蔡玉強，趙闖，朱佳歡

(華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210)

0引言

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國約有700萬腦卒中風的患者，近年因腦卒中死亡的人數(shù)達到150萬，在所有患者當中，近70%～80%的患者可能會留下殘疾且需要接受康復(fù)性治療[1]。我國迫切需要康復(fù)醫(yī)療的對象是老年人、殘疾人(先天或后天)和慢性病3類群體。腦卒中風患者的康復(fù)是減小致殘率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[2]。腦卒中的三級康復(fù)可以使患者逐漸恢復(fù)至日?；顒幽芰?Activities of Daily Living，ADL)，適用于現(xiàn)階段并進行推廣[3]，而且進行康復(fù)治療的時間越早，康復(fù)的效果也就越能達到正常人活動的水平[4]，而且可以減少其它連鎖并發(fā)癥的發(fā)生幾率[5]。

近年來，國內(nèi)外多家公司與高校已經(jīng)研發(fā)出了許多適用于人體下肢康復(fù)訓練的機器人。現(xiàn)在對人體下肢康復(fù)訓練機器人的研究仍然處于發(fā)展階段，只有少數(shù)國家已經(jīng)進入實際生產(chǎn)應(yīng)用中，而我國的康復(fù)訓練機器人尚未進行實質(zhì)性的生產(chǎn)應(yīng)用，還沒有過多成熟性的產(chǎn)品，故需要進一步開展深入研究，同時進行人體下肢康復(fù)訓練機器人的市場需求逐漸加大[6]。因此，研究具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的人體下肢康復(fù)訓練機器人具有深遠意義。

1 臥式下肢康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

臥式人體下肢康復(fù)機器人最重要的設(shè)計部分是外骨骼機械腿，其最大的特點就是具有穿戴性，即要與人體腿部有物理接觸。通過對人體下肢骨骼和肌肉的研究發(fā)現(xiàn)，下肢骨骼由大腿骨、小腿骨和足骨組成，通過髓關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和跺關(guān)節(jié)3個部分串聯(lián)組成，而雙腿構(gòu)件又由2個串聯(lián)機構(gòu)并聯(lián)形成[7]。臨床醫(yī)學和人機工程學上通常用矢狀面、冠狀面和水平面3個矢狀面來描述人體的運動。從生物學角度上來說，人體下肢的各個關(guān)節(jié)的運動方式不是繞球心運動，屬于滑動和轉(zhuǎn)動的復(fù)合形式運動，考慮到滑動量不大，所以將其當成是理想的球面副進行處理[8]。

圖1 人體基準面

由于人體下肢關(guān)節(jié)間韌帶長度限制等影響因素，髖、膝、踝3個關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的轉(zhuǎn)角有較大的差異，如圖1所示。在人體實際運動過程中，髖關(guān)節(jié)具有3個自由度，能實現(xiàn)外展/內(nèi)收、伸展/彎曲、內(nèi)旋/外旋運動；膝關(guān)節(jié)具有1個自由度，只能實現(xiàn)伸展/彎曲運動；踝關(guān)節(jié)具有3個自由度，能實現(xiàn)外展/內(nèi)收、趾屈/背屈、和內(nèi)旋/外旋運動[9]?；谌梭w坐姿和臥式人體下肢康復(fù)訓練機器人的實際結(jié)合情況，實現(xiàn)人體下肢康復(fù)訓練機器人的髖關(guān)節(jié)1個自由度：伸展/彎曲；膝關(guān)節(jié)1個自由度：伸展/彎曲；踝關(guān)節(jié)1個自由度：趾屈/背屈。各個關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度范圍，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 臥式人體下肢康復(fù)訓練機器人關(guān)節(jié)運動角度

