(安徽食品藥品檢驗(yàn)研究院，安徽合肥230009)

0 引言

腦卒中已成為全球范圍內(nèi)導(dǎo)致死亡的第三大誘因，也是造成永久殘障的主要因素[1-2]?？祻?fù)治療是降低患者致殘率和提高生活質(zhì)量的主要途徑，然而有效的康復(fù)治療是一個(gè)長期、強(qiáng)烈、頻繁的過程[3-5]。傳統(tǒng)治療師與患者“一對(duì)一”的康復(fù)治療方式存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)用高、效率低、治療效果難以客觀評(píng)價(jià)等不足[6]，借助康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行治療成為解決這些問題的有效措施[7]。因此，康復(fù)機(jī)器人的研究目前已成為國內(nèi)外機(jī)器人和康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)[8-9]。已有很多學(xué)者對(duì)康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行了深入研究并取得了一定成果，但目前康復(fù)機(jī)器人的研究主要聚焦于上肢、下肢或某一關(guān)節(jié)康復(fù)領(lǐng)域[10-11]。

2004年，Helen J.Huang等[12]對(duì)人類上下肢神經(jīng)耦合系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，人體上下肢的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)相互作用，相互影響，上肢的積極康復(fù)運(yùn)動(dòng)有利于下肢失能者下肢運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)[13-15]。因此，從康復(fù)醫(yī)學(xué)的角度來看，上下肢協(xié)同運(yùn)動(dòng)或四肢協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練在偏癱患者的康復(fù)過程中是極其重要的，研發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)四肢聯(lián)動(dòng)的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備對(duì)偏癱患者的康復(fù)治療具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。故研制一種能夠適用于早、中、晚不同康復(fù)期的偏癱患者，主被動(dòng)相結(jié)合的肢體協(xié)同訓(xùn)練康復(fù)機(jī)器人是一項(xiàng)具有一定現(xiàn)實(shí)意義和研究深度的課題。

本文基于坐姿上下肢康復(fù)訓(xùn)練軌跡實(shí)驗(yàn)探索結(jié)果，確定簡(jiǎn)單可靠、桿件尺寸可變的康復(fù)機(jī)器人方案，然后利用MATLAB軟件對(duì)康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與仿真，并制作樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 坐姿康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人方案

1.1 人體下肢模型建立與坐姿訓(xùn)練規(guī)律探索

圖1 人體下肢的剛體模型

根據(jù)人體生理解剖可知[16-17]，下肢骨的長度和形狀在運(yùn)動(dòng)過程中保持不變，可將下肢骨簡(jiǎn)化為剛體，關(guān)節(jié)簡(jiǎn)化為剛性的機(jī)械鉸。因此，下肢可看作由髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)將大腿、小腿和足連接起來的開式運(yùn)動(dòng)鏈。如圖1。

肢體失能者在康復(fù)初期，由于重力等作用難以獨(dú)立依靠自身肌肉力量進(jìn)行肢體運(yùn)動(dòng)，因此需要進(jìn)行減重被動(dòng)訓(xùn)練；在康復(fù)中期患者具有一定的肌力，但仍難以進(jìn)行獨(dú)立活動(dòng)，因此，康復(fù)機(jī)器人也需要進(jìn)行減重訓(xùn)練。本文擬采用患者坐姿狀態(tài)來進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練試驗(yàn)準(zhǔn)備。

圖2為選取某一身高175 cm的男同學(xué)訓(xùn)練過程截圖處理所得到的上下肢主要關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡圖。

圖2 試驗(yàn)得到的軌跡

通過對(duì)圖2分析可知，試驗(yàn)者的踝、腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡趨勢(shì)大致形狀為圖上所示的不同傾角類橢圓狀。不同身高患者依舊存在空間上的差異，故需要設(shè)計(jì)一種可滿足不同身高使用者的可調(diào)節(jié)訓(xùn)練器械。

