒng)、基于智能移動硬件開發(fā)的人機交互系統(tǒng)和一個靠背角度、椅面位置均可自動調(diào)節(jié)的座椅以及腳踏、輔具等部件,人機模型如圖3所示.

機器人針對偏癱患者的不同康復(fù)階段提供被動、主動訓(xùn)練模式;在運動方式方面,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)的兩側(cè)肢體異步交叉協(xié)調(diào)運動,還可實現(xiàn)諸如蹦、下蹲等左右兩側(cè)肢體同步協(xié)調(diào)動作.另外,為滿足患者精細(xì)化、個性化康復(fù)訓(xùn)練的需要,該機器人設(shè)計了個性化調(diào)節(jié)不同運動幅度的功能,主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.

圖3 康復(fù)訓(xùn)練機器人人-機模型Fig.3 Rehabilitation training robot human-machine model

表1 機器人主要參數(shù)Table 1 Robot main parameters

2.1 康復(fù)訓(xùn)練機構(gòu)

平面連桿機構(gòu)具有承載力大、控制簡單,安全可靠、經(jīng)濟性好等優(yōu)點,通過合理地設(shè)置桿長尺寸可在一定范圍實現(xiàn)任意軌跡.四桿機構(gòu)僅可實現(xiàn)某一固定運動軌跡,而難以滿足不同患者的個性化康復(fù)需求.變胞機構(gòu)是一類通過機構(gòu)形態(tài)的轉(zhuǎn)換,將一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式變換到另一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式,通常在變換的過程中機構(gòu)的構(gòu)件數(shù)和自由度也會隨之發(fā)生改變的機構(gòu)[31].本文基于平面連桿機構(gòu)研制了一種下肢“五桿變胞機構(gòu)”,該機構(gòu)是由座椅機架、曲柄、連桿、搖桿、調(diào)整桿組成.為實現(xiàn)上、下肢協(xié)調(diào)運動,在下肢“五桿變胞機構(gòu)”的基礎(chǔ)上添加一種由II級連桿、II級搖桿組成的零自由度II級桿組.訓(xùn)練時患者坐在椅面上,將手部與足部分別放于扶手和踏板處進行固定,設(shè)置相應(yīng)訓(xùn)練參數(shù)即可.該機構(gòu)可通過設(shè)置不同的曲柄長度、調(diào)整桿傾斜角度實現(xiàn)不同運動軌跡,以滿足不同患者的個性化訓(xùn)練幅度的需求.已獲國內(nèi)發(fā)明專利授權(quán)且申請了國際專利.由于機器人兩側(cè)訓(xùn)練機構(gòu)結(jié)構(gòu)相同,在矢狀面內(nèi)對稱布置,文章選取右側(cè)一側(cè)訓(xùn)練機構(gòu)進行分析,圖4為右側(cè)訓(xùn)練機構(gòu)三維模型和對應(yīng)的機構(gòu)示意圖.

在圖4中,曲柄為一開有燕尾槽的圓盤,圓盤一側(cè)圓心處與主傳動系統(tǒng)相連,另一側(cè)為燕尾槽側(cè),與連桿連接的滑塊可在滑槽中滑動以設(shè)置不同的曲柄長度.曲柄一端與機架鉸接形成轉(zhuǎn)動副,曲柄另一端與連桿的首端鉸接形成轉(zhuǎn)動副;連桿的末端與搖桿的首端鉸接形成轉(zhuǎn)動副,搖桿的末端與調(diào)整桿的首端鉸接形成轉(zhuǎn)動副,調(diào)整桿的末端與機架鉸接形成轉(zhuǎn)動副,調(diào)整桿由輔助傳動系統(tǒng)進行驅(qū)動;腳踏裝置安裝在連桿上;II級連桿的一端與連桿上某點鉸接形成轉(zhuǎn)動副,II級連桿的另一端與II級搖桿的底端鉸接形成轉(zhuǎn)動副;II級搖桿的中部安裝在機架上,與機架鉸接形成轉(zhuǎn)動副,在II級搖桿的上端安裝有手柄,安裝位置可根據(jù)患者訓(xùn)練擺動幅度需要進行調(diào)節(jié).

圖4 康復(fù)機器人訓(xùn)練機構(gòu)Fig.4 Rehabilitation training robot actuators

在運動前,調(diào)整曲柄長度和調(diào)整桿傾斜角位置,將其位置固定,此時五桿機構(gòu)則變胞為由機架、曲柄、連桿、搖桿組成的單自由度的四桿機構(gòu).在主傳動機構(gòu)的驅(qū)動下,曲柄做整周回轉(zhuǎn)運動,帶動整個訓(xùn)練機構(gòu)進行運動,腳踏點實現(xiàn)封閉曲線運動,扶手在矢狀面內(nèi)實現(xiàn)往復(fù)擺動.

