【作 者】汪宗保 ，汪宗兵，楊永暉，王從振，楊光，李業(yè)甫

1 安徽中醫(yī)藥大學(xué)第三附屬醫(yī)院，合肥市，230031

2 安徽掌迅自動(dòng)化科技有限公司，合肥市，230093

3 安徽中醫(yī)藥大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院，合肥市，230038

0 引言

上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙是中風(fēng)高致殘偏癱患者必須面對(duì)的康復(fù)問題[1]。而日益增多的致殘患者對(duì)增長(zhǎng)的高質(zhì)量醫(yī)療需求相對(duì)于有限的專業(yè)治療師來說，上肢康復(fù)的持續(xù)時(shí)間亦越來越顯得不足[2]。腦損傷康復(fù)的本質(zhì)源于大腦的神經(jīng)可塑性，采用特定持續(xù)的訓(xùn)練方案及設(shè)備可促進(jìn)腦損傷功能區(qū)域的恢復(fù)和功能重組[3-4]。需要解決上肢功能障礙的這些問題，科研人員必須開發(fā)機(jī)器人康復(fù)設(shè)備來助力執(zhí)行重復(fù)性任務(wù)彌補(bǔ)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的不足，也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[5-6]。

基于人體上肢運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)原理確定相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，我們進(jìn)行了生物力學(xué)分析和計(jì)算，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單輕量化能夠訓(xùn)練肌肉力量，與人體動(dòng)作可以擬合的可穿戴康復(fù)助力上肢外骨骼三維模型，其設(shè)計(jì)具有很好的擬人性、可穿戴、柔性化、舒適性和安全性等，可滿足醫(yī)療機(jī)構(gòu)、個(gè)人、家庭使用要求，可保證外骨骼運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定性，并通過有限元驗(yàn)證其安全可靠性。

1 人體上肢解剖及關(guān)鍵關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)與自由度分析

1.1 上肢解剖結(jié)構(gòu)

人體上肢結(jié)構(gòu)可劃分為肩部、上臂、前臂、腕部和手部等。包含靜力性結(jié)構(gòu)、動(dòng)力性結(jié)構(gòu)，解剖較為復(fù)雜，兩者又受到中樞神經(jīng)和周圍神經(jīng)結(jié)構(gòu)繁瑣的復(fù)雜交互控制發(fā)揮作用。狹義的肩關(guān)節(jié)即盂肱關(guān)節(jié)，由圓形肱骨頭與肩胛骨的小凹形關(guān)節(jié)盂結(jié)合而成，是活動(dòng)度極大的典型球窩關(guān)節(jié)；肘關(guān)節(jié)是連接前臂和上臂的重要關(guān)節(jié)，包含肱尺關(guān)節(jié)、肱橈關(guān)節(jié)和上尺橈關(guān)節(jié)，肱尺關(guān)節(jié)為鉸鏈關(guān)節(jié)，肱橈關(guān)節(jié)為凹球面關(guān)節(jié)；手腕連接前臂和手，包括尺、橈骨遠(yuǎn)端、關(guān)節(jié)盤和掌骨，又稱橈腕關(guān)節(jié)。

1.2 上肢關(guān)鍵關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)與自由度

上肢運(yùn)動(dòng)學(xué)是基于肩胛骨、肩、前臂和手的運(yùn)動(dòng)，每個(gè)參與上肢運(yùn)動(dòng)學(xué)的元素至少有一個(gè)范圍的有限自由度。上肢運(yùn)動(dòng)往往同時(shí)需要肩、肘、手三部分配合完成，肩關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過程中不同角度的變化影響肘關(guān)節(jié)在空間中的位置狀態(tài)，相應(yīng)手部也會(huì)發(fā)生空間姿態(tài)的變化。上肢各部分主要運(yùn)動(dòng)形式有：肩關(guān)節(jié)屈/伸、內(nèi)收/外展和旋內(nèi)/旋外，肘關(guān)節(jié)屈曲和伸展，前臂旋內(nèi)/旋外運(yùn)動(dòng)，腕關(guān)節(jié)屈/伸、橈偏/尺偏、環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