1.2 坐姿康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人方案確定

通過上述試驗(yàn)與分析，可知康復(fù)機(jī)器人需要滿足：

1)在坐姿狀態(tài)下，患者的上下肢訓(xùn)練時(shí)需要與正常步態(tài)行走時(shí)的同步及異步協(xié)調(diào)規(guī)律相一致；

2)坐姿訓(xùn)練時(shí)，人體踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡呈類橢圓狀，而腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡呈圓弧狀擺動(dòng)；

3)人體肢體關(guān)節(jié)活動(dòng)度均需要滿足人體正?；顒?dòng)時(shí)的關(guān)節(jié)活動(dòng)度的活動(dòng)范圍。

為了滿足上述條件，設(shè)計(jì)一種具有簡(jiǎn)單、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、安全等優(yōu)點(diǎn)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)來滿足所需訓(xùn)練軌跡要求。

因?yàn)槠矫孢B桿機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)副單位面積壓力較小、經(jīng)濟(jì)、易于加工制造和保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)。故文章機(jī)器人的訓(xùn)練機(jī)構(gòu)選擇為平面連桿機(jī)構(gòu)，并且機(jī)器人的左右兩側(cè)帶動(dòng)兩側(cè)肢體協(xié)調(diào)康復(fù)訓(xùn)練安裝此機(jī)構(gòu)，兩側(cè)肢體的同異步康復(fù)訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)可通過設(shè)置康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)曲柄的初始相位差達(dá)到。

圖3 四桿機(jī)構(gòu)模型

因此上下肢運(yùn)動(dòng)時(shí)存在一定的協(xié)調(diào)關(guān)系。在本文中，先設(shè)計(jì)一種能夠產(chǎn)生類橢圓的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)。根據(jù)連桿相關(guān)原理及查閱相關(guān)參考書可知，在平面鉸四桿機(jī)構(gòu)ABCD中，選取如圖3所示AB為曲柄、AD為機(jī)架的四桿機(jī)構(gòu)，桿長滿足AB∶BC∶CD∶DA=1∶3∶3.5∶3要求時(shí)，連桿上的N點(diǎn)則輸出類橢圓狀軌跡。在此桿長下，在BC連桿上選取不同點(diǎn)，則輸出不同的類橢圓，這種類橢圓形狀與試驗(yàn)得到的踝關(guān)節(jié)形狀類似，因此能夠滿足設(shè)計(jì)要求?；颊叩牟煌砀撸瑢?duì)所需訓(xùn)練軌跡的位置和幅度也不同，因此存在差異。固定桿長的四桿機(jī)構(gòu)雖能實(shí)現(xiàn)類橢圓軌跡，但運(yùn)動(dòng)軌跡也是固定的，只能適應(yīng)某一身高、腿長的使用患者，不具有普用性，缺乏個(gè)體差異性。而本文所設(shè)計(jì)的康復(fù)機(jī)器人滿足150 cm～185 cm身高使用者，因此，固定桿長的四桿機(jī)構(gòu)難以滿足患者的要求。

圖4 五桿變胞機(jī)構(gòu)設(shè)置方案

本文在四桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，添加一個(gè)自由度，組成一種五桿變胞機(jī)構(gòu)。根據(jù)平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式，五桿機(jī)構(gòu)的自由度為2，如圖4，將此機(jī)構(gòu)在矢狀面內(nèi)對(duì)稱布置在座椅兩側(cè)。該機(jī)構(gòu)能夠通過設(shè)置不同的參數(shù)在一定運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)任意軌跡；另外該機(jī)構(gòu)不僅剛性好，運(yùn)動(dòng)誤差小，柔順性好，同時(shí)滿足康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性要求。通過調(diào)整輔助桿MN與水平夾角可以得到不同類橢圓狀軌跡，符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。