為滿足身高 150～185cm 范圍內(nèi)患者個性化康復(fù)訓(xùn)練需要.分別選擇身高為150cm、160cm、170cm、180cm、185cm的受試者正常步行時肩、膝關(guān)節(jié)角度變化與機器人訓(xùn)練機構(gòu)人-機模型中相同步態(tài)百分比中肩、膝關(guān)節(jié)運動角度的最小差值之和為優(yōu)化目標(biāo),以訓(xùn)練機構(gòu)桿長存在性條件和桿件運動壓力角為約束條件,選用Matlab軟件中自帶約束非線性規(guī)劃問題的Fmincon函數(shù)工具集對桿長尺寸進行優(yōu)化求解.設(shè)圖4中的桿1、桿2、桿3、桿4、桿5、桿6的長度分別為l1,l2,l3,l4,l5,l6.由于每組身高優(yōu)化結(jié)果有所差異,綜合滿足身高150cm～185cm范圍內(nèi)桿長尺寸,將曲柄設(shè)計為尺寸可調(diào)機構(gòu),取5組優(yōu)化結(jié)果中曲柄長度最大值作為燕尾槽圓盤半徑.綜合以上因素確定各桿件長度為:l1=120mm,l2=550mm,l3=350mm,l4=250mm,l5=200mm,l6=600mm.

2.2 傳動系統(tǒng)

機器人兩側(cè)訓(xùn)練機構(gòu)由一套傳動系統(tǒng)進行驅(qū)動,傳動系統(tǒng)由主傳動鏈和輔助傳動鏈兩部分組成.曲柄由設(shè)于機架上的主動軸通過主傳動鏈驅(qū)動轉(zhuǎn)動,調(diào)整桿則通過輔傳動鏈驅(qū)動;主傳動鏈的作用為進行主動、被動訓(xùn)練;輔助傳動鏈的作用是調(diào)節(jié)調(diào)整桿不同傾角以實現(xiàn)不同的運動軌跡,達到不同的訓(xùn)練幅度.

2.2.1 主傳動鏈

主傳動鏈用來驅(qū)動曲柄運動,主要由伺服電機、減速機、離合器、齒輪和曲柄軸等零部件組成,如圖5所示.被動訓(xùn)練時,將伺服電機設(shè)置為位置模式或速度模式.伺服電機帶動減速機和齒輪,通過離合器將軸1的運動傳遞到曲柄軸上,由曲柄軸帶動兩側(cè)康復(fù)訓(xùn)練執(zhí)行機構(gòu)的曲柄進行工作,從而帶動患者進行康復(fù)訓(xùn)練.

圖5 主傳動鏈Fig.5 Main transmission chain

主動訓(xùn)練時,人體克服機器人的阻力進行運動.使用者的肢體運動通過康復(fù)訓(xùn)練執(zhí)行機構(gòu)傳遞到曲柄軸,由曲柄軸帶動齒輪,通過主傳動鏈將運動傳遞到伺服電機處.此時,伺服電機被設(shè)置為力矩模式用來提供運動阻力.通過控制伺服電機輸入電流的大小可輸出不同的扭矩,當(dāng)伺服電機的運動方向與外界主動運動方向相反時,電機輸出的扭矩轉(zhuǎn)變?yōu)樽枇?從而實現(xiàn)鍛煉肌肉、增強肌力的目的.實現(xiàn)主被動訓(xùn)練模式的原理如圖6所示.

圖6 主被動訓(xùn)練模式原理Fig.6 Principle of active and passive training mode

2.2.2 輔助傳動鏈

輔助傳動鏈主要用來調(diào)節(jié)調(diào)整桿的傾斜角度,實現(xiàn)不同康復(fù)訓(xùn)練軌跡和幅度.輔助傳動鏈結(jié)構(gòu)如圖7所示,由減速機、離合器、制動器、齒輪和軸等組成.在進行調(diào)節(jié)時候,離合器處于“粘合”狀態(tài),制動器處于制動狀態(tài),伺服電機將運動通過齒輪傳遞到調(diào)整桿軸,兩側(cè)齒輪參數(shù)相同,兩側(cè)調(diào)整桿軸旋轉(zhuǎn)角度相同.調(diào)整桿調(diào)整完成后,將離合器處于“離合”狀態(tài),制動器處于“制動”狀態(tài),制動器與機架連接,因此齒輪3與調(diào)整桿處于靜止?fàn)顟B(tài).伺服電機運動也因離合器的“離合”而無法將運動傳遞到齒輪2.

圖7 輔助傳動鏈Fig.7 Auxiliary transmission chain

3 運動學(xué)分析

運動學(xué)分析是機器人機構(gòu)設(shè)計和運動控制的基礎(chǔ).根據(jù)運動學(xué)分析原則,將協(xié)調(diào)訓(xùn)練機構(gòu)簡化為七桿機構(gòu),M和N點分別為腳踏點和扶手位置,為機器人協(xié)調(diào)訓(xùn)練機構(gòu)操作末端.以E點為坐標(biāo)原點,將訓(xùn)練機構(gòu)建立如圖8所示的X-O-Y坐標(biāo)系,H點坐標(biāo)為(xh,yh),規(guī)定逆時針旋轉(zhuǎn)角度為正.其中,桿AB、桿BC、桿CD、桿DE、桿AE、桿FG、桿GH、桿HN、桿CM、桿BF的長度分別為l1,l2,l3,l4,l5,l6,l7,l8,l9,l10.

