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        三自由度上肢康復(fù)外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

        2022-08-08 05:45:18丁江陳磊付兵農(nóng)衛(wèi)航林德智
        關(guān)鍵詞:康復(fù)

        丁江,陳磊,付兵*,農(nóng)衛(wèi)航,林德智

        (1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,廣西 南寧 530004;2.廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530004;3.廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,廣西 南寧 530007)

        0 引言

        腦卒中因中樞神經(jīng)受到損傷而具有高致殘率、高發(fā)病率的特點(diǎn),目前已經(jīng)成為中老年人運(yùn)動(dòng)功能障礙的重要原因[1]?;颊呖赏ㄟ^(guò)康復(fù)訓(xùn)練重新建立患肢與受損中樞神經(jīng)之間的聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)對(duì)肢體的有效控制[2]。康復(fù)外骨骼在降低康復(fù)醫(yī)師工作負(fù)擔(dān)的同時(shí),還具備更加科學(xué)合理的康復(fù)訓(xùn)練活動(dòng),能快速、有效地恢復(fù)患者的運(yùn)動(dòng)能力[3-4],因此,國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和康復(fù)醫(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行了許多可穿戴上肢康復(fù)外骨骼的相關(guān)研究[5]。

        Li等[6]基于人體工程學(xué)提出一種上肢康復(fù)外骨骼,然而引入的被動(dòng)關(guān)節(jié)顯著降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度以及減小了外骨骼在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模式下人體上肢與外骨骼的作用力。Islam等[7]研究了一款七自由度雙重功能上肢康復(fù)外骨骼,能夠根據(jù)患者的上肢損傷程度自動(dòng)切換康復(fù)模式。Meng等[8]提出了一種輪式電動(dòng)上肢康復(fù)外骨骼,能夠輔助患者完成日?;顒?dòng),但該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,成本偏高,不適合批量定制。Lessard等[9]提出了一種用于上肢康復(fù)的軟質(zhì)外套,通過(guò)更加柔性的方式順應(yīng)人體上肢的自然運(yùn)動(dòng),但其剛度有所下降。徐晨陽(yáng)等[10]研發(fā)了一種鋼絲繩索驅(qū)動(dòng)的CURE-7康復(fù)機(jī)器人,通過(guò)臺(tái)架上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)線輪,控制各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng),不過(guò)纜繩的布置需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格計(jì)算。Deng等[11]設(shè)計(jì)了一種雙臂對(duì)稱式外骨骼,采用了分層控制方案,實(shí)現(xiàn)了康復(fù)外骨骼機(jī)械臂與人體上肢協(xié)同操作,有效提升了人體上肢康復(fù)效果。易安東等[12]針對(duì)腦卒中患者手指功能康復(fù)問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種基于直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的手部外骨骼,具有輕便易攜帶的特點(diǎn)。李翌等[13]提出了一種主動(dòng)式上肢外骨骼力量訓(xùn)練器,引入了運(yùn)動(dòng)跟隨機(jī)構(gòu)和信號(hào)采集與反饋系統(tǒng),有效解決了傳統(tǒng)主動(dòng)式康復(fù)訓(xùn)練外骨骼未能提供人體上肢肌肉群的全方位訓(xùn)練不足。Wu等[14]提出了一款具有五自由度的肘-腕康復(fù)外骨骼,利用齒輪軸承機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、肘-腕球面軸承機(jī)構(gòu)更好地滿足了前臂的精細(xì)運(yùn)動(dòng)康復(fù)需求,但外骨骼裝置功能模塊較多,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

        為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),降低成本,本文中設(shè)計(jì)了一種可批量定制的輕量化三自由度康復(fù)外骨骼。首先對(duì)康復(fù)外骨骼進(jìn)行了正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,并驗(yàn)證了其正確性;其次進(jìn)行了工作空間的計(jì)算,得到了上肢康復(fù)外骨骼的工作空間點(diǎn)云圖;最后進(jìn)行了仿真分析實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了上肢康復(fù)外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,為后續(xù)康復(fù)外骨骼的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及動(dòng)力學(xué)分析提供了理論基礎(chǔ)。

        1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

        1.1 上肢外骨骼康復(fù)功能需求

        為了更好地滿足腦卒中患者康復(fù)功能需求,首先,驅(qū)動(dòng)電機(jī)要有足夠的運(yùn)動(dòng)精度,保證患者在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能夠精準(zhǔn)拾取目標(biāo)物體;其次,康復(fù)外骨骼應(yīng)具有體積小、重量輕等特點(diǎn),以便滿足患者不同場(chǎng)合的康復(fù)訓(xùn)練要求;然后,還需進(jìn)行人體工程學(xué)分析,使其具有美觀、安全、耐用等優(yōu)點(diǎn);最后,康復(fù)外骨骼應(yīng)降低有效成本,以便實(shí)現(xiàn)康復(fù)外骨骼設(shè)備裝置的“平民化”。

