黃錦婷，苑明海，王 松，王海東，李旭忠(河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

0 引 言

目前，由于人口老齡化、各種疾病和意外事故等因素造成肢體運(yùn)動(dòng)障礙或殘疾的患者日益增多[1-2]，單憑人工的照看是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此研制出一種能夠代替人工照看殘疾人、老年人的機(jī)器成為了迫切的需要[3]。下肢康復(fù)機(jī)器人能夠把患者和機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置巧妙的結(jié)合，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)患肢一起動(dòng)作，使得患者肌肉或關(guān)節(jié)得到鍛煉以逐漸恢復(fù)正常活動(dòng)，使人體肌肉組織運(yùn)動(dòng)功能在運(yùn)動(dòng)下得到鍛煉以趨于正常[4]。

機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用在康復(fù)醫(yī)學(xué)方面得到迅速的發(fā)展，在歐美等西方國(guó)家，康復(fù)機(jī)器人在市場(chǎng)上的占有率逐年增長(zhǎng)[5]，美國(guó)、英國(guó)、加拿大等國(guó)在康復(fù)機(jī)器人研究方面處于世界領(lǐng)先地位[6]。國(guó)內(nèi)，史小華等[7]對(duì)早期腦卒中引起的偏癱患者的下肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)合運(yùn)動(dòng)療法能明顯提高患者的下肢運(yùn)動(dòng)功能[8-9]；TETSSUYA MOURI等[10]研究了下肢康復(fù)機(jī)器人對(duì)下肢偏癱患者痙攣的康復(fù)治療效果，結(jié)論說明下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)合運(yùn)動(dòng)療法對(duì)患者下肢痙攣有顯著的改善作用；此外國(guó)家康復(fù)輔具研究中心探討了康復(fù)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的作用和意義,根據(jù)國(guó)內(nèi)外康復(fù)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀和研究成果對(duì)未來(lái)康復(fù)機(jī)器人發(fā)展做出展望[11-12]。

本研究主要著力于可穿戴式下肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，分析下肢髖、膝、踝3個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡以及大、小腿桿件模型的靜應(yīng)力，從而對(duì)康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性作出判斷。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)患者下肢的康復(fù)需求，下肢康復(fù)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 可穿戴式下肢康復(fù)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖1—腰部結(jié)構(gòu)；2—髖關(guān)節(jié)；3—大腿桿件；4—?dú)飧祝?—膝關(guān)節(jié)；6—鉸鏈支座；7—小腿桿件；8—踝關(guān)節(jié)；9—足部支撐板

從空間中由下往上依次是足掌支撐部分，足部踝關(guān)節(jié)、小腿桿件模型，膝關(guān)節(jié)，大腿桿件模型，髖關(guān)節(jié)，腰帶部分，頂部減重裝置，其中驅(qū)動(dòng)元件設(shè)計(jì)的氣壓傳動(dòng)。

該下肢康復(fù)機(jī)器人在底部步行帶上設(shè)置壓力傳感器，可以感知足部對(duì)步行帶的壓力，然后反饋到頂部的減重裝置。當(dāng)足部對(duì)步行帶壓力過大，則使氣缸帶動(dòng)的繃帶拉緊以減小足部受力；當(dāng)足部對(duì)步行帶壓力過小，則適當(dāng)減小減重裝置對(duì)人體的拉力。筆者利用反饋系統(tǒng)調(diào)節(jié)頂端減重裝置對(duì)人體自重的減少量以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)障礙患者進(jìn)行主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的自動(dòng)化。

2 下肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)分析

以正常青年人為參考，平均體重60 kg，平均身高170.89 cm。

該康復(fù)機(jī)器人主要涉及的人體參數(shù)如表1所示。

表1 正常人行走時(shí)相關(guān)參數(shù)

患者在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，康復(fù)機(jī)器人的下肢關(guān)節(jié)與人體下肢固連，帶動(dòng)患者下肢一起實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)，所以機(jī)器人各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過的角度由正常青年在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)關(guān)節(jié)角度范圍而定。