在圖8中,由閉環(huán)矢量關(guān)系可知:

圖8 訓(xùn)練機構(gòu)坐標(biāo)系Fig.8 Training actuators coordinate system

由歐拉公式展開可得:

式(2)中聯(lián)合消去可得:

在式(3)中

求解式(3),可得:

聯(lián)合式(2),可得式(5):

將式(4)代入(5)可得到:

從式(4)和(6)可以看出θ2和θ3是關(guān)于θ1和θ4的函數(shù).

在圖8中,康復(fù)機器人訓(xùn)練機構(gòu)腳踏M點的矢量關(guān)系:

M點的速度:

在圖8中,設(shè)F點坐標(biāo)為(xf,yf),則:

聯(lián)合式(10)和(11)可得:

式(12)中消去θ5可得:

式(13)中

根據(jù)式(12)可得:

從式(13)和(14)可以看出θ5和θ6是桿長l1,l10,l6,l7關(guān)于θ1和θ2的函數(shù),θ2是關(guān)于θ1和θ4的函數(shù),故θ5和θ6是關(guān)于θ1和θ4的函數(shù).

由圖8中各桿件的閉環(huán)矢量關(guān)系可知,N點的位置:

對式(15)求導(dǎo)可得N點的速度:

從式(8)、(9)、(15)、(16)可知,各桿件的長度是固定的,M、N點的位置與速度關(guān)系均是各構(gòu)件桿長關(guān)于θ1、θ4及的函數(shù).故機器人訓(xùn)練機構(gòu)工作時,腳踏點M與扶手位置點N二者的運動是相互協(xié)調(diào)的.

綜上運動學(xué)分析可知,腳踏點M和扶手點N均是訓(xùn)練機構(gòu)桿長關(guān)于曲柄轉(zhuǎn)角θ1和調(diào)整桿傾角θ4的函數(shù),改變桿長、θ1、θ4可實現(xiàn)不同的運動軌跡和幅度,從理論上證明了機器人訓(xùn)練機構(gòu)實現(xiàn)個性化上下肢協(xié)調(diào)運動的可行性,同時也為運動控制奠定了理論基礎(chǔ).

4 樣機實驗與討論

為探究該機器人能否滿足主被動訓(xùn)練和個性化運動幅度的設(shè)計要求,在樣機上進行了相關(guān)實驗,并參考現(xiàn)有協(xié)調(diào)運動康復(fù)機器人進行了討論.

4.1 主被動肢體協(xié)調(diào)運動

為驗證該機器人是否滿足主、被動不同訓(xùn)練模式下肢體協(xié)調(diào)運動要求,征集了10名受試者,調(diào)節(jié)不同曲柄長度及調(diào)整桿與水平面夾角進行體驗主、被動訓(xùn)練模式下的肢體協(xié)調(diào)運動實驗.圖9(a)～(f)為選擇曲柄長度l1=100mm,調(diào)整桿與水平面夾角為30°位置時,某一26歲、身高167cm、體重為57kg男性志愿者在被動訓(xùn)練模式下訓(xùn)練的過程.

圖9 一個運動周期內(nèi)的上下肢協(xié)調(diào)運動Fig.9 Coordinated movement of upper and lower limbs in a period of cycle

圖10～12為被動訓(xùn)練模式時10名受試者在3r/min、6r/min、9r/min、15r/min不同速度下的平均膝、肩關(guān)節(jié)角度和平均足底壓力變化規(guī)律;主動訓(xùn)練時,在控制策略中將機器人伺服電機從0A至2A電流所產(chǎn)生的阻力扭矩平均分為20檔,圖13～15為主動訓(xùn)練模式時,10名受試者在阻力1、阻力4、阻力9、阻力18和阻力20檔下,平均肩、膝關(guān)節(jié)角度和平均足底壓力變化規(guī)律.

從圖10～12曲線可知,在被動訓(xùn)練時,不同速度下平均肩、膝關(guān)節(jié)角度變化為周期協(xié)調(diào)變化,肩、膝關(guān)節(jié)角度變化呈現(xiàn)為正弦曲線,整個訓(xùn)練過程運行連續(xù)、柔順.不同速度下,平均足底壓力運動也呈現(xiàn)周期性規(guī)律波動,波動范圍在±15%之內(nèi).機器人能夠在被動模式下幫助受試者完成上下肢協(xié)調(diào)運動訓(xùn)練.同時,肩、膝關(guān)節(jié)和足底壓力周期性協(xié)調(diào)變化符合踝關(guān)節(jié)運動軌跡是連續(xù)閉合曲線的運動規(guī)律.另外,受試者主觀評價整個試用過程運動柔順、速度沖擊小.

