坐姿式上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人

摘要：康復(fù)機器人作為一種康復(fù)訓(xùn)練輔助設(shè)備，現(xiàn)如今廣泛應(yīng)用于臨床康復(fù)醫(yī)療中。據(jù)統(tǒng)計資料顯示，目前全國約有800百萬癱瘓患者需要進行康復(fù)訓(xùn)練。因此，康復(fù)機器人的研究發(fā)展能夠?qū)@些患者起到積極的幫助作用。本文設(shè)計了一種坐姿式上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人，主要用于幫助肢體殘疾患者進行上肢運動訓(xùn)練。

關(guān)鍵詞：康復(fù)機器人；輔助設(shè)備；康復(fù)醫(yī)療；運動訓(xùn)練

1 引言

傳統(tǒng)的患者康復(fù)治療一般通過康復(fù)醫(yī)療師協(xié)助患者進行肢體運動，引導(dǎo)患者肢體做多次的往返運動，逐步刺激患者的運動神經(jīng)中樞，這種類型的康復(fù)治療增加了治療費用和患者的負擔(dān)[1]。與傳統(tǒng)的人力康復(fù)方法相比，康復(fù)機器人能根據(jù)不同患者的運動需求，在牽引過程中能夠準確地引導(dǎo)上肢到達位置；同時，可以在運動過程中對肢體的實時狀態(tài)和位置進行監(jiān)控并反饋給控制系統(tǒng)。本文設(shè)計的上肢康復(fù)訓(xùn)練機器人通過機器人末端執(zhí)行器帶動患者的手臂運動，促進其上肢運動功能的恢復(fù)。

2 上肢生理學(xué)原理

依據(jù)生理學(xué)結(jié)構(gòu)，人體上肢的結(jié)構(gòu)組成可以分為四大部分，它們分別是手、腕、前臂和上臂，各部分通過關(guān)節(jié)進行連接，包括腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)。設(shè)上臂長度為L1，前臂長度為L2，手腕的長度為L3[2]。上肢癱瘓患者一般以成年人居多，患病后身體的尺寸不會較患病之前發(fā)生太大變化，因此機器人設(shè)計應(yīng)該參照我國成年人的身體尺寸進行設(shè)計。上臂長度L1≈320mm，前臂長度L2≈260mm，手腕的長度L3≈70mm。

根據(jù)人體上肢尺寸長度以及成年人的整體身高尺寸，本文設(shè)計的上肢康復(fù)機器人的長度大約為1.7m，寬度大約為1m，高度大約為1.5-1.8m。

3 康復(fù)機器人設(shè)計

本機器人旨在帶動上肢進行運動訓(xùn)練，設(shè)計的核心在于康復(fù)機器人的運動形式以及范圍。上肢的主要運動有肩關(guān)節(jié)的屈伸運動、收展運動以及內(nèi)外旋轉(zhuǎn)動作；肘關(guān)節(jié)的繞中心軸轉(zhuǎn)動以及繞前臂中心軸的旋轉(zhuǎn)運動[3]。為了帶動上肢進行以上運動，機器人的設(shè)計可以分為以下三個部分：上肢前后擺訓(xùn)練機構(gòu)、上肢屈伸訓(xùn)練機構(gòu)、上肢分合訓(xùn)練機構(gòu)。訓(xùn)練時，既可以多個機構(gòu)同時啟動工作進行復(fù)合運動訓(xùn)練，也可以只啟動其中一個進行單一訓(xùn)練。

3.1 上肢前后擺訓(xùn)練機構(gòu)設(shè)計

上肢康復(fù)機器人在進行前后擺訓(xùn)練時，擺動的角度要符合正常人運動學(xué)規(guī)律，這樣才能既讓上肢的各個相應(yīng)關(guān)節(jié)得到充分的康復(fù)訓(xùn)練，又不會因為擺動幅度過大給患者造成意外傷害。依據(jù)肩關(guān)節(jié)以及肘關(guān)節(jié)同時運動時的范圍，設(shè)定最大擺動角度為45°，轉(zhuǎn)動角速度ω=0.05rad/s。