正常人行走時(shí)各關(guān)節(jié)的角度變化如表2所示。

表2 正常人行走時(shí)各關(guān)節(jié)的角度變化/(°)

為了簡(jiǎn)化人體關(guān)節(jié)四桿機(jī)構(gòu)模型[13]，本次設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)點(diǎn)均采用單個(gè)鉸鏈支座代替，其所連接的上下桿件均可繞著關(guān)節(jié)在同一豎直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

2.1 踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)分析

踝關(guān)節(jié)模型示意圖如圖2所示。

圖2 踝關(guān)節(jié)模型示意圖L—踝關(guān)節(jié)氣壓缸所在的桿件位置

經(jīng)過計(jì)算設(shè)計(jì)出桿件L1、L2、L3的長(zhǎng)度和桿件間的角度，即：L1=368 mm，L2=82.4 mm，L3=236 mm，α=60°，β=60°，θ=30°。

根據(jù)圖2中已知的幾何關(guān)系得出氣缸的行程公式。

氣缸在踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)到最上端時(shí)，有最長(zhǎng)距離：

(1)

氣缸在最近端時(shí)的兩端絞支座最短距離為：

(2)

由以上兩式可以得出踝關(guān)節(jié)處氣壓缸的行程為：

H=L-L′

(3)

代入數(shù)據(jù)，計(jì)算可得：H=465.23-248.23=217 mm。

2.2 膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)分析

膝關(guān)節(jié)模型示意圖如圖3所示。

圖3 膝關(guān)節(jié)模型示意圖

根據(jù)分析可知，與膝關(guān)節(jié)相連接的兩根桿件相對(duì)轉(zhuǎn)過的角度為0°～70°，圖3中所示即為膝關(guān)節(jié)所處的兩個(gè)極限位置，計(jì)算得到氣壓缸活塞的行程。

正常人筆直站立時(shí)，大腿所在位置的氣壓缸活塞到達(dá)最遠(yuǎn)端；而膝關(guān)節(jié)彎曲時(shí)，氣缸活塞到達(dá)最近端。經(jīng)過計(jì)算設(shè)計(jì)出桿件的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1=128.5 mm，L2=120 mm，L3=418 mm，桿件間的角度為α=70°～144.38°，β=37.38°，則氣缸兩端鉸鏈支座的最遠(yuǎn)距離和最近距離分別為：L=426.4 mm,U=293.6 mm。所以驅(qū)動(dòng)膝關(guān)節(jié)處連接的桿件旋轉(zhuǎn)的氣壓缸行程為：H=L-U=426.4-293.6=132.8 mm。

2.3 髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)分析

髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模型示意圖如圖4所示。

圖4 髖關(guān)節(jié)模型示意圖L1—髖關(guān)節(jié)中心到氣壓缸上端活塞缸支座中心的距離；L2—?dú)鈮焊谆钊麠U所連接的支座高度；L3—大腿部分的長(zhǎng)度

從前面表格中可知：大腿擺動(dòng)的角度范圍為-30°～45°，其中，L和L′分別是髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)到這兩個(gè)極限位置時(shí)，驅(qū)動(dòng)大腿擺動(dòng)的氣壓缸的最長(zhǎng)與最短距離。經(jīng)過計(jì)算得出桿件的長(zhǎng)度分別為：L1=106.47 mm，L2=73.31 mm，L3=310.22 mm，桿件間的角度為α=-30°～45°，β=1 119.75°。

通過上述公式計(jì)算可得：L=402.67 mm，L′=283.74 mm。因此，驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)的氣壓缸行程為：H=L-L′=402.67-283.74 mm。