在對(duì)上肢進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，要求腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓弧狀，同時(shí)要求上、下肢進(jìn)行規(guī)律的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，故該機(jī)器人訓(xùn)練機(jī)構(gòu)要求能夠?qū)崿F(xiàn)患者上下肢的聯(lián)動(dòng)。在四桿機(jī)構(gòu)中，曲柄連桿的搖桿運(yùn)動(dòng)軌跡是圓弧狀的。如果在下肢五桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上再添加一套實(shí)現(xiàn)上下肢協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)作為上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)，無論是機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)，還是安全性和經(jīng)濟(jì)性，都大大增加了該康復(fù)機(jī)器人本身及操作的復(fù)雜性，而且成本顯著提高，不利于康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的推廣。因此，本文基于下肢五桿變動(dòng)機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)，提出了增加一種具有零自由度的II級(jí)桿組作為上肢訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，如圖5。該設(shè)計(jì)方案不僅機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制，且安全性、經(jīng)濟(jì)性好。

圖5 康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)方案圖

1.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

圖6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

本機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)任意軌跡的運(yùn)動(dòng)，主要為橢圓軌跡，即模擬人的真實(shí)步態(tài)，完成各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)幅度要求。在運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，可根據(jù)不同人身體尺寸以及康復(fù)需要精準(zhǔn)調(diào)節(jié)軌跡。

方案如圖6，為五桿機(jī)構(gòu)加擺動(dòng)機(jī)構(gòu)。擺動(dòng)機(jī)構(gòu)使上肢各個(gè)關(guān)節(jié)在手部擺動(dòng)的作用下進(jìn)行相應(yīng)的鍛煉，上肢鍛煉也為桿件，體積較小也便于裝配。

1.2.2 機(jī)構(gòu)參數(shù)的確定

本文采用解析法對(duì)康復(fù)機(jī)構(gòu)的尺寸進(jìn)行計(jì)算。為避免偏癱患者康復(fù)過程中形成異常步態(tài)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡須與正常步態(tài)下踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡相一致。本文選擇身高180 cm患者步態(tài)軌跡作為實(shí)現(xiàn)最大步態(tài)邊界條件，采用再現(xiàn)軌跡優(yōu)化算法計(jì)算訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的尺寸。

圖7 康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，建立坐標(biāo)系如圖7所示，某時(shí)刻腳踏M點(diǎn)坐標(biāo)(xm，ym)，并聯(lián)機(jī)構(gòu)ABCDE的各桿件長為l1、l2、l3、l4、l5，曲柄軸心A點(diǎn)坐標(biāo)(0，0)，設(shè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為正，曲柄轉(zhuǎn)角θ1、機(jī)架安裝傾角θ0、連桿傾角α、調(diào)整桿旋轉(zhuǎn)角度θ4。將具有零自由度的II級(jí)上肢桿組拆去，假設(shè)調(diào)整桿l4長度為零，則五桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為四桿機(jī)構(gòu)(圖8)。

圖8 機(jī)器人主四桿機(jī)構(gòu)示意圖

在圖8的坐標(biāo)系中，可知：

(1)

為了使連桿上的軌跡點(diǎn)能夠適應(yīng)訓(xùn)練軌跡的要求，設(shè)連桿曲線上的第i個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)M(Mxi，Myi)與給定曲線上的第i點(diǎn)(xi，yi)的差值之和最小，則設(shè)計(jì)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)為：

(2)

以f(x)最小值為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，使用Matlab計(jì)算軟件中的懲罰函數(shù)法對(duì)桿件尺寸進(jìn)行優(yōu)化求解。

由桿長條件可知，約束條件為：

1)桿長需要均為非負(fù)數(shù)，即：

g1(x)：min[l1，l2，l3，l5，l6]≥0

2)根據(jù)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的桿長要求：

g2(x)：l1

(3)

g3(x)：l1+2max[l2，l3，l5]

(4)

3) 為了保證機(jī)構(gòu)良好的傳動(dòng)性，選取最大壓力角為30°，即：

(5)

