張 彥, 王海瑞, 王 勇, 任剛躍

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 智能制造技術(shù)研究院,安徽 合肥 230051)

0 引 言

肢體失能會(huì)給患者家庭和社會(huì)帶來沉重的負(fù)擔(dān)。據(jù)康復(fù)醫(yī)學(xué)研究表明,肢體疾病患者在經(jīng)過手術(shù)與藥物治療后,及時(shí)地進(jìn)行康復(fù)治療是減輕后遺癥、恢復(fù)肢體功能的有效手段[1]?？祻?fù)訓(xùn)練是一個(gè)長(zhǎng)期乃至終身的過程,最終患者要回歸社區(qū)和家庭,因此社區(qū)與家庭成為康復(fù)訓(xùn)練的主戰(zhàn)場(chǎng)。傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練方法不僅需要專人的陪護(hù),而且康復(fù)效率較低。康復(fù)機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)與康復(fù)工程結(jié)合的產(chǎn)物[2],在康復(fù)治療方面具有訓(xùn)練效率高、模式多樣、訓(xùn)練過程量化等優(yōu)勢(shì),它的出現(xiàn)給患者的康復(fù)帶來了曙光。

國(guó)外的康復(fù)機(jī)器人發(fā)展相對(duì)較早,如德國(guó)Reck公司研制的Motomed康復(fù)訓(xùn)練器,可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)、被動(dòng)和阻力多種訓(xùn)練模式[3];瑞士蘇黎世Balgrist大學(xué)研制了一款Lokomat下肢康復(fù)機(jī)器人[4],可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的步態(tài)訓(xùn)練。但是它們價(jià)格昂貴、無法貫穿患者的整個(gè)康復(fù)期。在國(guó)內(nèi),康復(fù)機(jī)器人雖起步較晚,但近年來也取得了迅猛發(fā)展。北京信息科技大學(xué)研發(fā)的康復(fù)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)上、下肢的主被動(dòng)訓(xùn)練[5];東華大學(xué)研發(fā)的氣動(dòng)上肢康復(fù)機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)五自由度的康復(fù)訓(xùn)練[6];山東大學(xué)研發(fā)的多功能康復(fù)式輪椅[7]可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障、站立變形、輔助康復(fù)治療等功能。但是它們都存在訓(xùn)練軌跡單一的問題。

針對(duì)上述問題,本文提出一種適用于家庭和社區(qū)的多位姿康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì),它具有貫穿整個(gè)康復(fù)期、軌跡可規(guī)劃、占地空間小、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。首先對(duì)多位姿康復(fù)機(jī)器人建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,然后借助Matlab對(duì)規(guī)劃的軌跡進(jìn)行仿真,最后通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其軌跡規(guī)劃的可行性和安全性。

1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 多位姿康復(fù)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多位姿康復(fù)機(jī)器人由上肢訓(xùn)練機(jī)構(gòu)、下肢訓(xùn)練機(jī)構(gòu)、位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)以及顯示系統(tǒng)組成。上肢訓(xùn)練機(jī)構(gòu)由混合驅(qū)動(dòng)、4R1P五桿機(jī)構(gòu)和角度控制裝置組成?；旌向?qū)動(dòng)是1個(gè)常速電機(jī)(實(shí)現(xiàn)勻速轉(zhuǎn)動(dòng))和1個(gè)伺服電機(jī)(調(diào)節(jié)滑塊水平運(yùn)動(dòng))組成的動(dòng)力源,具有2個(gè)自由度的4R1P機(jī)構(gòu)能對(duì)上肢規(guī)劃軌跡;角度控制裝置通過調(diào)節(jié)上肢訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的角度來保持與椅背的相對(duì)位置不變,以滿足上肢不同位姿的訓(xùn)練。下肢訓(xùn)練機(jī)構(gòu)由踏車式康復(fù)訓(xùn)練器和二自由度的位置調(diào)節(jié)裝置(可實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)和傾角調(diào)節(jié))組成,兩者配合在矢狀面內(nèi)對(duì)下肢規(guī)劃軌跡。位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)采用電機(jī)調(diào)節(jié)靠背的角度實(shí)現(xiàn)臥、坐、站3種姿態(tài)。顯示系統(tǒng)用以反饋患者信息。整個(gè)機(jī)器人長(zhǎng)1.6 m、寬0.9 m,體積較小?？祻?fù)機(jī)器人模型如圖1所示。

