朱德海

【摘? 要】康復機器人現(xiàn)在發(fā)展的還是比較成熟的，但大都是下肢的康復，比如輔助行走、膝關節(jié)的往復擺動及髖部分的三自由度康復設備;但對于上肢，還是比較稀缺的?，F(xiàn)在很多高校都有上肢部分的試驗機，但總的來說，沒有臨床試驗經(jīng)驗，并且，上肢結(jié)構(gòu)復雜，功能性shoulder gridle錯綜連接，并且人的運動角度與支持骨結(jié)構(gòu)及肌肉連接比例復雜，所以，上面的康復設備（試驗機）都沒有全部滿足上肢康復的要求。

【關鍵詞】康復;試驗機;機器人;

Abstract：Rehabilitation robots are still relatively mature，but most of them are lower limb rehabilitation，such as assisted walking，reciprocating swing of knee joint and three-degree-of-freedom rehabilitation equipment of hip part.But upper limbs are scarce.Now a lot of colleges and universities have upper part of the machine，but on the whole，has no experience in clinical trials，and the upper extremity structure is complex，functional shoulder gridle intricate connection，and Angle of motion and support bone structure and muscle connection proportion is complex，so the above rehabilitation equipment（machine）are not all meet the requirements of upper limb rehabilitation.

Key words：rehabilitation，testing machine，robot;

1 設計背景

隨著社會的發(fā)展，人們越來越關注生活的質(zhì)量。人們向往自由，渴望“走出去”。但是，對于很多身患半癱的病人來說，在自己不能自理的情況下，還需要一個人專門就那些照料，就像關在牢籠里的鳥兒，失去了本該有的天空。很多脊椎受損的病人，由于得不到鍛煉，造成終身癱瘓，這樣一來，對后面陪護人員的要求又增加了挑戰(zhàn)。“用進廢退”一詞在人類進化史體現(xiàn)的淋漓盡致。

對肩部解剖學運動分析后，本人設計了一款專門針對上肢脊柱受損后可修復病人的一款康復機器人：采用五自由度的關節(jié)機構(gòu)，分別補償人肩部關節(jié)的三個自由運動及人肩部肌腱的兩個自由運動——采用人體外骨科可穿戴設計，機構(gòu)運動簡圖如下圖所示，其中，J1固連機架，做上下運動，從而使整個機構(gòu)做上下運動;最后的輸出關節(jié)為J5，付連于人肱骨位置，通過其余關節(jié)結(jié)構(gòu)的連接實現(xiàn)肩部五個自由度的運動。右圖是機構(gòu)運動示意圖。

對于目前已經(jīng)完成的運動系統(tǒng)的三維設計機構(gòu)，由于運動十分復雜，除了要考慮靜態(tài)時的連接特性外，還需要考慮在運動時，某一關節(jié)在在外加條件激勵（如J5運動時，肱骨的一個單自由度運動會給J5關節(jié)一個瞬時激勵）時整個機械臂的動態(tài)特性。這在設計時除了在保證強度、使用條件和最緊湊結(jié)構(gòu)的基礎上也要考慮的地方。往往采用有限元分析就可以做到。

針對康復機器人在實際工作中會因受激勵振動而影響工作性能，對康復機器人進行諧響應分析，并根據(jù)分析情況對康復機器人進行結(jié)構(gòu)改進。此過程中運用proe參數(shù)化建模，與Workbench 17.0協(xié)助，共同保證康復機器人的強度、剛度，確定固有頻率（當然，一旦確定好質(zhì)量及材料，固有頻率就已經(jīng)確定了）。通過選取最佳優(yōu)化參數(shù)作為優(yōu)化方案，從而提高機械臂的整體工作性能。確保設計的結(jié)構(gòu)能夠承受住不同頻率的各種正弦載荷，避免共振發(fā)生。

2 康復機器人的模型建立

2.1 康復機器人關節(jié)臂的建模

運用proe，對整個康復機器人進行三維建模，整個機構(gòu)如下圖所示：J1關節(jié)負責控制整個機構(gòu)做上下運動，與機架連接，為整個機構(gòu)的第一輸入關節(jié)，在實際運動中，以垂直于屏幕的方向旋轉(zhuǎn)，通過齒條機構(gòu)換向做上下的運動;J2連接J1與J3，采用平行四邊形機構(gòu)，在單自由度運動的情況下，控制整個機構(gòu)做沿圓弧軌跡擺動，圓弧的擺動半徑為J3外殼中點至J2電機輸出軸所在軸線的垂直距離。對于J345關節(jié)，擬合與人體肩部的運動解剖狀態(tài)，其交點為肩關節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心。最后的輸出是J5輸出臂與人上肢通過CUFF相連，以后所有的康復動作都是通過此鏈接來實現(xiàn)。在本次模態(tài)分析中，主要分析前臂做外張和內(nèi)收動作時，控制相關運動的關節(jié)的活動情況及整個機構(gòu)相應的模態(tài)分析