選擇175 cm身高的試驗(yàn)者訓(xùn)練軌跡作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行尺寸優(yōu)化，利用Matlab軟件中的Fmincon函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，其結(jié)果如下：

圖9 七桿機(jī)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)的 三維模型圖

l1=85 mm，l2=315 mm，l3=300 mm，l4=350 mm，l5=240 mm，l6=200 mm，α=0°

當(dāng)肢體參數(shù)確定后，利用三維造型軟件PRO/E對(duì)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，其模型圖如圖9。

2 樣機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

圖10 康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人樣機(jī)

本機(jī)器人基于坐姿訓(xùn)練方式，主要由機(jī)器人本體機(jī)架、軟椅面、可調(diào)整角度靠面、上下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)、可調(diào)整腳踏、人機(jī)交互系統(tǒng)、腳部和手部輔助系統(tǒng)等組成，樣機(jī)如圖10所示。軟椅面與變形滑塊連接，機(jī)架上設(shè)有相應(yīng)的滑動(dòng)導(dǎo)軌，軟椅面允許在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)俯仰角度，相應(yīng)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)對(duì)稱布置在軟椅兩側(cè)。樣機(jī)曲柄由圓盤機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，通過改變曲柄長度來改變康復(fù)訓(xùn)練規(guī)劃訓(xùn)練軌跡。通過改變調(diào)整桿的傾角改變上下肢不同肌肉部位。機(jī)器人的性能參數(shù)如表1所示。

機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)參數(shù)以及系統(tǒng)性能參數(shù)如表1所示，被試者身高范圍是150 cm～185 cm，體重200 kg以下。在實(shí)驗(yàn)開始的準(zhǔn)備階段，根據(jù)上章提到的機(jī)構(gòu)調(diào)整方法調(diào)整康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的具體工作位置，按照合理的科學(xué)訓(xùn)練姿態(tài)開始康復(fù)訓(xùn)練，同時(shí)患者可根據(jù)自身情況調(diào)整合適的訓(xùn)練步長和訓(xùn)練速度。

表1康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能指標(biāo)

2.1 上下肢肢體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)

為了驗(yàn)證康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)能夠順利地實(shí)現(xiàn)患者上下肢的協(xié)調(diào)訓(xùn)練，實(shí)驗(yàn)選用身高為170 cm，體重為65 kg的健康男性青年作為被試者，桿與水平面的夾角調(diào)整為30°，實(shí)驗(yàn)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來收集具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，患者完全處于被動(dòng)的康復(fù)訓(xùn)練狀態(tài)，手腕和腳部分別約束于訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的手柄、腳踏處。圖11是整個(gè)訓(xùn)練過程。

圖11 不同時(shí)刻的康復(fù)訓(xùn)練

整個(gè)訓(xùn)練過程是連續(xù)、平穩(wěn)的，被試者感覺非常舒適。由圖11可以看出被試者在左右腿交替擺動(dòng)的同時(shí)，上下肢也一起進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，這驗(yàn)證了上述坐姿康復(fù)機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)患者的上下肢協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。

從圖12中，可以看出在被動(dòng)訓(xùn)練模式下試驗(yàn)者在6 r/min速度下的平均肩、膝關(guān)節(jié)角度變化規(guī)律；圖13為主動(dòng)訓(xùn)練模式下，試驗(yàn)者在阻力4級(jí)下，左右腳足底壓力的變化規(guī)律。圖14為主動(dòng)訓(xùn)練模式下，試驗(yàn)者在阻力1、4、9、12、18、20級(jí)下，右側(cè)足底壓力的變化規(guī)律。