圖10 被動訓(xùn)練模式下膝關(guān)節(jié)運動Fig.10 Knee motion in passive training mode

圖11 被動訓(xùn)練模式下肩關(guān)節(jié)運動Fig.11 Shoulder motion in passive training mode

圖12 被動訓(xùn)練模式下足底壓力變化Fig.12 Change of plantar pressure in passive training mode

在主動訓(xùn)練時,根據(jù)受試者的需要,調(diào)節(jié)伺服電機輸出不同的阻力,受試者克服阻力運動,受試過程中肢體可連續(xù)實現(xiàn)上下肢體協(xié)調(diào)運動,鍛煉肌力.從圖13～15曲線可知,在主動訓(xùn)練時,平均膝、肩關(guān)節(jié)角度也為周期協(xié)調(diào)變化,曲線為正弦函數(shù)曲線,整個訓(xùn)練過程運行連續(xù)、柔順.平均足底壓力運動曲線呈現(xiàn)周期性規(guī)律波動.肩、膝關(guān)節(jié)和足底壓力周期性協(xié)調(diào)變化符合踝關(guān)節(jié)運動軌跡是連續(xù)閉合曲線的運動規(guī)律.

圖13 主動訓(xùn)練模式下膝關(guān)節(jié)運動Fig.13 Knee motion in active training mode

圖14 主動訓(xùn)練模式下肩關(guān)節(jié)運動Fig.14 Shoulder motion in active training mode

圖15 主動訓(xùn)練模式下足底壓力變化Fig.15 Change of plantar pressure in active training mode

4.2 個性化協(xié)調(diào)運動試驗

調(diào)整桿與水平面的夾角θ4能夠在一定范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié),實際測量θ4調(diào)整范圍為0°～90°,符合表1的設(shè)計要求.選擇一身高168cm(《中國成人人體尺寸》18～60歲男性50百分位的身高為167.8cm)、年齡為25歲、體重為64kg的男性作為受試者,探究被動訓(xùn)練模式下曲柄長度與調(diào)整桿傾角θ4對肩、膝關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動規(guī)律的影響.

圖16、18為調(diào)整桿傾斜角θ4固定時,設(shè)置不同曲柄長度肩、膝關(guān)節(jié)角度變化曲線.從圖16、18可看出:肩、膝關(guān)節(jié)活動度與曲柄長度成比例關(guān)系,曲柄越長,肩、膝關(guān)節(jié)活動度越大.當(dāng)設(shè)置曲柄長度為50mm時,肩關(guān)節(jié)活動度為-6.59°～12.27°,膝關(guān)節(jié)活動度為1.93°～66.76°;當(dāng)曲柄長度為100mm時,肩關(guān)節(jié)活動度為-14.75°～24.45°,膝關(guān)節(jié)活動度為9.82°～42.43°.

圖16 不同曲柄l1下肩關(guān)節(jié)運動Fig.16 Shoulder motion depending on diferent crank lengthsl1

圖17和圖19為被動訓(xùn)練模式下,固定曲柄長度,調(diào)節(jié)不同調(diào)整桿傾斜角θ4,肩、膝關(guān)節(jié)角度變化曲線.從圖17和圖19上可知,調(diào)節(jié)傾斜角θ4運動也可實現(xiàn)不同的肩、膝關(guān)節(jié)活動度.傾斜角θ4為40°時,肩關(guān)節(jié)活動度為-13.59°～13.27°,膝關(guān)節(jié)活動度為11.04°～78.48°;傾斜角θ4為65°時,肩關(guān)節(jié)活動度為-5.62°～23.5°,膝關(guān)節(jié)活動度為3.87°～48.56°;通過調(diào)整不同的傾斜角θ4可改變肩、膝關(guān)節(jié)活動度.不同患者可根據(jù)身高、康復(fù)期合理選擇訓(xùn)練機構(gòu)曲柄長度和傾斜角度θ4以實現(xiàn)個性化的肩、膝關(guān)節(jié)訓(xùn)練.

圖17 不同θ4角肩關(guān)節(jié)運動Fig.17 Shoulder motion depending on diferentθ4angles

圖18 不同曲柄l1膝關(guān)節(jié)運動Fig.18 Knee motion depending on diferent crank lengthsl1

圖19 不同θ4角膝關(guān)節(jié)運動Fig.19 Knee motion depending on diferentθ4angles

綜上所述與本文第3節(jié)的運動學(xué)分析結(jié)論相一致,“腳踏點M和扶手點N均是訓(xùn)練機構(gòu)桿件長度關(guān)于曲柄轉(zhuǎn)角θ1和調(diào)整桿傾角θ4的函數(shù)”,即通過調(diào)節(jié)曲柄長度和調(diào)整桿傾角θ4可實現(xiàn)肩、膝關(guān)節(jié)個性化訓(xùn)練,滿足設(shè)計目標(biāo).

4.3 臨床實驗

目前該機器人樣機的功能有效性正在醫(yī)院進行臨床驗證.試用對象為涵蓋康復(fù)前、中、后三個階段的偏癱病人.建議每位受試者每天上、下午各訓(xùn)練1次,每次訓(xùn)練時間為20min,4周為一個治療周期.臨床實驗初步結(jié)果顯示,機器人能夠滿足不同身高、不同康復(fù)期患者個性化的上下肢協(xié)調(diào)訓(xùn)練要求;通過對比實驗表明,機器人對恢復(fù)偏癱患者肢體協(xié)調(diào)功能有一定的作用,得到了醫(yī)生與偏癱患者的肯定.由于統(tǒng)計樣本量過少和對臨床有效性也僅僅限于主觀評價,臨床有效性需要深入研究和定量評價.