2臥式下肢康復(fù)機器人三維造型

臥式人體下肢康復(fù)機器人主要由智能輪椅支撐和下肢訓練機械腿組成。下肢康復(fù)訓練機器人具有多種實現(xiàn)方法，但是其主要作用是使患者下肢在機械的輔助作用下完成對人體步行狀態(tài)下的運動，從而完成神經(jīng)的功能重組再現(xiàn)，逐漸的恢復(fù)患者的運動能力。考慮到下肢康復(fù)機器人是一種特種醫(yī)療輔助型機器人，使用人群是有運動功能性障礙的患者，因此在可靠性、舒適性和安全性方面都有自身的要求。該項目設(shè)計研究的臥式人體下肢康復(fù)訓練機器人整機結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在臥式人體下肢康復(fù)機器人中，智能移動裝置是非常重要的一部分，其功能與智能輪椅類似，它能夠滿足患者的需求運動到室內(nèi)的任何地方甚至是戶外，同時也是機械訓練腿的支撐架。與外骨骼式康復(fù)機器人不同的是，臥式康復(fù)機器人不需要進行人體減重裝置，考慮到患者的舒適度要求以及懸掛式康復(fù)機器人容易受外界干擾等情況，臥式康復(fù)機器人能更好地完成輔助患者進行康復(fù)訓練的功能。此部分和智能輪椅等相關(guān)產(chǎn)品類似，不做詳細贅述。

圖2 臥式下肢康復(fù)機器人整體結(jié)構(gòu)

康復(fù)訓練機械腿按照人機工程學的要求要有足夠的強度、硬度和輕量化，所以在材料的選擇方面是一個關(guān)鍵的問題。比較各種材料的性能發(fā)現(xiàn)，康復(fù)訓練機械腿的大小腿桿、長度調(diào)節(jié)桿和髖部固定端等一些連接構(gòu)件均選擇鋁合金7050材料。鎂合金具有質(zhì)量輕巧、強度高、剛性小、切削性能好等特點，其最高抗拉強度可達455 MPa，鋁合金在抗沖擊能力和抗震減噪功能方面發(fā)揮著較好的作用[10]。但是鎂合金吸收能量的能力約是鋁合金的2倍，它能很好地彌補其余金屬的缺點[11]，由于考慮成本問題本設(shè)計使用鋁合金材料。

圖3 臥式下肢康復(fù)機器訓練機械腿

髖部固定端為一個直角中空的鋼架，同時連接髖關(guān)節(jié)/大腿部分和驅(qū)動電缸，如圖4所示。其中，一端與下肢康復(fù)機器人的大腿底部形成配合結(jié)構(gòu)形成髖關(guān)節(jié)，通過內(nèi)六角螺栓進行固定連接，且在髖關(guān)節(jié)處設(shè)置機械限位，限制機械腿的擺動角度，使其與人體坐姿腿部擺動的運動角度規(guī)律相符合，坐姿狀態(tài)下設(shè)置為43°，即前擺39°，向后擺4°；另一端與驅(qū)動電缸形成軸系連接，使驅(qū)動電缸能夠降低至最小摩擦進行轉(zhuǎn)動，保證驅(qū)動電缸能夠完成需要的擺動角度。

機械腿大腿部分結(jié)構(gòu)如圖5所示，腿部支架為中空結(jié)構(gòu)，大腿部分上端與髖關(guān)節(jié)通過內(nèi)六角螺栓連接，大腿支架由腿部連桿和長度調(diào)節(jié)桿組成，構(gòu)成能夠進行長度調(diào)節(jié)的機構(gòu)，以滿足于不同人群的身高體重的康復(fù)訓練要求。機械大腿通過長度調(diào)節(jié)桿上的孔來調(diào)節(jié)長度，將機械大腿孔與大腿桿上的孔同心，使用插栓固定，長度調(diào)節(jié)桿桿上的孔底部帶有磁性，防止插栓松動，機械大腿的可調(diào)范圍是315～425 mm。

人體腿部與機械訓練腿通過綁帶固定，按人機工程學要求需要做到人體舒適。在膝關(guān)節(jié)處設(shè)置機械限位，限制機械腿的擺動角度，使其與人體坐姿腿部擺動的運動角度規(guī)律相符合，坐姿狀態(tài)下設(shè)置為105°，即前擺30°，向后擺75°；機械腿下部分與小腿部分通過轉(zhuǎn)動心軸結(jié)構(gòu)構(gòu)成膝關(guān)節(jié)。