3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

該下肢康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是模擬正常人。正常人在中速情況下行走，一個(gè)步態(tài)周期所用的平均時(shí)間是1.16 s，分解一個(gè)步態(tài)周期是把1個(gè)周期分成7個(gè)階段，初始時(shí)刻是下肢兩側(cè)均處于豎直站立的狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)將其定義為零時(shí)刻，接著分別進(jìn)入支撐階段和擺動(dòng)階段，支撐階段的初期、中期、后期分別占據(jù)整個(gè)步態(tài)周期的10%、25%、10%，擺動(dòng)階段的初期、中期、末期所占比例分別為20%、15%、15%，再加上從初始狀態(tài)過渡到第一個(gè)狀態(tài)這段時(shí)間，定義為Δ01，這段時(shí)間段所占比例為5%，以此劃分整個(gè)步態(tài)周期。

劃分好時(shí)間階段后，測(cè)量各個(gè)時(shí)間狀態(tài)下支座之間的距離。本次測(cè)量主要是3個(gè)氣缸在不同狀態(tài)下的長(zhǎng)度，即氣缸缸筒一端的鉸支座中心與活塞桿一端的支座中心之間的距離。兩個(gè)相鄰時(shí)刻下對(duì)應(yīng)測(cè)出的兩個(gè)位移之間的差值即為這個(gè)時(shí)間段活塞的位移。

考慮到一個(gè)步態(tài)周期的時(shí)間太短(1.16 s)，這對(duì)仿真時(shí)觀察運(yùn)動(dòng)帶來(lái)不便，所以將步態(tài)周期延長(zhǎng)到10 s。

將步態(tài)周期各個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)測(cè)量的距離列表，結(jié)果如表3所示。

表3 氣缸兩端支座中心之間隨著各個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)測(cè)量的距離/mm

將時(shí)間延長(zhǎng)為10 s后的步態(tài)周期內(nèi)時(shí)間段劃分，結(jié)果如表4所示。

表4 時(shí)間段的劃分

注：表中ΔtiΔti+1(i=0,1……6)表示相鄰兩時(shí)刻之間這一段時(shí)間

氣缸活塞桿在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的位移變化量Δh是指一個(gè)時(shí)間段內(nèi)活塞桿向外伸長(zhǎng)或向內(nèi)縮短的位移量，活塞桿向外伸長(zhǎng)定義為負(fù)值，向內(nèi)縮短定義為正。

具體的位移隨時(shí)間變化值如表5所示。

表5 氣缸活塞在各個(gè)時(shí)間段的行程/mm

3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

本次運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析是將腰部結(jié)構(gòu)視作固定機(jī)架，因此髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡隨時(shí)間變化為一條水平直線，筆者主要研究膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況。

踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡隨時(shí)間變化曲線圖如圖5所示。

圖5 踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡隨時(shí)間變化曲線

觀察曲線走勢(shì)，與正常人行走軌跡大致接近，可實(shí)現(xiàn)恢復(fù)患者運(yùn)動(dòng)機(jī)能的目的。

膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡隨時(shí)間變化曲線圖如圖6所示。

圖6 膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡隨時(shí)間變化曲線

3.3 靜力學(xué)仿真分析

該康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中下肢零部件大腿和小腿這兩個(gè)零件模型在整個(gè)機(jī)構(gòu)中起著關(guān)鍵作用，它們既是承載構(gòu)件又是傳動(dòng)構(gòu)件，尤其是桿件上的支座在承受靜應(yīng)力時(shí)候最容易發(fā)生失效，所以需要對(duì)兩個(gè)腿部桿件進(jìn)行靜應(yīng)力分析。

3.3.1 大腿桿件模型靜力學(xué)分析

大腿桿件模型所受應(yīng)力的情況如圖7所示。

圖7 大腿桿件模型所受應(yīng)力分布圖

圖7中，箭頭表示大腿桿件所受集中力的方向，經(jīng)過有限元仿真后，從等效應(yīng)力云圖中可知是最大應(yīng)力產(chǎn)生位置在鉸鏈支座內(nèi)圓表面上，其應(yīng)力值大小為3.39 MPa，因大腿桿件選擇材料為1060H12型鋁合金，其許用應(yīng)力大小為[σ]=87 MPa，而實(shí)際應(yīng)力的最大值遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力值。因此，大腿桿件模型強(qiáng)度符合要求。