圖1 康復(fù)機(jī)器人模型

1.2 位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)為多功能座椅,如圖2所示。其椅背中部根據(jù)人體背部曲線設(shè)計(jì),增加了患者坐臥時(shí)的舒適感。椅背和椅座銜接處裝有電機(jī),可以調(diào)節(jié)兩者之間的角度來實(shí)現(xiàn)坐姿和臥姿的轉(zhuǎn)換,椅面上的開口設(shè)計(jì)可以輔助患者完成站姿,也增大了下肢活動(dòng)的空間。座椅兩側(cè)設(shè)有可調(diào)扶手,前端設(shè)有扶手桿,增加患者運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和安全性。椅座下端設(shè)置有轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)座椅水平方向90°的轉(zhuǎn)動(dòng),方便患者就近上下;升降機(jī)構(gòu)可以調(diào)節(jié)座椅高度,滿足不同腿長(zhǎng)患者的需求。

圖2 多功能座椅

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

人體左右肢體運(yùn)動(dòng)關(guān)于矢狀面對(duì)稱,在相位上差180°,因此本文只對(duì)右側(cè)進(jìn)行分析研究。

將康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)與人體簡(jiǎn)化為桿件模型,如圖3所示。

圖3 人機(jī)簡(jiǎn)化模型

上肢訓(xùn)練機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為桿件AB、BD、DE以及E處滑塊。人體上臂、前臂分別為HG、GC,其中肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)處分別為H、G、C,人體軀干簡(jiǎn)化為桿HI。

規(guī)定肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)角度用θs、θe表示,軀干與y軸負(fù)方向的夾角設(shè)為θt,上臂、前臂、軀干長(zhǎng)度分別用ls、le、lt表示。

下肢訓(xùn)練機(jī)構(gòu)中,導(dǎo)軌簡(jiǎn)化為桿OP,下蓋板簡(jiǎn)化為滑塊PN,MN為直線推桿,L點(diǎn)為曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)中心,LK為曲柄桿,通過伺服電機(jī)控制θr的角度。人體下肢中,大腿和小腿分別簡(jiǎn)化為IJ、JK,其中髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)處分別為I、J、K。規(guī)定髖關(guān)節(jié)角度為大腿與y軸負(fù)方向的夾角,設(shè)為θh+90°,髖關(guān)節(jié)高度為h1,膝關(guān)節(jié)角度設(shè)為θk。

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)正分析

2.1.1 上肢運(yùn)動(dòng)學(xué)正分析

圖3中上肢機(jī)構(gòu)輸出點(diǎn)C的坐標(biāo)為:

(1)

將(1)式對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)得C點(diǎn)速度:

(2)

建立人體上肢訓(xùn)練矢量方程為:

(3)

將(3)式按歐拉公式展開可得:

(4)

解得:

(5)

其中

A1=-lzsinθz+ltcosθt;

B1=ltsinθt-lzcosθz;

2lzltsinθzcosθt)/(2le);

將(3)式對(duì)t求導(dǎo),解得肩關(guān)節(jié)角速度為:

(6)

將(3)式對(duì)t求導(dǎo),解得肘關(guān)節(jié)角速度為:

(7)

由此分析可知,在人體上軀干HI保持不變時(shí),通過控制θ1、s2的輸入,可規(guī)劃肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的規(guī)律。

2.1.2 下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)正分析

人體單側(cè)下肢與訓(xùn)練機(jī)構(gòu)模型坐標(biāo)系如圖4所示。

圖4 人體單側(cè)下肢與訓(xùn)練機(jī)構(gòu)模型坐標(biāo)系

由圖4可知踝關(guān)節(jié)K點(diǎn)位置為:

