一種上下肢協(xié)調(diào)康復機器人的機構(gòu)設(shè)計與分析

(安徽食品藥品檢驗研究院，安徽合肥230009)

0 引言

腦卒中已成為全球范圍內(nèi)導致死亡的第三大誘因，也是造成永久殘障的主要因素[1-2]?？祻椭委熓墙档突颊咧職埪屎吞岣呱钯|(zhì)量的主要途徑，然而有效的康復治療是一個長期、強烈、頻繁的過程[3-5]。傳統(tǒng)治療師與患者“一對一”的康復治療方式存在勞動強度大、費用高、效率低、治療效果難以客觀評價等不足[6]，借助康復機器人進行治療成為解決這些問題的有效措施[7]。因此，康復機器人的研究目前已成為國內(nèi)外機器人和康復醫(yī)學領(lǐng)域的一個研究熱點[8-9]。已有很多學者對康復機器人進行了深入研究并取得了一定成果，但目前康復機器人的研究主要聚焦于上肢、下肢或某一關(guān)節(jié)康復領(lǐng)域[10-11]。

2004年，Helen J.Huang等[12]對人類上下肢神經(jīng)耦合系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，人體上下肢的運動神經(jīng)相互作用，相互影響，上肢的積極康復運動有利于下肢失能者下肢運動功能的恢復[13-15]。因此，從康復醫(yī)學的角度來看，上下肢協(xié)同運動或四肢協(xié)調(diào)運動康復訓練在偏癱患者的康復過程中是極其重要的，研發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)四肢聯(lián)動的康復訓練設(shè)備對偏癱患者的康復治療具有積極的現(xiàn)實意義。故研制一種能夠適用于早、中、晚不同康復期的偏癱患者，主被動相結(jié)合的肢體協(xié)同訓練康復機器人是一項具有一定現(xiàn)實意義和研究深度的課題。

本文基于坐姿上下肢康復訓練軌跡實驗探索結(jié)果，確定簡單可靠、桿件尺寸可變的康復機器人方案，然后利用MATLAB軟件對康復機器人機構(gòu)進行優(yōu)化與仿真，并制作樣機進行實驗驗證。

1 坐姿康復訓練機器人方案

1.1 人體下肢模型建立與坐姿訓練規(guī)律探索

圖1 人體下肢的剛體模型

根據(jù)人體生理解剖可知[16-17]，下肢骨的長度和形狀在運動過程中保持不變，可將下肢骨簡化為剛體，關(guān)節(jié)簡化為剛性的機械鉸。因此，下肢可看作由髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)將大腿、小腿和足連接起來的開式運動鏈。如圖1。

肢體失能者在康復初期，由于重力等作用難以獨立依靠自身肌肉力量進行肢體運動，因此需要進行減重被動訓練；在康復中期患者具有一定的肌力，但仍難以進行獨立活動，因此，康復機器人也需要進行減重訓練。本文擬采用患者坐姿狀態(tài)來進行康復訓練試驗準備。

圖2為選取某一身高175 cm的男同學訓練過程截圖處理所得到的上下肢主要關(guān)節(jié)運動軌跡圖。

圖2 試驗得到的軌跡

通過對圖2分析可知，試驗者的踝、腕關(guān)節(jié)運動軌跡趨勢大致形狀為圖上所示的不同傾角類橢圓狀。不同身高患者依舊存在空間上的差異，故需要設(shè)計一種可滿足不同身高使用者的可調(diào)節(jié)訓練器械。

1.2 坐姿康復訓練機器人方案確定

通過上述試驗與分析，可知康復機器人需要滿足：

1)在坐姿狀態(tài)下，患者的上下肢訓練時需要與正常步態(tài)行走時的同步及異步協(xié)調(diào)規(guī)律相一致；

2)坐姿訓練時，人體踝關(guān)節(jié)的運動軌跡呈類橢圓狀，而腕關(guān)節(jié)的運動軌跡呈圓弧狀擺動；

3)人體肢體關(guān)節(jié)活動度均需要滿足人體正?；顒訒r的關(guān)節(jié)活動度的活動范圍。

為了滿足上述條件，設(shè)計一種具有簡單、實用、經(jīng)濟、安全等優(yōu)點的康復訓練機構(gòu)來滿足所需訓練軌跡要求。

因為平面連桿機構(gòu)具有運動副單位面積壓力較小、經(jīng)濟、易于加工制造和保養(yǎng)等優(yōu)點。故文章機器人的訓練機構(gòu)選擇為平面連桿機構(gòu)，并且機器人的左右兩側(cè)帶動兩側(cè)肢體協(xié)調(diào)康復訓練安裝此機構(gòu)，兩側(cè)肢體的同異步康復訓練實現(xiàn)可通過設(shè)置康復訓練機構(gòu)曲柄的初始相位差達到。