圖4 髖部固定端 圖5 機械大腿

機械小腿部分與大腿部分相類似，其可調(diào)節(jié)范圍為295～415 mm，如圖6所示。其中，小腿部分的最下端，設(shè)計腳板固定支架構(gòu)成踝關(guān)節(jié)，與腳板進行心軸軸系結(jié)構(gòu)，內(nèi)部通過彈簧構(gòu)成從動連接，人體腳部與腳板使用綁帶連接，使腳板部位與機械小腿成固定角度，且保證舒適。

圖6 機械小腿

踝關(guān)節(jié)設(shè)置極限機械限位，能夠防止意外情況下造成腳部的傷害，設(shè)置為40°，即前擺25°，向后擺15°，如圖7和圖8所示。

圖7 踝關(guān)節(jié) 圖8 腳板

驅(qū)動部分為電缸，經(jīng)過人體轉(zhuǎn)矩和驅(qū)動力矩分析，最終選型為美國湯姆森Thomson公司生產(chǎn)的型號為MX24-B8M10E1電缸。大腿和小腿驅(qū)動因設(shè)計要求，確定為直線執(zhí)行器(電缸), Max Jac 24 V直流電壓, 承載能力800 N,行程100 mm,編碼器Cable length 300 mm,Connector 30 mm/s移動速度。

3 Workbench臥式下肢康復(fù)機器人機械腿有限元分析

臥式人體下肢康復(fù)機器人，在機械腿部分，需要輔助人體腿部按照正常人體運動規(guī)律進行運動，提供一定的腿部重量支撐，從安全角度分析，需要對康復(fù)訓練機械腿部結(jié)構(gòu)進行強度校核分析，是否能夠滿足實際性要求。ANSYS Workbench[12]軟件是在CAE領(lǐng)域當中應(yīng)用比較廣泛的有限元分析軟件之一，具有所有主流CAD軟件接口，能實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的傳遞。利用Solidworks建立好三維模型，通過Solidworks與Workbench的連接，導(dǎo)入到Workbench軟件當中進行靜力學分析[13]，校核康復(fù)機器人機械腿結(jié)構(gòu)強度。

3.1 臥式下肢康復(fù)機器人機械腿關(guān)鍵部分

臥式下肢康復(fù)訓練機器人機械腿在進行康復(fù)工作時，考慮到機構(gòu)受力主要來自以下2個方面，第一是機械腿自身重力與康復(fù)人體腿部部分重力，第二是髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)動力矩影響。綜合所有影響分析可知，大腿桿、大腿伸縮桿和小腿桿、小腿伸縮桿為機械腿部關(guān)鍵部分，結(jié)構(gòu)輕薄且受力較為復(fù)雜。如圖9所示，為完整右腿部機械腿結(jié)構(gòu)。

圖9 機械腿關(guān)鍵部位-右腿

就機械腿本身的重量而言，越是處于末端位置的部件，承受的重量越大，特別是在機械腿的小腿部分和踝關(guān)節(jié)軸部分，除自身重量之外，在大腿桿和小腿桿處分別存在最大為67 Nm和40 Nm的力矩作用[14]。進行受力分析時，因要求適用于不同的人體，考慮極限條件的發(fā)生，對大腿桿、小腿桿和伸縮桿施加1 000 N的重力載荷以及最大力矩。以臥式人體下肢康復(fù)機器人機械腿部-右腿，進行示例分析。

3.2 Workbench的有限元強度分析

將驅(qū)動裝置簡化，直接分析下肢機械腿部關(guān)鍵部件。在Solidworks當中建立好三維模型，通過Solidworks與Workbench的無縫連接，導(dǎo)入到Workbench軟件當中進行靜力學分析。提前定義好模型的材料屬性，將模型重要部件設(shè)置為Aluminum Alloy，其他部件及緊固件設(shè)置為Structural Steel；然后進入到Workbench當中的Modal模塊進行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格使用四面體單元，選擇精度為適中，單元尺寸設(shè)置為10 mm，將下肢康復(fù)機器人機械腿有限元模型劃分為520 687個節(jié)點，286 770個單元，網(wǎng)格Average大于70%，網(wǎng)格可用，如圖10所示。