基于肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)在上肢生物運(yùn)動(dòng)機(jī)理中的重要作用，在外骨骼設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮，為簡(jiǎn)化機(jī)器人結(jié)構(gòu)剔去上肢活動(dòng)影響不大的自由度。將上肢可穿戴式外骨骼設(shè)計(jì)成具有6個(gè)主動(dòng)自由度、1個(gè)被動(dòng)自由度和1個(gè)肩部柔性化被動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)（粘彈性阻尼器）的機(jī)械助力裝置。肩關(guān)節(jié)：屈/伸、內(nèi)收/外展、旋內(nèi)/旋外三個(gè)自由度；肘關(guān)節(jié)：屈/伸和旋內(nèi)/旋外兩個(gè)自由度；腕關(guān)節(jié)：屈/伸、橈偏/尺偏兩個(gè)自由度[7]。各關(guān)節(jié)正常運(yùn)動(dòng)角度[8]及設(shè)計(jì)角度范圍，如表1所示。另外，肩部三個(gè)自由度、肘部?jī)蓚€(gè)自由度和腕關(guān)節(jié)屈/伸自由度均設(shè)計(jì)為主動(dòng)關(guān)節(jié)，腕關(guān)節(jié)橈偏/尺偏設(shè)計(jì)為被動(dòng)自由度，暫不考慮腕關(guān)節(jié)旋內(nèi)/旋外自由度。

表1 上肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)及設(shè)計(jì)角度范圍表Tab.1 Range of upper limb joint motion and design Angle

考慮人體差異性，且為了避免患者關(guān)節(jié)在康復(fù)訓(xùn)練過程中受到二次傷害，故在實(shí)際設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置中考慮不影響人體正常運(yùn)動(dòng)需適當(dāng)減小上肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍。

根據(jù)人體生物力學(xué)原理，我們利用CATIA軟件對(duì)肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)重點(diǎn)分析。CATIA是法國(guó)達(dá)索公司開發(fā)的大型三維設(shè)計(jì)軟件，具有人機(jī)工程學(xué)、模型設(shè)計(jì)和有限元分析模塊，其人機(jī)工程學(xué)模塊有中國(guó)、歐洲、美洲等全球人體模型數(shù)據(jù)。

2 上肢康復(fù)可穿戴式外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 上肢康復(fù)科穿戴式外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵尺寸

本研究設(shè)計(jì)尺寸依據(jù)1989年7月我國(guó)開始實(shí)施頒布的國(guó)家人體標(biāo)準(zhǔn)GB 10000-1988中國(guó)成年人人體尺寸[9]中涉及的16～60歲范圍的男性標(biāo)準(zhǔn)尺寸。

我們選擇身高1 775 mm/體重75 kg成年男子（涵蓋95%男性國(guó)人）作為上肢康復(fù)可穿戴外骨骼設(shè)計(jì)過程中各部分尺寸的依據(jù)?？紤]95%人群穿戴舒適性，上肢外骨骼機(jī)器人肩寬、上臂和前臂長(zhǎng)度均設(shè)計(jì)有可調(diào)節(jié)可鎖定機(jī)構(gòu)。上肢康復(fù)可穿戴外骨骼機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表2所示。

表2 上肢康復(fù)可穿戴外骨骼機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)尺寸Tab.2 Structural dimensions of upper limb rehabilitation wearable exoskeleton robot

2.2 上肢康復(fù)可穿戴外骨骼結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)模型

根據(jù)人體上肢相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、參數(shù)設(shè)計(jì)出上肢康復(fù)可穿戴式外骨骼機(jī)構(gòu)三維模型，如圖1所示。

圖1 上肢康復(fù)可穿戴式外骨骼三維模型Fig.1 3D model of upper limb rehabilitation wearable exoskeleton

本上肢康復(fù)可穿戴外骨骼采用柔性化可穿戴式結(jié)構(gòu)，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)。肩關(guān)節(jié)三個(gè)自由度（前屈/后伸、內(nèi)收/外展、旋內(nèi)/旋外）、肘關(guān)節(jié)兩個(gè)自由度（屈/伸、旋內(nèi)/旋外）和腕關(guān)節(jié)屈/伸自由度均設(shè)計(jì)為主動(dòng)關(guān)節(jié)，每個(gè)自由度動(dòng)作分別由功率、力矩相適應(yīng)的單個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，腕關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展動(dòng)作設(shè)計(jì)為被動(dòng)自由度。肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)內(nèi)/外旋動(dòng)作分別采用單排四點(diǎn)接觸球軸承齒形傳動(dòng)。