圖3 四桿機構(gòu)模型

因此上下肢運動時存在一定的協(xié)調(diào)關(guān)系。在本文中，先設(shè)計一種能夠產(chǎn)生類橢圓的康復訓練機構(gòu)。根據(jù)連桿相關(guān)原理及查閱相關(guān)參考書可知，在平面鉸四桿機構(gòu)ABCD中，選取如圖3所示AB為曲柄、AD為機架的四桿機構(gòu)，桿長滿足AB∶BC∶CD∶DA=1∶3∶3.5∶3要求時，連桿上的N點則輸出類橢圓狀軌跡。在此桿長下，在BC連桿上選取不同點，則輸出不同的類橢圓，這種類橢圓形狀與試驗得到的踝關(guān)節(jié)形狀類似，因此能夠滿足設(shè)計要求?；颊叩牟煌砀撸瑢λ栌柧氒壽E的位置和幅度也不同，因此存在差異。固定桿長的四桿機構(gòu)雖能實現(xiàn)類橢圓軌跡，但運動軌跡也是固定的，只能適應某一身高、腿長的使用患者，不具有普用性，缺乏個體差異性。而本文所設(shè)計的康復機器人滿足150 cm～185 cm身高使用者，因此，固定桿長的四桿機構(gòu)難以滿足患者的要求。

圖4 五桿變胞機構(gòu)設(shè)置方案

本文在四桿機構(gòu)的基礎(chǔ)上，添加一個自由度，組成一種五桿變胞機構(gòu)。根據(jù)平面機構(gòu)自由度計算公式，五桿機構(gòu)的自由度為2，如圖4，將此機構(gòu)在矢狀面內(nèi)對稱布置在座椅兩側(cè)。該機構(gòu)能夠通過設(shè)置不同的參數(shù)在一定運動范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)任意軌跡；另外該機構(gòu)不僅剛性好，運動誤差小，柔順性好，同時滿足康復訓練機構(gòu)的安全性、經(jīng)濟性要求。通過調(diào)整輔助桿MN與水平夾角可以得到不同類橢圓狀軌跡，符合設(shè)計目標。

在對上肢進行訓練時，要求腕關(guān)節(jié)的運動軌跡為圓弧狀，同時要求上、下肢進行規(guī)律的協(xié)調(diào)運動，故該機器人訓練機構(gòu)要求能夠?qū)崿F(xiàn)患者上下肢的聯(lián)動。在四桿機構(gòu)中，曲柄連桿的搖桿運動軌跡是圓弧狀的。如果在下肢五桿機構(gòu)的基礎(chǔ)上再添加一套實現(xiàn)上下肢協(xié)調(diào)運動的曲柄搖桿機構(gòu)作為上肢康復訓練機構(gòu)，無論是機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)，還是安全性和經(jīng)濟性，都大大增加了該康復機器人本身及操作的復雜性，而且成本顯著提高，不利于康復訓練機器人的推廣。因此，本文基于下肢五桿變動機構(gòu)基礎(chǔ)，提出了增加一種具有零自由度的II級桿組作為上肢訓練機構(gòu)的設(shè)計方案，如圖5。該設(shè)計方案不僅機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、易于控制，且安全性、經(jīng)濟性好。

圖5 康復訓練機構(gòu)方案圖

1.2.1 執(zhí)行機構(gòu)方案設(shè)計

圖6 執(zhí)行機構(gòu)

本機構(gòu)能實現(xiàn)平面內(nèi)任意軌跡的運動，主要為橢圓軌跡，即模擬人的真實步態(tài)，完成各關(guān)節(jié)運動幅度要求。在運動的同時，可根據(jù)不同人身體尺寸以及康復需要精準調(diào)節(jié)軌跡。

方案如圖6，為五桿機構(gòu)加擺動機構(gòu)。擺動機構(gòu)使上肢各個關(guān)節(jié)在手部擺動的作用下進行相應的鍛煉，上肢鍛煉也為桿件，體積較小也便于裝配。