        1.2 康復(fù)外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        康復(fù)外骨骼的設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于人體上肢多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。如圖1所示,人體上肢的自由度為七自由度[15],分別是肩關(guān)節(jié)內(nèi)收、外展[圖1(a)、(b)],肩關(guān)節(jié)外旋、內(nèi)旋[圖1(c)、(d)],肩關(guān)節(jié)屈曲、伸展[圖1(e)、(f)],前臂旋前、旋后[圖1(g)、(h)],肘關(guān)節(jié)屈曲[圖1(i)],腕關(guān)節(jié)外旋、內(nèi)旋[圖1(j)、(k)],腕關(guān)節(jié)屈曲、伸展[圖1(n)、(m)]。上肢運(yùn)動(dòng)角度[16-17]范圍見(jiàn)表1。

        (a)肩內(nèi)收 (b)肩外展 (c)肩外旋 (d)肩內(nèi)旋 (e)肩屈曲 (f)肩伸展

        表1 人體和機(jī)械臂上肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角

        由于康復(fù)外骨骼肩部安裝空間有限,為了簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)并且滿足腦卒中患者的基本康復(fù)訓(xùn)練要求,設(shè)計(jì)了一款三自由度輕量化康復(fù)外骨骼。該康復(fù)外骨骼的肩部采用屈曲-伸展和內(nèi)收-外展2個(gè)自由度,肘部采用屈曲-伸展單個(gè)自由度。如圖2所示,從左到右共有3個(gè)關(guān)節(jié),每個(gè)關(guān)節(jié)安裝有一體化機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)(包含電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、編碼器、諧波減速器)。關(guān)節(jié)1完成肩部的屈曲-伸展,關(guān)節(jié)2完成肩關(guān)節(jié)的內(nèi)旋-外旋,關(guān)節(jié)3完成肘部的屈曲-伸展。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。

        圖2 三自由度康復(fù)外骨骼

        表2 康復(fù)外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

        為了滿足驅(qū)動(dòng)力矩和位置精度要求,肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)選用體積小的24 V直流無(wú)刷電機(jī),肩部屈-伸康復(fù)訓(xùn)練活動(dòng)的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)力矩為49 N·m,肩部?jī)?nèi)收-外展康復(fù)訓(xùn)練活動(dòng)的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)力矩為36 N·m,肘部的屈曲-伸展的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)力矩為28 N·m。此外,為了防止驅(qū)動(dòng)力矩過(guò)大,在關(guān)節(jié)處可設(shè)置限位開(kāi)關(guān)。材料選用輕量化且強(qiáng)度足夠的6061鋁合金。

        1.3 康復(fù)外骨骼價(jià)格對(duì)比

        表3為目前市面上主流康復(fù)外骨骼設(shè)備的市場(chǎng)價(jià)格。由表可以得出,康復(fù)外骨骼的售價(jià)最高可達(dá)數(shù)百萬(wàn)元,最低也需要數(shù)萬(wàn)元,普通患者無(wú)法負(fù)擔(dān)昂貴的設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用。因此,本課題組設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的三自由度康復(fù)外骨骼設(shè)備。該設(shè)備既能滿足腦卒中患者日常的康復(fù)需求,同時(shí)該上肢康復(fù)外骨骼的價(jià)格相更加親民,極大地降低了消費(fèi)者購(gòu)買負(fù)擔(dān),能夠更好地順應(yīng)康復(fù)外骨骼市場(chǎng)的“平民化”趨勢(shì)。

        表3 康復(fù)外骨骼的市場(chǎng)價(jià)格

        2 康復(fù)外骨骼運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

        2.1 康復(fù)外骨骼正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

        為了得到各關(guān)節(jié)的相互位姿關(guān)系以及康復(fù)外骨骼末端姿態(tài),采用修正D-H參數(shù)法建立了康復(fù)外骨骼連桿坐標(biāo)系。如圖3所示,基坐標(biāo)系與肩關(guān)節(jié)坐標(biāo)系重合,肩連桿長(zhǎng)度為L(zhǎng)1,大臂連桿長(zhǎng)度為L(zhǎng)2,小臂連桿長(zhǎng)度為L(zhǎng)3。根據(jù)D-H坐標(biāo)系連桿之間位置關(guān)系得到的機(jī)械臂連桿參數(shù)見(jiàn)表4。其中i為關(guān)節(jié)序號(hào),θi為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角,αi-1為連桿i-1扭轉(zhuǎn)角度,ai-1為連桿i-1的長(zhǎng)度,di為連桿偏距。