圖12 被動(dòng)模式膝、肩關(guān)節(jié)活動(dòng)度

圖13 主動(dòng)訓(xùn)練模式雙足足底壓力

圖14 不同主動(dòng)阻力訓(xùn)練右側(cè)足底壓力變化

整個(gè)訓(xùn)練過程運(yùn)行連續(xù)、柔順。在主動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)者的需要，調(diào)節(jié)伺服電機(jī)輸出不同的阻力，受試者克服阻力運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)過程中肢體可連續(xù)實(shí)現(xiàn)上下肢體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，鍛煉相應(yīng)的肌力。從圖12、13、14中的相應(yīng)曲線可知，在主動(dòng)訓(xùn)練狀態(tài)下，平均肩、膝關(guān)節(jié)角度變化也表現(xiàn)為周期性協(xié)調(diào)變化規(guī)律，曲線為正弦函數(shù)曲線，平均足底壓力運(yùn)動(dòng)曲線呈現(xiàn)周期性規(guī)律波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了肩、膝關(guān)節(jié)和足底壓力周期性協(xié)調(diào)變化符合上述的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2.2 不同規(guī)劃步長訓(xùn)練功能實(shí)驗(yàn)

在腳踏點(diǎn)位置、手柄位置點(diǎn)放置記號(hào)筆，并在側(cè)面附一張坐標(biāo)紙，以測(cè)量實(shí)驗(yàn)過程中機(jī)構(gòu)末端實(shí)際的運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)康復(fù)機(jī)器人運(yùn)行后，筆就會(huì)在坐標(biāo)紙上繪出機(jī)構(gòu)末端軌跡(圖15)。從圖15可看出，機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)行軌跡呈類橢圓狀，且運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)與行走時(shí)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)類似，接近踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖15 實(shí)際運(yùn)行軌跡

在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程中，通過改變曲柄位置，以及調(diào)整桿與水平面的夾角，最終可得到機(jī)構(gòu)腳踏點(diǎn)的運(yùn)行軌跡，實(shí)驗(yàn)過程如下。

1)30 cm規(guī)劃軌跡

將康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的曲柄長度設(shè)置為75 mm，調(diào)整桿傾斜角設(shè)置為60°。在被動(dòng)訓(xùn)練模式下運(yùn)行康復(fù)機(jī)器人，如圖16。

圖16 幅度為30 cm的實(shí)驗(yàn)

2)40 cm規(guī)劃軌跡

將康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的曲柄長度設(shè)置為85 mm，調(diào)整桿傾斜角設(shè)置為30°。如圖17。

圖17 幅度為40 cm實(shí)驗(yàn)

3)50 cm規(guī)劃軌跡

將康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的曲柄長度設(shè)置為95 mm，調(diào)整桿傾斜角設(shè)置為20°。如圖18。

圖18 幅度為500 mm的實(shí)驗(yàn)

由于加工制造等原因與仿真規(guī)劃步長存在微小的誤差，實(shí)驗(yàn)得出的實(shí)際軌跡分別為291 mm，401 mm，492 mm。實(shí)驗(yàn)較好地證明了上述康復(fù)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)規(guī)劃步長的訓(xùn)練要求。

3 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)上下肢協(xié)調(diào)訓(xùn)練的康復(fù)機(jī)器人，能夠?yàn)榛颊咛峁┲鞅粍?dòng)康復(fù)訓(xùn)練。同時(shí)該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、使用方便的優(yōu)點(diǎn)；

2)為探索下肢的康復(fù)訓(xùn)練軌跡規(guī)律，對(duì)人體下肢進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立人機(jī)模型，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，為康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案提供了理論基礎(chǔ)；

3)采用解析法對(duì)康復(fù)機(jī)構(gòu)的尺寸進(jìn)行計(jì)算，對(duì)桿件尺寸進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算后確定各桿件尺寸參數(shù)。為樣機(jī)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

4)基于本文樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明該機(jī)器人能夠針對(duì)不同患者實(shí)現(xiàn)上下肢協(xié)調(diào)康復(fù)訓(xùn)練，能夠滿足患者的康復(fù)需求。