為具有良好的可穿戴性，上肢康復(fù)可穿戴外骨骼設(shè)計(jì)有可調(diào)節(jié)可鎖定功能的肩部寬度背板調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、上臂長(zhǎng)度調(diào)整機(jī)構(gòu)和前臂長(zhǎng)度調(diào)整機(jī)構(gòu)，來調(diào)節(jié)外骨骼肩部寬度、上臂和前臂長(zhǎng)度，滿足不同身高、臂長(zhǎng)患者（涵蓋95%男性國(guó)人）的需求；同時(shí)肩關(guān)節(jié)處（肩關(guān)節(jié)屈/伸機(jī)構(gòu)和內(nèi)收/外展機(jī)構(gòu)之間）設(shè)計(jì)有六向自由度的柔性化被動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)（粘彈性阻尼器），手部也設(shè)計(jì)有單向自由度的內(nèi)收/外展被動(dòng)機(jī)構(gòu)，這兩個(gè)被動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)能自動(dòng)調(diào)整適應(yīng)上肢外骨骼與患者在康復(fù)訓(xùn)練中的貼和程度，可保證患者在康復(fù)訓(xùn)練過程中的柔性化、舒適性、安全性等。

2.3 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩分析及其電機(jī)變速箱匹配

基于人體生物力學(xué)各部分重量公式計(jì)算上臂、前臂和手掌重量，初步設(shè)計(jì)三維模型，利用Catia軟件測(cè)量質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的優(yōu)勢(shì)可精確求解外骨骼機(jī)械臂質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。上肢各關(guān)節(jié)不同自由度運(yùn)動(dòng)所需要的驅(qū)動(dòng)扭矩由重力載荷和慣性力載荷構(gòu)成[10]：

式（1）中：mi表示關(guān)節(jié)i和關(guān)節(jié)i+1之間的連桿質(zhì)量；lij是表示關(guān)節(jié)i和關(guān)節(jié)i+1之間桿件質(zhì)心到關(guān)節(jié)j軸線的極限距離；Jij表示關(guān)節(jié)i和關(guān)節(jié)i+1間的桿件質(zhì)心相對(duì)關(guān)節(jié)j軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；εj表示關(guān)節(jié)j的角加速度。

機(jī)械臂關(guān)節(jié)連桿相關(guān)尺寸，如圖2所示。上臂長(zhǎng)度調(diào)整范圍為（276～340）mm，前臂長(zhǎng)度調(diào)整范圍為（202～260）mm。

圖2 機(jī)械臂關(guān)節(jié)連桿相關(guān)尺寸Fig.2 Relative linkage rod size of mechanical arm joint

人體生物力學(xué)上肢各部分質(zhì)量參數(shù)（以人體質(zhì)量75 kg為基礎(chǔ)）：人體上肢手掌質(zhì)量、前臂質(zhì)量和上臂質(zhì)量分別為0.45 kg、1.35 kg和2.68 kg。

機(jī)械臂各桿件質(zhì)量mi（kg）、依據(jù)人體上肢運(yùn)動(dòng)特征（結(jié)合康復(fù)治療特點(diǎn)）而確定的機(jī)械臂各關(guān)節(jié)角速度ω（rad.s-1）和角加速度α（rad.s-2），如表3所示。

表3 機(jī)械臂各桿件質(zhì)量、各關(guān)節(jié)角速度和角加速度Tab.3 Each rod member quality,angular velocity and angular acceleration of each joint in mechanical arm

將以上參數(shù)代入式(1)，可得機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩（N.m），如表4所示。

表4 機(jī)械臂各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩Tab.4 Each joint drive torque of mechanical arm

電機(jī)和變速箱選型：傳動(dòng)效率0.9，安全系數(shù)1.5，統(tǒng)一采用Maxon電機(jī)及其編碼器等產(chǎn)品。各關(guān)節(jié)電機(jī)變速箱規(guī)格，如表5所示。

表5 機(jī)械臂各關(guān)節(jié)電機(jī)變速箱規(guī)格Tab.5 Gearbox specification of of each joint in mechanical arm

3 上肢康復(fù)可穿戴外骨骼整機(jī)強(qiáng)度和剛度校核

基于上肢康復(fù)外骨骼為可穿戴的輕質(zhì)外骨骼細(xì)長(zhǎng)形桿件結(jié)構(gòu)，故在此我們對(duì)設(shè)計(jì)的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。采用Catia軟件的有限元模塊并根據(jù)以下步驟進(jìn)行分析：