4.4 討論

通過上述實驗結(jié)果可知,該機器人通過調(diào)節(jié)曲柄長度與調(diào)整桿位置能夠?qū)崿F(xiàn)不同運動軌跡幅度的主被動訓(xùn)練模式相結(jié)合的肢體協(xié)調(diào)運動.目前臨床上常見的肢體協(xié)調(diào)訓(xùn)練康復(fù)設(shè)備主要有橢圓機、NuStep四肢聯(lián)動康復(fù)器等.

橢圓機是一種運動軌跡為橢圓的上下肢協(xié)調(diào)運動無源健身設(shè)備,運動平穩(wěn),對膝關(guān)節(jié)沖擊小,主要應(yīng)用于健身場所.一些學(xué)者將減重裝置與橢圓機相結(jié)合應(yīng)用于偏癱患者中后期的康復(fù)治療并證實一定的康復(fù)訓(xùn)練效果[32?33].由于橢圓機一般為站立式,在偏癱患者康復(fù)訓(xùn)練過程中需對患者進行捆綁減重操作;

NuStep四肢聯(lián)動康復(fù)器是一種在坐姿下利用患者自身的肌力作為動力源,健側(cè)肢體帶動患側(cè)肢體的無源四肢聯(lián)動康復(fù)訓(xùn)練裝置[34].主要用于偏癱或截癱患者零肌力的主動康復(fù)訓(xùn)練,可改善患肢肌力、增強肢體靈活性與協(xié)調(diào)性[35?36].在訓(xùn)練過程中上肢實現(xiàn)伸夠、下肢實現(xiàn)蹬踏運動,運動軌跡相對單一;

康復(fù)踏車是目前最常見的一種末端式康復(fù)機器人,結(jié)構(gòu)簡單,單自由度驅(qū)動,具有主被動訓(xùn)練功能,對不同康復(fù)期腦卒中[37]、脊髓損傷[38]、帕金森[39]患者的上下肢進行圓周訓(xùn)練,一般分別對上、下肢進行獨立訓(xùn)練.

步態(tài)、圓周、橢圓等不同運動軌跡所刺激肢體肌肉與神經(jīng)的位置也不同,不同患者及同一患者的不同康復(fù)期對康復(fù)運動軌跡、幅度具有差異性.本文在綜合分析患者個性化康復(fù)訓(xùn)練需求的基礎(chǔ)上,借鑒現(xiàn)有器械的優(yōu)點,提出了一種有源坐姿康復(fù)訓(xùn)練機器人,以滿足不同患者不同康復(fù)期的個性化的訓(xùn)練軌跡、幅度以及主被動訓(xùn)練模式,同時考慮設(shè)備占地空間小、經(jīng)濟性好、操作簡單,以適應(yīng)更多場合,為更多患者提供幫助.前期工作雖然取得了一定進展,但仍存有一些問題需要進行深入的探討,如不同患者在不同康復(fù)期如何選擇最為有效的康復(fù)訓(xùn)練軌跡、幅度等問題仍需大量臨床實驗進行驗證.

5 結(jié)論

1)本文選擇坐姿訓(xùn)練方式,以人體正常步態(tài)下肩、膝關(guān)節(jié)角度協(xié)調(diào)變化規(guī)律為設(shè)計目標(biāo),基于“五桿變胞機構(gòu)”研制了一種新型康復(fù)訓(xùn)練機器人;

2)對機器人的訓(xùn)練機構(gòu)進行了運動學(xué)分析,從理論上證明了該機器人訓(xùn)練機構(gòu)實現(xiàn)上下肢協(xié)調(diào)運動的可行性;

3)在機器人樣機上進行了主被動協(xié)調(diào)運動和調(diào)節(jié)運動幅度實驗.實驗結(jié)果表明,該機器人能夠在主被動訓(xùn)練模式下實現(xiàn)肩、膝關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動訓(xùn)練;通過控制曲柄長度和調(diào)整桿的傾斜角能夠為不同患者提供個性化的肩、膝關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動;

4)機器人樣機正在醫(yī)院進行臨床試用,訓(xùn)練效果得到了醫(yī)生與患者的主觀定性認(rèn)可,有效性仍需進行深入研究與定量評價.