(8)

對(duì)K點(diǎn)進(jìn)行求導(dǎo),得K點(diǎn)的速度為:

(9)

由圖4可知膝關(guān)節(jié)J點(diǎn)的位置為:

(10)

對(duì)J點(diǎn)進(jìn)行求導(dǎo)得J點(diǎn)的速度:

(11)

由此可知,當(dāng)選定訓(xùn)練高度h1和曲柄長(zhǎng)度r時(shí),通過控制s1、l6、θr的輸入可以規(guī)劃踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的規(guī)律。

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆分析

2.2.1 上肢運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解分析

上肢運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解是已知五桿4R1P輸出點(diǎn)C的位置、速度參數(shù)求解主動(dòng)桿件AB的角位移θ1、角速度ω1,主動(dòng)滑塊E的位移s2、線速度vE。

由(1)式解得:

(12)

(13)

(14)

s2=xC-l3cosθ3-(l2-l)cosθ2

(15)

其中

A2=-xC,B2=-yC+h1+h2+Δh,

Δl2)2l1-2yCh1-2yCh2-2yCΔh+

2h1h2+2h1Δh+2h2Δh)/(2l1);

A3=-xC,B3=-yC+h1+h2+Δh,

2yCh1-2yCh2-2yCh+2h1h2+

2h1Δh+2h2Δh)/(2Δl)。

由(12)～(15)式可知,θ1、θ2、θ3、s2為xC、yC的函數(shù),可以由輸出參數(shù)xC、yC求解輸入?yún)?shù)θ1、s2。

由(2)式解得:

(16)

(17)

2.2.2 下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解分析

下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)逆分析就是通過輸出K(xK,yK)求解機(jī)構(gòu)輸入?yún)?shù),由圖4解得:

(18)

ΔMPN中θ5是l6的函數(shù),根據(jù)余弦定理解得輸入直線推桿的長(zhǎng)度為:

(19)

由幾何關(guān)系解得絲杠滑塊的行程為:

s1=xK-rcosθr-l5cosθ5

(20)

則有:

(21)

對(duì)于左腿機(jī)構(gòu),保持參數(shù)不變,根據(jù)位置和相位關(guān)系,可求得相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

3 仿真分析

3.1 上肢訓(xùn)練分析

在日常生活中,人進(jìn)行喝水、摸頭、抓取等運(yùn)動(dòng)多為類橢圓[8]軌跡?；谌梭w運(yùn)動(dòng)規(guī)律,本文上肢采用4R1P訓(xùn)練機(jī)構(gòu),規(guī)劃與上肢活動(dòng)相似的類橢圓軌跡。

選擇具有代表性的中國(guó)成年男性第50百分位尺寸為仿真參數(shù),即ls=313 mm、le=283 mm。規(guī)劃了4條軌跡,軌跡1到軌跡4依次為l1=50 mm與s2=0、l1=100 mm與s2=100 mm、l1=150 mm與s2=200 mm、l1=200 mm與s2=300 mm 4組參數(shù),選髖關(guān)節(jié)為坐標(biāo)原點(diǎn)(0,0)進(jìn)行仿真分析。

上肢規(guī)劃訓(xùn)練軌跡如圖5所示。

由圖5可知規(guī)劃的上肢軌跡為類橢圓,且隨著曲柄桿長(zhǎng)度l1和滑塊位移s2的增大,類橢圓軌跡不斷增大并且右移,軌跡的長(zhǎng)度范圍為180.6～475.6 mm,軌跡的高度范圍為282.4～468.7 mm。軌跡的長(zhǎng)度和高度范圍跨度較大,因此使用者應(yīng)根據(jù)自身上肢長(zhǎng)度選擇適合自己的訓(xùn)練軌跡。