（1）建立受力分析模型，并劃分網(wǎng)格。

（2）確定機(jī)構(gòu)模型材料的性能：航空鋁合金7050-T73510，密度2 710 kg/m3，彈性模量為7.0×1010N/m2，泊松比為0.33，屈服強(qiáng)度為4.35×108N/m2。

（3）依據(jù)所設(shè)計(jì)的工作實(shí)際情況確定必須的約束、施加受力載荷（必須滿足上肢和外骨骼本身的重量）。

（4）對(duì)目標(biāo)上肢外骨骼機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 上肢康復(fù)外骨骼位移和應(yīng)力云圖Fig.3 Displacement and stress nephogram of exoskeleton in upper limb rehabilitation

由圖3 可看出：整機(jī)的最大應(yīng)力為2.31×107N/m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度。最大變形量為0.259 mm，應(yīng)力和應(yīng)變滿足了使用設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)安全，達(dá)到可靠性要求。

4 虛擬樣機(jī)仿真和試驗(yàn)

4.1 虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果

將上肢外骨骼穿戴在人體上，形成虛擬樣機(jī)模型，如圖4所示。

圖4 上肢外骨骼虛擬樣機(jī)Fig.4 Virtual prototype of upper limb exoskeleton

利用CATIA三維軟件進(jìn)行仿真分析，由于上肢康復(fù)外骨骼基于人體上肢骨骼運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行設(shè)計(jì)，加之上肢外骨骼肩關(guān)節(jié)處設(shè)計(jì)有六向自由度柔性化自動(dòng)調(diào)節(jié)粘彈性阻尼器，故上肢康復(fù)外骨骼在康復(fù)訓(xùn)練過程中與人體上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)具有良好的吻合度和上肢康復(fù)訓(xùn)練舒適性。

4.2 上肢各關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練步驟及結(jié)果

患者在康復(fù)訓(xùn)練過程中，可以使用可穿戴的背部柔性化馬甲將本上肢外骨骼穿戴于身體軀干和上肢，雙臂置于兩側(cè)手臂可調(diào)節(jié)裝置中，利用肩寬、上臂和前臂長(zhǎng)度調(diào)節(jié)鎖定機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)肩寬、上臂和前臂長(zhǎng)度，調(diào)節(jié)完畢后用固定螺栓鎖定，最后按照康復(fù)訓(xùn)練模式由整機(jī)控制程序驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)電機(jī)完成相關(guān)動(dòng)作所設(shè)定的康復(fù)訓(xùn)練內(nèi)容。初步樣機(jī)與人體上肢具有良好的運(yùn)動(dòng)協(xié)同性，初步試驗(yàn)與設(shè)計(jì)結(jié)果具有良好的一致性，可以滿足人體康復(fù)訓(xùn)練高質(zhì)量要求，后期會(huì)進(jìn)一步多輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化、試驗(yàn)來提高性能指標(biāo)，達(dá)到最終產(chǎn)品定型投產(chǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究基于人體上肢運(yùn)動(dòng)機(jī)理，通過配置上肢外骨骼機(jī)器人的自由度、設(shè)定關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍、確定基本結(jié)構(gòu)連桿參數(shù)，分析計(jì)算關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩，合理匹配電機(jī)和變速箱，利用CATIA軟件進(jìn)行了上肢各關(guān)節(jié)自由度分析、上肢康復(fù)可穿戴式外骨骼助力機(jī)器人虛擬樣機(jī)的整體設(shè)計(jì)和有限元分析，設(shè)計(jì)了一種供人體上肢康復(fù)使用、具有六向自由度主動(dòng)驅(qū)動(dòng)外加柔性化被動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)的可穿戴式上肢外骨骼助力機(jī)械裝置，可以為腦神經(jīng)損傷或創(chuàng)傷引起的上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙患者提供日常助力自主康復(fù)訓(xùn)練。根據(jù)設(shè)計(jì)、分析和樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果，滿足開發(fā)要求，具有較高的柔性化、可穿戴性和安全性等。

我們只針對(duì)上肢外骨骼機(jī)械機(jī)構(gòu)部分進(jìn)行了闡述、分析和設(shè)計(jì)，接下來將繼續(xù)增強(qiáng)康復(fù)訓(xùn)練模式、控制邏輯、程序算法等分析和研究，豐富系統(tǒng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，挖掘更多有用信息，使其具備更好的康復(fù)訓(xùn)練模式來評(píng)價(jià)上肢關(guān)節(jié)康復(fù)功能，更好地為上肢功能障礙患者服務(wù)。