1.2.2 機構(gòu)參數(shù)的確定

本文采用解析法對康復機構(gòu)的尺寸進行計算。為避免偏癱患者康復過程中形成異常步態(tài)，機器人運動軌跡須與正常步態(tài)下踝關(guān)節(jié)運動軌跡相一致。本文選擇身高180 cm患者步態(tài)軌跡作為實現(xiàn)最大步態(tài)邊界條件，采用再現(xiàn)軌跡優(yōu)化算法計算訓練機構(gòu)的尺寸。

圖7 康復機器人結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)機構(gòu)運動學原理，建立坐標系如圖7所示，某時刻腳踏M點坐標(xm，ym)，并聯(lián)機構(gòu)ABCDE的各桿件長為l1、l2、l3、l4、l5，曲柄軸心A點坐標(0，0)，設(shè)逆時針旋轉(zhuǎn)角度為正，曲柄轉(zhuǎn)角θ1、機架安裝傾角θ0、連桿傾角α、調(diào)整桿旋轉(zhuǎn)角度θ4。將具有零自由度的II級上肢桿組拆去，假設(shè)調(diào)整桿l4長度為零，則五桿機構(gòu)轉(zhuǎn)化為四桿機構(gòu)(圖8)。

圖8 機器人主四桿機構(gòu)示意圖

在圖8的坐標系中，可知：

(1)

為了使連桿上的軌跡點能夠適應訓練軌跡的要求，設(shè)連桿曲線上的第i個坐標點M(Mxi，Myi)與給定曲線上的第i點(xi，yi)的差值之和最小，則設(shè)計優(yōu)化的目標函數(shù)為：

(2)

以f(x)最小值為優(yōu)化目標函數(shù)，使用Matlab計算軟件中的懲罰函數(shù)法對桿件尺寸進行優(yōu)化求解。

由桿長條件可知，約束條件為：

1)桿長需要均為非負數(shù)，即：

g1(x)：min[l1，l2，l3，l5，l6]≥0

2)根據(jù)曲柄搖桿機構(gòu)的桿長要求：

g2(x)：l1

(3)

g3(x)：l1+2max[l2，l3，l5]

(4)

3) 為了保證機構(gòu)良好的傳動性，選取最大壓力角為30°，即：

(5)

選擇175 cm身高的試驗者訓練軌跡作為優(yōu)化目標進行尺寸優(yōu)化，利用Matlab軟件中的Fmincon函數(shù)進行優(yōu)化計算，其結(jié)果如下：

圖9 七桿機構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)的 三維模型圖

l1=85 mm，l2=315 mm，l3=300 mm，l4=350 mm，l5=240 mm，l6=200 mm，α=0°

當肢體參數(shù)確定后，利用三維造型軟件PRO/E對訓練機構(gòu)進行三維建模，其模型圖如圖9。

2 樣機設(shè)計與試驗

圖10 康復訓練機器人樣機

本機器人基于坐姿訓練方式，主要由機器人本體機架、軟椅面、可調(diào)整角度靠面、上下肢康復訓練機構(gòu)、可調(diào)整腳踏、人機交互系統(tǒng)、腳部和手部輔助系統(tǒng)等組成，樣機如圖10所示。軟椅面與變形滑塊連接，機架上設(shè)有相應的滑動導軌，軟椅面允許在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)俯仰角度，相應的康復訓練機構(gòu)對稱布置在軟椅兩側(cè)。樣機曲柄由圓盤機構(gòu)實現(xiàn)，通過改變曲柄長度來改變康復訓練規(guī)劃訓練軌跡。通過改變調(diào)整桿的傾角改變上下肢不同肌肉部位。機器人的性能參數(shù)如表1所示。

機器人主要結(jié)構(gòu)參數(shù)以及系統(tǒng)性能參數(shù)如表1所示，被試者身高范圍是150 cm～185 cm，體重200 kg以下。在實驗開始的準備階段，根據(jù)上章提到的機構(gòu)調(diào)整方法調(diào)整康復訓練機構(gòu)的具體工作位置，按照合理的科學訓練姿態(tài)開始康復訓練，同時患者可根據(jù)自身情況調(diào)整合適的訓練步長和訓練速度。

表1康復機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能指標

2.1 上下肢肢體協(xié)調(diào)運動

為了驗證康復訓練機構(gòu)能夠順利地實現(xiàn)患者上下肢的協(xié)調(diào)訓練，實驗選用身高為170 cm，體重為65 kg的健康男性青年作為被試者，桿與水平面的夾角調(diào)整為30°，實驗通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來收集具體的實驗數(shù)據(jù)。在整個實驗過程中，患者完全處于被動的康復訓練狀態(tài)，手腕和腳部分別約束于訓練機構(gòu)的手柄、腳踏處。圖11是整個訓練過程。