圖5 上肢規(guī)劃訓(xùn)練軌跡

上肢關(guān)節(jié)角度變化曲線如圖6所示。由圖6可知,中國(guó)成年男性第50百分位人的肩、肘關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍分別為-9.6°～40.3°、45.0°～145.7°,活動(dòng)度最大值分別為49.9°、100.7°。根據(jù)人體解剖學(xué)和康復(fù)醫(yī)學(xué)給出了肩關(guān)節(jié)的活動(dòng)度為屈曲0°～180°、伸展0°～60°;肘關(guān)節(jié)的活動(dòng)度為屈曲0°～150°、伸展0°[9]。

圖6 上肢關(guān)節(jié)角度變化曲線

因此規(guī)劃軌跡的肩、肘活動(dòng)度均在人體安全運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi),且較適宜患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

對(duì)上肢進(jìn)行單參數(shù)變化分析?；瑝K位移s2單參數(shù)變化時(shí)的規(guī)劃軌跡和上肢關(guān)節(jié)角度變化曲線如圖7、圖8所示;選擇滑塊位移s2分別為0 、100 、200 、300 mm 依次增大的4組參數(shù)進(jìn)行軌跡仿真,得到的仿真數(shù)據(jù)見表1所列。

圖7 滑塊位移s2單參數(shù)變化時(shí)的規(guī)劃軌跡

表1 滑塊位移s2單參數(shù)變化時(shí)仿真運(yùn)動(dòng)參數(shù)

由圖7和表1可知,增大滑塊位移s2,規(guī)劃出的類橢圓軌跡長(zhǎng)度從120.1 mm增大到179.5 mm,高度從166.0 mm減小到98.3 mm, 軌跡由“寬胖”變?yōu)椤凹?xì)長(zhǎng)”,長(zhǎng)軸線沿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),因此使用者可根據(jù)自身情況調(diào)節(jié)合適的滑塊距離。由圖8和表1可知,在增大單參數(shù)s2時(shí),肩關(guān)節(jié)角度從22.2°增加到26.3°,變化明顯；而肘關(guān)節(jié)活動(dòng)度一直保持在53.7°,基本沒有變化。因此,患者可根據(jù)需求在肘關(guān)節(jié)角度不變或變化小的情況下通過調(diào)整滑塊調(diào)節(jié)肩關(guān)節(jié)訓(xùn)練。肩、肘關(guān)節(jié)的活動(dòng)度均在文獻(xiàn)[9]給出的范圍內(nèi),從而驗(yàn)證了在成年男性P50尺寸下,上肢訓(xùn)練機(jī)構(gòu)規(guī)劃的軌跡不會(huì)給患者帶來二次傷害。

3.2 下肢訓(xùn)練分析

失能患者的病情差異以及同一患者康復(fù)治療期不同[1],需要制定一個(gè)完整的康復(fù)過程?；颊咴诳祻?fù)早期大多肌力較弱,無法坐站,在臥或坐姿下可以規(guī)劃簡(jiǎn)單的平動(dòng);在康復(fù)中期,肌力得到一定恢復(fù),身體可以坐立,需為患者規(guī)劃一些較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡,如圓周運(yùn)動(dòng),來進(jìn)一步提高康復(fù)效果;在康復(fù)后期,患者在座椅的輔助下站立,在站或坐姿下可以為患者規(guī)劃與正常步態(tài)相似的橢圓軌跡。坐姿訓(xùn)練在下肢失能患者康復(fù)中應(yīng)用較多,因此下肢軌跡規(guī)劃選擇有代表性的中國(guó)第50百分位成年男性進(jìn)行坐姿仿真。人體軀干角度θt設(shè)置為0°,即軀干與垂直軸平行的直立位置,髖關(guān)節(jié)設(shè)置在垂直軸上,高度h1=700 mm,lh=465 mm,lk=369 mm,在人體下肢安全運(yùn)動(dòng)空間內(nèi)選擇坐標(biāo)點(diǎn)(600,250)為軌跡規(guī)劃中心,規(guī)劃4條軌跡進(jìn)行仿真分析。4條軌跡分別為:

(1) 軌跡1。半長(zhǎng)軸為200 mm、半短軸為100 mm、長(zhǎng)軸與x軸夾角為30°的橢圓封閉軌跡。

(2) 軌跡2。半徑為150 mm圓形封閉運(yùn)動(dòng)軌跡。

(3) 軌跡3。長(zhǎng)軸為200 mm、半短軸為100 mm、長(zhǎng)軸逆時(shí)針傾角為150°橢圓形封閉軌跡。

(4) 軌跡4。一條長(zhǎng)度為400 mm與x軸重合的線段軌跡。

下肢規(guī)劃訓(xùn)練軌跡和下肢關(guān)節(jié)角度變化曲線如圖9、圖10所示。動(dòng)力輸入部件運(yùn)動(dòng)參數(shù)如圖11所示。

由圖9可知,中國(guó)成年男性第50百分位人的踝關(guān)節(jié)水平活動(dòng)范圍為419.7～780.2 mm,高度范圍為117.9～400.0 mm。坐姿下,成年男性P50下肢長(zhǎng)為992.0 mm,小腿加足高為413.0 mm[10])，因此下肢活動(dòng)在安全運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)。

圖9 下肢規(guī)劃訓(xùn)練軌跡

由圖10a可知,膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍在64.1°～162.3°,活動(dòng)度最大值為98.2°;由圖10b可知,髖關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍在67.3°～114.3°,活動(dòng)度最大值為57.0°。因此,膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)均在人體正常下肢活動(dòng)范圍內(nèi)(髖關(guān)節(jié)屈曲0°～125°、伸展0°～30°,膝關(guān)節(jié)屈曲0°～145°、伸展0°)[11]。

圖10 下肢關(guān)節(jié)角度變化規(guī)劃曲線

由圖11可知,滑臺(tái)行程范圍為173.0～467.0 mm(在踝關(guān)節(jié)水平運(yùn)動(dòng)419.7～780.2 mm范圍內(nèi)),高度調(diào)節(jié)架傾角運(yùn)動(dòng)范圍為19.1°～67.7°,符合設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)范圍,整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)沒有突變點(diǎn),符合康復(fù)訓(xùn)練平穩(wěn)性的要求。

圖11 動(dòng)力輸入部件運(yùn)動(dòng)參數(shù)變化曲線

通過上述分析P50尺寸的成年男性可以在矢狀面內(nèi)進(jìn)行下肢軌跡規(guī)劃,且滿足了下肢安全要求和完整康復(fù)期的個(gè)性化訓(xùn)練。

4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證樣機(jī)的可用性和安全性,選取多名志愿者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。設(shè)置上肢訓(xùn)練滑塊位移s2分別為0、200、400 mm;下肢設(shè)置軌跡為半長(zhǎng)軸a=250 mm、半短軸b=100 mm、與x夾角為0°的橢圓軌跡。上、下肢分別添加8 N·m的阻力矩進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練。

樣機(jī)及上、下肢軌跡如圖12所示。

圖12 樣機(jī)及軌跡

圖12a所示為一名24歲男性(身高179 mm,體重65 kg,前臂263 mm,上臂345 mm, 小腿388 mm,大腿498 mm)的訓(xùn)練實(shí)驗(yàn);圖12b、圖12c所示為實(shí)驗(yàn)過程中分別在上、下肢輸出點(diǎn)固定的記號(hào)筆在紙張上記錄下的運(yùn)動(dòng)軌跡。

從圖12b、圖12c可以看出,上肢類橢圓軌跡長(zhǎng)度從290.0 mm增大到340.0 mm,高度從250.0 mm減小到230 mm,長(zhǎng)軸線沿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng);

下肢橢圓軌跡半長(zhǎng)軸為250.0 mm、短軸為100.0 mm,上、下肢實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果規(guī)律相同,驗(yàn)證了機(jī)器人的可用性。由圖12b可以再次指導(dǎo)患者根據(jù)需求調(diào)節(jié)滑塊距離,選擇合適的訓(xùn)練幅度。