        圖3 康復(fù)外骨骼坐標(biāo)系

        表4 外骨骼D-H參數(shù)

        康復(fù)外骨骼D-H坐標(biāo)系中相鄰關(guān)節(jié)坐標(biāo)系i-1和i之間的位姿變換矩陣:

        (1)

        通過(guò)3個(gè)位姿矩陣的乘積得到康復(fù)外骨骼末端的姿態(tài)矩陣如下:

        (2)

        式中康復(fù)外骨骼的末端位置向量為

        (3)

        且:

        (4)

        式中:

        (5)

        為了驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的正確性,將康復(fù)外骨骼的初始狀態(tài)修改為θ1=θ2=θ3=0,并代入式(3)得到康復(fù)外骨骼末端位姿矩陣為

        (6)

        2.2 康復(fù)外骨骼工作空間分析

        根據(jù)康復(fù)外骨骼末端位姿矩陣以及表4中各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍角,通過(guò)MATLAB編程計(jì)算工作空間運(yùn)動(dòng)范圍,得到康復(fù)外骨骼的工作空間點(diǎn)云圖,如圖4所示。

        (a)三維工作空間

        康復(fù)外骨骼工作空間范圍為x∈[-500,500]mm,y∈[-500,500]mm。結(jié)果表明,三自由度康復(fù)外骨骼滿足普通成年人手臂長(zhǎng)度要求。實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)空間軌跡表明,本文提出的三自由度康復(fù)外骨骼能夠很好模擬人體上肢軌跡運(yùn)動(dòng)范圍。

        3 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析實(shí)驗(yàn)

        將去掉螺栓以及螺栓孔的外骨骼模型導(dǎo)入ADAMS仿真模塊,設(shè)置連桿材料為6061鋁合金,添加重力加速度以及人體手臂的重量,設(shè)置固定副、轉(zhuǎn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)副,并在關(guān)節(jié)添加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù),得到肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)曲線圖,如圖5所示。圖5(a)中上肢康復(fù)外骨骼關(guān)節(jié)角速度在同一時(shí)間段內(nèi)變化趨勢(shì)一致,曲線平滑連續(xù),有利于改善腦卒中患者在康復(fù)訓(xùn)練活動(dòng)中的舒適性。圖5(b)為上肢康復(fù)外骨骼的肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的角加速度曲線,在整個(gè)過(guò)程滿足康復(fù)訓(xùn)練活動(dòng)要求。肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的角加速度從0短時(shí)間達(dá)到最大值,上肢康復(fù)外骨骼整體為柔性沖擊,不會(huì)對(duì)患者手臂產(chǎn)生傷害。圖5(c)、(d)為康復(fù)外骨骼末端在肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)復(fù)合運(yùn)動(dòng)下速度、加速度隨時(shí)間變化關(guān)系圖。設(shè)置好關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)參數(shù)見(jiàn)表5。得到關(guān)節(jié)力矩與時(shí)間變化關(guān)系圖,如圖6所示。最大力矩為28 N·m,在設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)力矩范圍之內(nèi),因此也驗(yàn)證了電機(jī)選型的合理性。

        (a)關(guān)節(jié)角速度隨時(shí)間變化曲線

        表5 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)參數(shù)

        圖6 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩曲線圖

        4 結(jié)語(yǔ)

        為了滿足腦卒中患者康復(fù)訓(xùn)練要求,根據(jù)人機(jī)工程學(xué)和康復(fù)功能需求分析設(shè)計(jì)了一款可批量定制、價(jià)格低廉的新型三自由度康復(fù)外骨骼。首先,利用修正D-H法建立了上肢外骨骼的連桿坐標(biāo)系,得到了康復(fù)外骨骼的D-H參數(shù)表;其次,推導(dǎo)了運(yùn)動(dòng)學(xué)方程并給出了驗(yàn)證,利用蒙特卡洛法繪制了三自由度康復(fù)外骨骼的運(yùn)動(dòng)工作空間點(diǎn)云圖,更好地模擬了康復(fù)外骨骼的實(shí)際工作空間;最后,利用ADAMS對(duì)康復(fù)外骨骼進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)分析,結(jié)果表明,康復(fù)外骨骼能夠滿足腦卒中患者日??祻?fù)訓(xùn)練活動(dòng),也為后期康復(fù)外骨骼動(dòng)力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考依據(jù)。

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