圖11 不同時刻的康復訓練

整個訓練過程是連續(xù)、平穩(wěn)的，被試者感覺非常舒適。由圖11可以看出被試者在左右腿交替擺動的同時，上下肢也一起進行相應的協(xié)調(diào)運動，這驗證了上述坐姿康復機器人能夠?qū)崿F(xiàn)患者的上下肢協(xié)調(diào)運動訓練。

從圖12中，可以看出在被動訓練模式下試驗者在6 r/min速度下的平均肩、膝關(guān)節(jié)角度變化規(guī)律；圖13為主動訓練模式下，試驗者在阻力4級下，左右腳足底壓力的變化規(guī)律。圖14為主動訓練模式下，試驗者在阻力1、4、9、12、18、20級下，右側(cè)足底壓力的變化規(guī)律。

圖12 被動模式膝、肩關(guān)節(jié)活動度

圖13 主動訓練模式雙足足底壓力

圖14 不同主動阻力訓練右側(cè)足底壓力變化

整個訓練過程運行連續(xù)、柔順。在主動訓練時，根據(jù)試驗者的需要，調(diào)節(jié)伺服電機輸出不同的阻力，受試者克服阻力運動，試驗過程中肢體可連續(xù)實現(xiàn)上下肢體協(xié)調(diào)運動，鍛煉相應的肌力。從圖12、13、14中的相應曲線可知，在主動訓練狀態(tài)下，平均肩、膝關(guān)節(jié)角度變化也表現(xiàn)為周期性協(xié)調(diào)變化規(guī)律，曲線為正弦函數(shù)曲線，平均足底壓力運動曲線呈現(xiàn)周期性規(guī)律波動。實驗驗證了肩、膝關(guān)節(jié)和足底壓力周期性協(xié)調(diào)變化符合上述的運動規(guī)律。

2.2 不同規(guī)劃步長訓練功能實驗

在腳踏點位置、手柄位置點放置記號筆，并在側(cè)面附一張坐標紙，以測量實驗過程中機構(gòu)末端實際的運動軌跡。當康復機器人運行后，筆就會在坐標紙上繪出機構(gòu)末端軌跡(圖15)。從圖15可看出，機器人的實際運行軌跡呈類橢圓狀，且運動趨勢與行走時踝關(guān)節(jié)運動趨勢類似，接近踝關(guān)節(jié)運動軌跡。

圖15 實際運行軌跡

在實驗驗證過程中，通過改變曲柄位置，以及調(diào)整桿與水平面的夾角，最終可得到機構(gòu)腳踏點的運行軌跡，實驗過程如下。

1)30 cm規(guī)劃軌跡

將康復機器人訓練機構(gòu)的曲柄長度設(shè)置為75 mm，調(diào)整桿傾斜角設(shè)置為60°。在被動訓練模式下運行康復機器人，如圖16。

圖16 幅度為30 cm的實驗

2)40 cm規(guī)劃軌跡

將康復機器人訓練機構(gòu)的曲柄長度設(shè)置為85 mm，調(diào)整桿傾斜角設(shè)置為30°。如圖17。

圖17 幅度為40 cm實驗

3)50 cm規(guī)劃軌跡

將康復機器人訓練機構(gòu)的曲柄長度設(shè)置為95 mm，調(diào)整桿傾斜角設(shè)置為20°。如圖18。

圖18 幅度為500 mm的實驗

由于加工制造等原因與仿真規(guī)劃步長存在微小的誤差，實驗得出的實際軌跡分別為291 mm，401 mm，492 mm。實驗較好地證明了上述康復機器人可以實現(xiàn)規(guī)劃步長的訓練要求。

3 結(jié)論

1)設(shè)計了一種可實現(xiàn)上下肢協(xié)調(diào)訓練的康復機器人，能夠為患者提供主被動康復訓練。同時該機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、經(jīng)濟實用、使用方便的優(yōu)點；

2)為探索下肢的康復訓練軌跡規(guī)律，對人體下肢進行簡化，建立人機模型，并進行相關(guān)實驗，為康復機器人設(shè)計方案提供了理論基礎(chǔ)；

3)采用解析法對康復機構(gòu)的尺寸進行計算，對桿件尺寸進行優(yōu)化計算后確定各桿件尺寸參數(shù)。為樣機的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

4)基于本文樣機進行了試驗驗證，試驗結(jié)果表明該機器人能夠針對不同患者實現(xiàn)上下肢協(xié)調(diào)康復訓練，能夠滿足患者的康復需求。