2.2 機械臂有限元的模型的建立

由于整個機構(gòu)是個復雜、多自由度機構(gòu)，可實現(xiàn)五自由度運動，但在實際中，可能為五自由度同時運動，本次分析康復機構(gòu)的振動及固有特性，所以，所取模型為上肢在外展時的姿態(tài)。在此基礎上做模態(tài)分析。

如靜力分析一樣，在有限元分析過程中為了節(jié)省計算量，需要對模型進行簡化，本次簡化照片中，只對原螺釘進行簡化，簡化方式是采用銷軸代替，去掉螺母，以減少較小的面;把諧波減速簡化為一個實體，并將驅(qū)動電機的較小的面去除掉，比如，導線截斷面的的去除。將諧波減速器、電機設置成不銹鋼，按照密度、體積計算，其質(zhì)量接近現(xiàn)實質(zhì)量。將簡化后的機械臂模型導入workbench17.0中，設置材料屬性，機械臂的各臂體制作材料都選用高性能7075鋁合金，7075 鋁合金的彈性模量E為71.7 GPa，材料密度ρ為2810kg/m3，泊松比u為0.33.不銹鋼的彈性模量E為191GPa，密度ρ為7900kg/m3，泊松比u為0.3。

在細化網(wǎng)格時，將螺釘處，關節(jié)鏈接處進行網(wǎng)格細化及加密處理，細化處網(wǎng)格大小為3mm，普通網(wǎng)格為7mm，共劃分為734327個節(jié)點，413013個四面體單元，網(wǎng)格質(zhì)量0.668，質(zhì)量滿足本次分子目的。

3 機械臂的諧響應分析

3.1 響應分析理論

由于整個機構(gòu)是安裝在固定支架上，后續(xù)準備采用椅子，用來在其上面進行裝配。所以，整個機構(gòu)可以看做一個多自由度的系統(tǒng)，在原則上具有無限多個自由度。在末端及支架處加負載，滿足諧響應通用方程：

上式中，[K]是設備的剛度矩陣，[M]是質(zhì)量矩陣，[C]是阻尼矩陣，{F}是機器在負載時所受到的激勵力矩陣;U以及U的一階及二階倒數(shù)，分別是速度矢量、加速度矢量及位移矢量。

在本次分析中，在負載定的情況下，負載隨著關節(jié)的運動角度，整個質(zhì)量矢量會發(fā)生變化，載荷做周期性的簡諧變化，其頻率為末端執(zhí)行時，人的康復運轉(zhuǎn)頻率，一人而定，一般，經(jīng)減速器后，最理想為50r/min，本次分析時，設為，那么負載的力矢量{F}和變形量（振幅）{x}滿足以下關系：

4 模態(tài)分析

4.1 相應分析理論

由于整個康復機構(gòu)安裝在固定椅子上，可認為該分析模型是一個完成的連續(xù)關節(jié)康復機構(gòu)體，所以，對此機構(gòu)增加固定支撐，用來模擬實際工況的模態(tài)。

5 結(jié)果

本次分析的是康復醫(yī)療機器人的模態(tài)分析，從分析結(jié)果看各關節(jié)的能量主要集中在前幾階模態(tài)中，葉片的振型形式是上下擺動為主，機構(gòu)最大變形在第二關節(jié)平四邊形處，機構(gòu)最小頻率為第一階固有頻率0.0063HZ，接近于0。本次設計的康復機構(gòu)，采用被動式康復：患者根據(jù)機構(gòu)本身的運動康復頻率進行從動運動，應避免上述十階固有頻率;考慮到本文所選取的電機及減速器，應著重避免前4階自然頻率。

參考文獻：

[1]李有堂.機械系統(tǒng)動力學[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010

[2]聞邦春，李以龍，張義民，宋站偉.振動利用工程[M].北京：科學出版社，2009

[3]聞邦春，劉樹英，陳照波，李鶴.機械振動理論及應用[M]. 北京：高等教育出版社，2009

[4]屈維德，唐恒齡.機械振動手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000

[5]聞邦春，劉樹英，何勍.振動機械的理論與動態(tài)設計方法[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001

[6]朱位秋.隨機振動[M].北京：科學出版社，1998

[7]Kelly S G著.機械振動[M].賈啟芬，劉習軍譯.北京：科學出版社，2002

[8]邵忍平.機械系統(tǒng)動力學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005