關(guān)節(jié)活動(dòng)度是衡量人活動(dòng)能力的重要參考指標(biāo),本文選用可穿戴式角度傳感器測(cè)量關(guān)節(jié)角度。角度測(cè)量裝置和數(shù)據(jù)采集界面如圖13所示。測(cè)試者在使用機(jī)器時(shí),首先上、下肢需穿戴傳感器進(jìn)行初始值的標(biāo)定,接著在運(yùn)動(dòng)的過程中傳感器會(huì)將測(cè)試者關(guān)節(jié)的角度變化以電信號(hào)的形式傳遞給數(shù)據(jù)采集中心。

圖13 角度測(cè)量裝置和數(shù)據(jù)采集界面

3種姿態(tài)下,通過調(diào)節(jié)角度控制裝置使人體上、下肢與訓(xùn)練機(jī)構(gòu)相對(duì)位置基本相同,利用上肢角度測(cè)量裝置測(cè)得滑塊在0、200、400 mm時(shí)肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)角度的變化;利用下肢角度測(cè)量裝置測(cè)得膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)角度的變化。

3種位姿下肘關(guān)節(jié)角度和肩關(guān)節(jié)角度變化曲線如圖14所示。

圖14 3種位姿下肘關(guān)節(jié)角度和肩關(guān)節(jié)角度變化曲線

由圖14可知,肘關(guān)節(jié)角度、肩關(guān)節(jié)角度變化趨勢(shì)(抖動(dòng)現(xiàn)象是機(jī)械加工精度不夠所致)與仿真結(jié)果基本相同,肘關(guān)節(jié)活動(dòng)度從111.7°增加到114.2°,變化很小;而肩關(guān)節(jié)角度從41.8°增加到61.2°,變化明顯,且兩關(guān)節(jié)活動(dòng)度均在人體安全范圍內(nèi)[9],樣機(jī)實(shí)驗(yàn)再次驗(yàn)證了上肢機(jī)構(gòu)的可用性和安全性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果為訓(xùn)練提供了指導(dǎo),在訓(xùn)練中醫(yī)生可以根據(jù)這一特點(diǎn)對(duì)患者進(jìn)行規(guī)劃。

3種位姿下膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)角度變化曲線如圖15所示。

由圖15a可知,在臥、坐、站狀態(tài)下膝關(guān)節(jié)活動(dòng)度分別為75.3°、34.5°、64.1°,均在膝關(guān)節(jié)安全活動(dòng)范圍0°～145°之內(nèi)[10],且臥姿和站姿狀態(tài)下膝關(guān)節(jié)訓(xùn)練幅度較大。

由圖15b可知,在臥、坐、站狀態(tài)下髖關(guān)節(jié)活動(dòng)度分別為43.6° 、30.5°、 30.4°,均在髖關(guān)節(jié)安全活動(dòng)范圍0°～155°之內(nèi)[11],且臥姿狀態(tài)下髖關(guān)節(jié)訓(xùn)練幅度較大。

從圖15角度曲線的平滑可以看出，訓(xùn)練機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)沖擊小,再次驗(yàn)證了下肢訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的可用性和安全性。

圖15 3種位姿下膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)角度變化曲線

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種多位姿肢體康復(fù)機(jī)器人,將該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)與患者的康復(fù)訓(xùn)練結(jié)合起來,建立了人機(jī)模型,并對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析;然后對(duì)上、下肢訓(xùn)練機(jī)構(gòu)進(jìn)行了不同軌跡的規(guī)劃,并通過仿真探討了其運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及關(guān)節(jié)活動(dòng)度。在本文規(guī)劃的4種類橢圓上肢軌跡和下肢軌跡中,肩、肘、髖、膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)度均在人體活動(dòng)范圍內(nèi),患者可通過調(diào)節(jié)滑塊距離選擇合適的上肢康復(fù)軌跡,可通過調(diào)節(jié)滑臺(tái)距離和調(diào)節(jié)架傾角選擇合適的下肢康復(fù)軌跡。最后通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)的可行性和安全性,可以為患者規(guī)劃軌跡訓(xùn)練提供依據(jù)。本文仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)康復(fù)機(jī)器人的進(jìn)一步研究有一定參考意義。