圖10 機械腿有限元網(wǎng)格劃分模型

其中，髖關(guān)節(jié)處設(shè)置為固定約束，同時附加1 000 N重力極限載荷，設(shè)置逆時針轉(zhuǎn)矩67 Nm；膝關(guān)節(jié)處附加重力極限載荷1 000 N，設(shè)置逆時針轉(zhuǎn)矩40 Nm。前處理完成后對有限元模型進行后處理，后處理添加Equivalent(von-Mises)和Total,分別求解出如圖11和圖12所示的有限元應(yīng)力和位移變形結(jié)果。

圖11 機械腿應(yīng)力分布總圖

圖12 機械腿應(yīng)力分布細節(jié)圖

從圖12可以看出，大腿桿極限應(yīng)力發(fā)生在與膝關(guān)節(jié)連接處，應(yīng)力為120.7 Mpa，該處結(jié)構(gòu)、受力較復(fù)雜，符合實際情況。小腿桿極限應(yīng)力同樣發(fā)生在與膝關(guān)節(jié)連接處，應(yīng)力為53.6 MPa，踝關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)動軸應(yīng)力為67.1 MPa，與之前理論分析相一致。

各腿桿因要減輕質(zhì)量，以減小驅(qū)動負載，設(shè)置其材料為7050鋁合金，其屈服強度σs=455 MPa；踝關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)動軸需要承載腳板轉(zhuǎn)動，受力較復(fù)雜，轉(zhuǎn)動軸的材料為45鋼，其屈服強度σs=355 MPa?？紤]到機械腿實際工作條件，取值動載荷系數(shù)Kv=1.8，取材料許用安全系數(shù)[Sσ]=1.5，進行強度計算校核。

針對大腿桿：

(1)

針對小腿桿：

(2)

針對踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸：

(3)

由公式(1)～(3)可以推導(dǎo)出，大腿桿、小腿桿和踝關(guān)節(jié)軸部所受極限應(yīng)力σ均小于各材料的許用應(yīng)力[σ]，滿足試驗?zāi)M要求。但是，本強度校核分析是在理想狀態(tài)下，與實際康復(fù)機器人訓練情況有一定差距，可能導(dǎo)致材料強度不能滿足實際需求，因此要針對康復(fù)機器人機械腿關(guān)鍵部位進行必要的強化處理。整觀康復(fù)機器人機械腿云圖，機械腿的總體應(yīng)力普遍較小，尤其是遠離各關(guān)節(jié)處，可以使用Workbench自身功能，進行優(yōu)化拓補設(shè)計，改進輕量化，減輕臥式康復(fù)機器人整體驅(qū)動負載。

4結(jié)論

(1)建立一種臥式人體下肢康復(fù)機器人全新的設(shè)計方案，分為智能移動裝置和康復(fù)訓練機械腿兩部分。對機械腿的髖、膝和踝等部位進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合人機工程學，調(diào)整各部位至人體最佳舒適度，利用Solidworks完成臥式人體下肢康復(fù)機器人模型的總裝配。

(2)根據(jù)人體運動規(guī)律、人體關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩和驅(qū)動力矩，對驅(qū)動裝置進行選型，最終確定為Thomson公司生產(chǎn)的型號為MX24-B8M10E1電缸，能夠滿足康復(fù)機械腿和人體的控制驅(qū)動。

(3)基于Workbench對臥式人體下肢康復(fù)機器人機械腿進行結(jié)構(gòu)強度校核分析，得到設(shè)計所選用的材料及結(jié)構(gòu)能滿足一般人體的康復(fù)訓練需求的強度，但依據(jù)實際情況，還需要進行強化處理。