1 CSN,etc.The guide of Chinese stroke rehabilitation(2011 edition).Chinese Journal of Rehabilitation Theory and Practice,2012,18(4):301?318 (中華醫(yī)學(xué)會神經(jīng)病學(xué)分會神經(jīng)康復(fù)學(xué)組,中華醫(yī)學(xué)會神經(jīng)病學(xué)分會腦血管病學(xué)組,衛(wèi)生部腦卒中篩查與防控工程委員會辦公室.中國腦卒中康復(fù)治療指南(2011完全版).中國康復(fù)理論與實踐,2012,18(4):301?318)

2 Peng Liang,Hou Zeng-Guang,Wang Wei-Qun.Synchronous active interaction control and its implementation for a rehabilitation robot.Acta Automatica Sinica,2015,41(11): 1837?1846 (彭亮,侯增廣,王衛(wèi)群.康復(fù)機器人的同步主動交互控制與實現(xiàn).自動化學(xué)報,2015,41(11):1837?1846)

3 Ji Wen,Wang Jian-Hui,Fang Xiao-Ke,Gu Shu-Sheng. Method and realization of intelligent system of rehabilitation training for stroke.Journal of System Simulation,2014,26(4):836?842 (紀(jì)雯,王建輝,方曉柯,顧樹生.腦卒中康復(fù)訓(xùn)練智能方法及實現(xiàn).系統(tǒng)仿真學(xué)報,2014,26(4):836?842)

4 Tong Li-Na,Hou Zeng-Guang,Peng Liang,Wang Wei-Qun, Chen Yi-Xiong,Tan Min.Multi-channel sEMG time series analysis based human motion recognition method.Acta Automatica Sinica,2014,40(5):810?821 (佟麗娜,侯增廣,彭亮,王衛(wèi)群,陳翼雄,譚民.基于多路sEMG時序分析的人體運動模式識別方法.自動化學(xué)報,2014,40(5): 810?821)

5 Lo A C,Guarino P D,Richards L G,Haselkorn J K,Wittenberg G F,Federman D G,Ringer R J,Wagner T H, Krebs H I,Volpe B T,Bever C T Jr,Bravata D M,Duncan P W,Corn B H,Mafucci A D,Nadeau S E,Conroy S S, Powell J M,Huang G D,Peduzzi P.Robot-assisted therapy for long-term upper-limb impairment after stroke.New England Journal of Medicine,2010,362(19):1772?1783

6 Ostwald S K,Davis S,Hersch G,Kelley C,Godwin K M.Evidence-based educational guidelines for stroke survivors after discharge home.Journal of Neuroscience Nursing,2008,40(3):173?191

7 Hu Jin,Hou Zeng-Guang,Chen Yi-Xiong,Zhang Feng, Wang Wei-Qun.Lower limb rehabilitation robots and interactive control methods.Acta Automatica Sinica,2014,40(11):2377?2390 (胡進,侯增廣,陳翼雄,張峰,王衛(wèi)群.下肢康復(fù)機器人及其交互控制方法.自動化學(xué)報,2014,40(11):2377?2390)

8 Wu Xian-Guang,Chen Di,Zhang Jing.Community-based Rehabilitation and Rehabilitation of“Rehabilitation for All”.Chinese Journal of Rehabilitation Theory and Practice,2011,17(7):613?616 (吳弦光,陳迪,張靜.社區(qū)康復(fù)與“人人享有康復(fù)服務(wù)”目標(biāo)的實現(xiàn).中國康復(fù)理論與實踐,2011,17(7):613?616)

9 Marchal-Crespo L,Reinkensmeyer D J.Review of control strategies for robotic movement training after neurologic injury.Journal of Neuroengineering and Rehabilitation,2009,6(1):20

10 Zhang Fu-Xiang,Fu Yi-Li,Wang Shu-Guo.Overview of rehabilitation robots research.Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2005,22(2):100?105 (張付祥,付宜利,王樹國.康復(fù)機器人研究進展.河北工業(yè)科技, 2005,22(2):100?105)

11 Nurmatova S,Khamraev F,Mirsaev A,Diehl W.Efectiveness of motor-assisted MOTOmed movement therapy in the rehabilitation of children diagnosed with infantile cerebral palsy.Nevrologiya,2012,1(53):35?38

12 Deaconescu T,Deaconescu A.Pneumatic muscle actuated isokinetic equipment for the rehabilitation of patients with disabilities of the bearing joints.In:Proceedings of 2009 International MultiConference of Engineers and Computer Scientists.Hong Kong,China:IMECS,2009,2:1823?1827 13 Zhang L X,Sun H Y,Li C S.Experiment study of impedance control on horizontal lower limbs rehabilitation robot.In: Proceedings of the 2010 International Conference on Information and Automation.Harbin,China:IEEE,2010. 1421?1425

14 Naditz A.New frontiers:telehealth innovations of 2010.Telemedicine and e-Health,2010,16(10):986?992

15 Cudby K.Liberty autonomy independence.Engineering Insight,2011,12(1):8?14

16 Schmidt H,Piorko F,Bernhardt R,Kruger J,Hesse S.Synthesis of perturbations for gait rehabilitation robots.In: Proceedings of the 9th IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics.Chicago,IL:IEEE,2005.74?77

17 Hesse S,Schmidt H,Werner C.Machines to support motor rehabilitation after stroke:10 years of experience in Berlin.Journal of Rehabilitation Research&Development,2006,43(5):671?678