3.3.2 小腿桿件模型靜力學(xué)分析

小腿桿件模型所受應(yīng)力的情況如圖8所示。

圖8 小腿桿件模型所受應(yīng)力分布圖

兩端鉸鏈支座構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)副內(nèi)圓表面上出現(xiàn)最大的應(yīng)力值，最大應(yīng)力為0.74 MPa，同樣，小腿桿件制造時(shí)也采用型號(hào)為1060H12的鋁合金材料，此次靜力學(xué)分析所得的實(shí)際最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于該材料的許用應(yīng)力值，故該模型的設(shè)計(jì)強(qiáng)度合格。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)下肢輕度癱瘓患者鍛煉肌肉的要求，本研究提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的可穿戴式下肢康復(fù)機(jī)器人，將該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)與患者下肢的康復(fù)運(yùn)動(dòng)結(jié)合起來(lái)，建立了人機(jī)一體化模型，并對(duì)該機(jī)器人模型進(jìn)行了仿真分析，得到了髖、膝、踝3個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡以及大、小腿桿件的靜應(yīng)力分布。

仿真結(jié)果證明：該下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有可行性，能夠?qū)颊叩捏y、膝、踝關(guān)節(jié)進(jìn)行有效的康復(fù)訓(xùn)練，達(dá)到鍛煉肌肉的目的。

[1] 胡 進(jìn),侯增廣,陳翼雄,等.下肢康復(fù)機(jī)器人及其交互控制方法[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào),2014,40(11):2377-2390.

[2] 李緯華，孫洪穎.下肢康復(fù)機(jī)器人人機(jī)運(yùn)動(dòng)分析及仿真研究[J].機(jī)電工程技術(shù)，2016，45(8)：24-27.

[3] TAISUKE S, NOBUHIRO U, KANTA A, et al. Rehabilitation robots assisting in walking training for SCI patient[J].IFACProceedingsVolumes,2012,45(18):178-183.

[4] HADI K, SAHAR M, ALIREZA A. Towards an semg-based tele-operated robot for masticatory rehabilitation[J].ComputersinBiologyandMedicine,2016(75):243-256.

[5] MUSTAFA S A, ISMAIL H A. Fuzzy logic based adaptive admittance control of a redundantly actuated ankle rehabilitation robot[J].ControlEngineeringPractice,2017(59):44-54.

[6] MARCEL M, ONDREJ L. Design of active feedback for rehabilitation robot[J].AppliedMechanicsandMaterials,2014,3354(611):529-535.

[7] 史小華,王洪波,孫 利,等.外骨骼型下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2014,50(3):41-48.

[8] 陳 勇，朱雪萍，李榮華，等.老年人外骨髓機(jī)器人斜坡行走的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J].機(jī)械，2016(1)：36-39，48.

[9] 韓進(jìn)虎，俞經(jīng)虎.食品檢測(cè)咀嚼機(jī)器人靈活性分析與運(yùn)動(dòng)仿真[J].輕工機(jī)械，2016，34(2)：20-24.

[10] TETSUYA M, HARUHISA K, TAKAAKI A, et al. Telerehabilitation for fingers and wrist using a hand rehabilitation support system and robot hand[J].IFACProceedingsVolumes,2009,42(16):603-608.

[11] SHENG Bo, ZHANG Yan-xin, MENG Wei, et al. Bilateral robots for upper-limb stroke rehabilitation: state of the art and future prospects[J].MedicalEngineeringandPhysics,2016,38(7):587-606.

[12] ZHU Ai-bin, HE Sheng-li, HE Da-yong, et al. Conceptual design of customized lower limb exoskeleton rehabilitation robot based on axiomatic design[J].ProcediaCIRP.,2016(53):219-224.

[13] CHU Yan, SHAO Yan, CHEN Liang. Analysis and design of a wearable robot for lower-limb rehabilitation training[J].AppliedMechanicsandMaterials,2012,1511(135):256-260.