本機構(gòu)由兩根傳動軸、一臺直流伺服電機、一個雙軸輸出減速器、軸承座等組成。安裝時，兩根傳動軸通過聯(lián)軸器與雙軸輸出減速器相聯(lián)，減速器與電機相聯(lián)并固定在底板上。工作過程如下：由電機驅(qū)動雙軸輸出減速器帶動傳動軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動傳動軸以上部分轉(zhuǎn)動。由于傳動軸的軸向長度較大，為了防止轉(zhuǎn)動機構(gòu)存在卡死現(xiàn)象，軸的剛度和加工、安裝精度要足夠高。其三維示意圖如圖1中結(jié)構(gòu)1所示。

3.2 上肢屈伸訓(xùn)練機構(gòu)設(shè)計

依據(jù)康復(fù)醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)，屈伸運動速度要在人體承受范圍以內(nèi)，設(shè)定屈伸運動的速度v=0.08m/s。本次設(shè)計的上肢屈伸運動訓(xùn)練機構(gòu)主體為兩根升降柱，該升降柱機構(gòu)由錐齒輪、絲桿、絲桿螺母、內(nèi)套筒、軸承、傳動軸、外套筒及密封圈等組成。其傳動原理如下：電機通過彈性聯(lián)軸器與錐齒輪軸相聯(lián)，當(dāng)電機啟動后轉(zhuǎn)動時，首先將帶動電機軸上的錐齒輪轉(zhuǎn)動，通過錐齒輪副，將轉(zhuǎn)動傳遞給軸向固定的絲桿，絲桿在外套筒內(nèi)作定軸旋轉(zhuǎn)運動時，絲桿螺母通過螺紋連接作直線運動，從而帶動與絲桿螺母相固定的內(nèi)套筒作直線升降運動。其三維示意圖如圖1中結(jié)構(gòu)2所示。

3.3 上肢分合訓(xùn)練機構(gòu)設(shè)計

上肢分合訓(xùn)練機構(gòu)在工作中要考慮到人體上肢的分合運動空間最大，因此，在設(shè)計時，要盡量能讓患者的肢體得到伸展。基于人體運動學(xué)基礎(chǔ)，設(shè)定上肢分合訓(xùn)練運動速度v=0.10m/s。本機構(gòu)主要由直流減速電機、帶輪、同步齒形帶、滑軌、滑塊、橫梁等組成。安裝時，主動帶輪與電機相聯(lián)，由于采用的是同步齒形帶，不容易產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，傳動比幾乎保持不變，同時也降低了機構(gòu)的復(fù)雜程度，在帶的下部安裝滑軌作為支撐，減輕了同步齒形帶的受力變形。為了確保皮帶的張緊，在安裝時，從動帶輪的位置應(yīng)能夠方便調(diào)整。工作過程如下：直流減速電機安裝在電機座上，電機座通過法蘭盤安裝在內(nèi)套筒頂端。同步齒形帶與帶輪相聯(lián)，滑塊通過螺釘連接在皮帶上。電機通電后，皮帶將帶動滑塊在滑軌內(nèi)作勻速直線運動。其三維示意圖如圖1中結(jié)構(gòu)3所示。

4 總結(jié)

本設(shè)計功能齊全，使用方便，操作簡單，可用于上肢癱瘓患者的肩、肘、手腕等部位的康復(fù)訓(xùn)練，能降低患者的康復(fù)治療費用，同時緩解了現(xiàn)階段康復(fù)治療師緊缺的問題。使用該機器人能夠為患者的康復(fù)治療提供較大的便利性，預(yù)計在臨床實際應(yīng)用中有較為廣闊的前景。

參考文獻：

[1]包呼和.上肢康復(fù)機器人GA--RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[D].沈陽：東北大學(xué)，2013.

[2]趙琰.家居環(huán)境下上肢主動康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備設(shè)計[D].杭州：浙江理工大學(xué)，2017.

[3] 楊勇.手臂康復(fù)機器人系統(tǒng)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

作者簡介：楊崇文，出生年月：1996年6月，男，漢，籍貫（精確到市）：江西省豐城市，學(xué)歷：本科，研究方向：機械制造及其自動化。