18 Shen Hui-Ping,Yang Liang-Jie,Deng Jia-Ming,Zhang Xiao-Yu,Shen Xiao-Jun.One-input three-rotation output parallel mechanism and its kinematics design used for shoulder rehabilitation.China Mechanical Engineering,2015,26(22):2983?2988 (沈惠平,楊梁杰,鄧嘉鳴,張曉玉,沈曉軍.用于肩關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的單輸入三轉(zhuǎn)動輸出并聯(lián)機構(gòu)及其運動學(xué)設(shè)計.中國機械工程,2015,26(22):2983?2988)

19 Yin Song.Design and human-machine motion mapping analysis of an ankle rehabilitation robot.China Mechanical Engineering,2012,23(21):2552?2556 (印松.踝關(guān)節(jié)康復(fù)機器人設(shè)計及人-機運動映射分析.中國機械工程,2012,23(21):2552?2556)

20 Shi Xiao-Hua,Wang Hong-Bo,Sun Li,Gao Feng,Xu Zhen. Design and dynamic analysis of an exoskeletal lower limbs rehabilitation robot.Journal of Mechanical Engineering, 2014,50(3):41?48 (史小華,王洪波,孫利,高峰,徐震.外骨骼型下肢康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與動力學(xué)分析.機械工程學(xué)報,2014,50(3):41?48)

21 Yang Run-Ze.Development of A Multi-posture Rehabilitation Training Robot for Lower Limb[Master dissertation], Tsinghua University,China,2012 (楊潤澤.多位姿下肢康復(fù)機器人平臺的研制[碩士學(xué)位論文],清華大學(xué),中國,2012)

22 Jiang Hong-Yuan,Ma Chang-Bo,Lu Nian-Li,Ao Hong-Rui. Modeling and simulation on FES cycling training system.Journal of System Simulation,2010,22(10):2459?2463 (姜洪源,馬長波,陸念力,敖宏瑞.功能性電刺激腳踏車訓(xùn)練系統(tǒng)建模及仿真分析.系統(tǒng)仿真學(xué)報,2010,22(10):2459?2463)

23 Nan Deng-Kun.Rehabilitation Medicine.Beijing:People's Medical Publishing House,2012.60?64 (南登昆.康復(fù)醫(yī)學(xué).北京:人民衛(wèi)生出版社,2012.60?64)

24 Rong Ji-Feng,Wu Yi,Lu Wei-Bo,Yang Lei,Wang Wei-Ning.On the balance function of patients with cerebral apoplexy hemiplegia limbs and walking ability.Chinese Journal of Rehabilitation Medicine,2015,30(10): 1603?1605 (榮積峰,吳毅,路微波,楊雷,王衛(wèi)寧.四肢聯(lián)動對腦卒中偏癱患者平衡功能和步行能力的影響.中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志,2015,30(10): 1603?1605)

25 Huang H J,Ferris D P.Neural coupling between upper and lower limbs during recumbent stepping.Journal of Applied Physiology,2004,97(4):1299?1308

26 Byun S D,Jung T D,Kim C H,Lee Y S.Efects of the sliding rehabilitation machine on balance and gait in chronic stroke patients-a controlled clinical trial.Clinical Rehabilitation, 2011,25(5):408?415

27 Zhang Ying.Research of Rehabilitation Robot with Combined Movement of Upper Limb and Lower Limb[Master dissertation],Shanghai Jiao Tong University,China,2015 (張瑩.上下肢協(xié)同康復(fù)機器人的研究[碩士學(xué)位論文],上海交通大學(xué),中國,2015)

28 Yang Nian-Feng.Coordination Analysis and Parametric Description of Human Movements[Ph.D.dissertation],Tsinghua University,China,2001 (楊年峰.人體運動協(xié)調(diào)規(guī)律及其參數(shù)化描述[博士學(xué)位論文],清華大學(xué),中國,2001)

29 Wang R C,Huang C H,Yang N F,Li B,Zhang J C,Li Z Y.Multichannel surface EMG detection and analysis system for R&D of prostheses controller.Chinese Journal of Biomedical Engineering,1997,6(3):177?178

30 HanShu-Yang.ExperimentandSimulationStudyon Biomechanics of Human Joints[Ph.D.dissertation],China University of Mining and Technology,China,2014 (韓樹洋.人體關(guān)節(jié)生物力學(xué)實驗及仿真研究[博士學(xué)位論文],中國礦業(yè)大學(xué),中國,2014)

31 Dai J S,Zhang Q X.Metamorphic mechanisms and their confguration models.Chinese Journal of Mechanical Engineering,2000,13(3):212?218

32 Nelson C A,Stolle C J,Burnfeld J M,Buster TW. Modifcation of the ICARE system for pediatric therapy.Journal of Medical Devices,2015,9(4): 041010,DOI: 10.1115/1.403027

33 Ren Y P,Lee S J,Park H S,Zhang L Q.A pivoting elliptical training system for improving pivoting neuromuscular control and rehabilitating musculoskeletal injuries.IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2013,21(5):860?868

34 Dalleck L C,Borresen E C,Parker A L,Abe K M,Habermann L A,McLaughlin S J,Tischendorf J S.Development of a metabolic equation for the NuStep recumbent stepper in older adults.Perceptual and Motor Skills,2011,112(1): 183?192

35 Martinez G M,Drizd N G,Firmeza J M,Gregson J R,Hong J,Cohen M.The efects of cardiac rehabilitation on a patient post-percutaneous coronary intervention using a bioresorable vascular scafold.Cardiopulmonary Physical Therapy Journal,2014,25(4):135

36 Billinger S A,Mattlage A E,Ashenden A L,Lentz A A,Harter G,Rippee M A.Aerobic exercise in subacute stroke improves cardiovascular health and physical performance.Journal of Neurologic Physical Therapy,2012,36(4):159?165

37 Diserens K,Ruegg D,Kleiser R,Hyde S,Perret N,Vuadens P,Fornari E,Vingerhoets F,Seitz R J.Efect of repetitive arm cycling following botulinum toxin injection for post stroke spasticity:evidence from fMRI.Neurorehabilitation and Neural Repair,2010,24(8):753?762

38 Kuhn D,Leichtfried V,Schobersberger W,Rhl K.FES-cycling in persons with spinal cord injury-impact on subjective perception and activities of daily living.Physioscience, 2013,9(4):142?150

39 Ridgel A L,Kim C H,Fickes E J,Muller M D,Alberts J L.Changes in executive function after acute bouts of passive cycling in Parkinson's disease.Journal of Aging and Physical Activity,2011,19(2):87?98

姜禮杰合肥工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院博士研究生.主要研究方向為康復(fù)機器人.

E-mail:jianglijie001@126.com

(JIANG Li-JiePh.D.candidate at the School of Mechanical Engineering,Hefei University of Technology.His main research interest is rehabilitation training robot.)

陳 進安徽省立醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科副主任醫(yī)師.主要研究方向為神經(jīng)疾患臨床康復(fù).E-mail:ahslyykfyx@139.com

(CHEN JinAssociate chief physician in the Department of Rehabilitation Medicine,Anhui Provincial Hospital.His main research interest is clinical rehabilitation of neurological disease.)

王良詣合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院碩士研究生.主要研究方向為康復(fù)機器人機構(gòu)設(shè)計,優(yōu)化設(shè)計.

E-mail:wlyenglish@126.com

(WANG Liang-YiMaster student at the School of Mechanical Engineering,Hefei University of Technology.His research interest covers design of rehabilitation robot mechanism and optimization design.)

侯言旭合肥工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院碩士研究生.主要研究方向為機器人控制,生物信號處理.

E-mail:monkeylike@163.com.cn

(HOU Yan-XuMaster student at the School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology.His research interest covers robot control and biomedical signal processing.)

王 勇合肥工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院教授.2008年獲得合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院博士學(xué)位.主要研究方向為機械設(shè)計、傳感及測試技術(shù),服務(wù)機器人.本文通信作者.

E-mail:simenkouwang@sina.com

(WANGYongProfessor at the Schoolof MechanicalEngineering, Hefei University of Technology.He received his Ph.D.degree from the School of mechanical and Automotive engineering,Hefei University of Technology in 2008.His research interest covers mechanical design,sensing and measuring technology,and service robot.Corresponding author of this paper.)

Mechanism Design and Experiment of Rehabilitation Training Robot for Coordinated Movement of Upper and Lower Limbs

JIANG Li-Jie1CHEN Jin2WANG Liang-Yi1HOU Yan-Xu1WANG Yong1

Owing to the lack of clinic rehabilitation training equipment for coordinated movement,a rehabilitation robot for upper and lower limbs coordination movement is developed,which is suitable for individualized training of hemiplegia patients.Firstly,the regularity of human shoulder and knee angle coordination movement is identifed as a design objective based on normal gait of coordination movement of upper and lower limbs.Then,the rehabilitation training mechanism and the main or auxiliary drive chain based on a fve-bar metamorphic mechanism are designed,and kinematic analysis of training mechanism is carried out.Finally,tests on the prototype are carried out,and the results show that the robot can achieve the design goal.

Rehabilitation training robot,coordinated movement of upper and lower limbs,hemiplegic patients,mechanism design

姜禮杰,陳進,王良詣,侯言旭,王勇.肢體協(xié)調(diào)運動康復(fù)機器人的機構(gòu)設(shè)計與實驗.自動化學(xué)報,2016,42(12): 1808?1818

Jiang Li-Jie,Chen Jin,Wang Liang-Yi,Hou Yan-Xu,Wang Yong.Mechanism design and experiment of rehabilitation training robot for coordinated movement of upper and lower limbs.Acta Automatica Sinica,2016,42(12): 1808?1818

2016-02-26 錄用日期2016-08-23

Manuscript received February 26,2016;accepted August 23, 2016

國家自然科學(xué)基金 (41076061),科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金(11C26213402042)資助

Supported by National Natural Science Foundation of China (41076061),Innovation Fund For Small Technology Based Firms (11C26213402042)

本文責(zé)任編委王啟寧

Recommended by Associate Editor WANG Qi-Ning

1.合肥工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院 合肥 230009 2.安徽省立醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科合肥230001

1.School of Mechanical Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009 2.Department of Rehabilitation Medicine,Anhui Provincial Hospital,Hefei 230001