外骨骼上肢康复机器人的结构设计与仿真研究

孙超;苑明海;周灼;蔡仙仙

【摘 要】针对上肢轻度瘫痪患者自主进行康复理疗训练的问题,在深入了解传统康复训练的弊端和康复机器人所应具备性能的基础上,提出了一种可穿戴式的外骨骼上肢康复机器人设计方案.首先,从仿生学角度出发,对该康复机器人的整体机械结构进行了建模,并设计了3处长度调节固定机构;然后,对机器人各关节驱动力矩进行了理论分析与计算,通过模型动作编写了step函数,将函数与三维模型图导入Adams进行了动力学仿真;得到了各关节的驱动力矩曲线图,再将其与理论计算结果作了对比分析;最后,对肩关节支撑板和大臂支撑板进行了强度分析.研究结果表明:该外骨骼上肢康复机器人结构设计方案具有较高可行性,能帮助患者实现康复训练. 【期刊名称】《机电工程》 【年(卷),期】2019(036)004 【总页数】4页(P383-386)

【关键词】结构设计;康复机器人;动力学仿真;强度分析 【作 者】孙超;苑明海;周灼;蔡仙仙

【作者单位】河海大学 机电工程学院,江苏 常州213002;河海大学 机电工程学院,江苏 常州213002;河海大学 机电工程学院,江苏 常州213002;河海大学 机电工程学院,江苏 常州213002 【正文语种】中 文

【中图分类】TH122;TP242

0 引 言

目前，因脑血管疾病或神经系统疾病所引发的偏瘫等疾病，严重威胁着人类的生命安全[1]。研究表明，偏瘫患者进行临床治疗后，再对其进行规律性的康复训练，能促进患者运动能力的恢复[2-3]。但传统的一对一人工康复训练效率低、成本高，而且随着患者人数的增长，现有的康复训练师人数已经不能保证增长的医疗需求[4]。故在此基础上，康复机器人便应运而生。

1991年，麻省理工学院研制了基于连杆结构的上肢康复机器人MIT-Manus[5]，经过长时间临床试验后发现，使用该机器人的患者恢复效果明显；美国亚利桑那州立大学研究发现，在其研发的上肢康复助力机器人RUPERT[6]的帮助下，患者脑部运动系统得到了重塑与恢复，运动机能明显改善。由此可见，上肢康复机器人有助于患者的康复治疗。康复机器人领域成为了当下的研究热点[7]，张学胜等[8]基于ADAMS仿真分析，得出了外骨骼机器人各关节处所受载荷的变化规律[9]；陈炎东等[10]利用嵌入式的Step函数，编写了各执行部件的驱动函数。

本文将基于肢体解剖原理确定相关运动参数，对上肢康复机器人的机械结构进行总体设计。

1 上肢康复机器人结构

基于肢体解剖原理确定相关的运动参数，本文设计了外骨骼上肢康复机器人三维图[11]，如图1所示。

图1 外骨骼上肢康复机器人三维图1-肩部；2-背板；3-大臂长度调节机构；4-小臂；5-手部；6-小臂长度调节机构；7-大臂支撑板；8-大臂；9-肩部支撑板；10-肩部宽度调节机构

该外骨骼上肢康复机器人的背部采用镂空结构，便于散热、减重；驱动方式选择电动驱动。

为与不同患者肢体进行良好的契合，笔者在上肢康复机器人的大臂支撑板、小臂支撑板和肩部背板分别设计3处长度调节机构，来调节上臂支撑机构的长度，增强了康复机器人的应用范围；3处长度调节机构都提供了锁定功能，保证了机器人康复训练过程的稳定性。

本文设计的5自由度上肢康复机器人可以帮助患者实现肩关节的内旋和外旋转动作，肩关节屈曲和伸展动作，肩关节内收和外摆动作，肘关节内旋和外旋转动作以及肘关节的屈曲和伸展运动。康复训练过程中，患者利用背带将该机器人背在身上，双臂放置在手臂调节装置中，利用3处长度锁定调节机构，满足不同身高臂长患者的需求，通过肩部和背板的铰接结构自动调整与患者身体的贴和程度，最后由驱动电机驱动关节完成指定康复动作。 2 关节驱动力矩分析

依据中国成年人人体尺寸数据GB10000-88，以及可调节长度满足90%的中国成年人穿戴的设计准则，本文设计的外骨骼上肢康复机器人基本结构参数如表1所示。

表1 外骨骼上肢康复机器人基本结构参数项目参数项目参数大臂可调节长度/mm227～303大臂环直径/mm124小臂可调节长度/mm273～338小臂环直径/mm100手部长度/mm70手柄最大直径/mm30机械臂总长/mm520～600康复机器人总质量/kg7.5双肩距离/mm300～400康复机器人宽度/mm500

假定机械臂机构和人体手臂均为均质，其质心都在机械臂机构和人体手臂的几何中心点，从而求出使用者穿戴机械臂后的等效质心和力矩。各关节所需驱动扭矩由重力负载及惯性力负载两个部分组成[12]，即： (1)

式中：mi — 关节i和关节i+1之间的连杆质量；lij — 关节i和关节i+1之间杆

件质心到关节j的轴线的极限距离；εj— 关节j的角加速度；Jij — 关节i和关节i+1间的杆件质心相对关节j轴线的转动惯量(注：m5—关节5至机构末端之间杆件的质量；lij—关节5至机构末端之间杆件质心到关节5的极限距离；J55—关节5至机构末端之间杆件质心相对关节5的转动惯量)。 机械臂关节连杆相关尺寸图如图2所示。 图2 机械臂关节连杆相关尺寸图

使用者穿戴机械臂后，机械臂的单位长度质量设为4.5 kg/m，参照图2所示的关节连杆长度，确定机械臂各杆件质量如表2所示。 表2 机械臂各杆件质量关节i12345mi/kg0.51.00.30.51.0

依据人体生理学上肢运动的特征，并结合康复治疗特点，确定机械臂各关节角速度和角加速度如表3所示。

表3 机械臂各关节角速度和角加速度关节i12345角速度/(rad·s-1)12π12π12π23π12π角加速度/(rad·s-2)12π12π12π23π12π 将以上参数代入式(1)，可得机械臂各关节的驱动力矩，如表4所示。

表4 机械臂各关节驱动力矩关节i12345驱动力矩/(N.m)9.895.693.672.510.55 3 机构动力学仿真

肩关节的屈伸运动是人体上臂最常使用的动作之一，为了使上肢康复机器人能更加真实地模拟人体上肢康复运动，故本文对肩关节屈伸康复训练进行仿真分析。 3.1 肩关节屈伸康复训练运动要求

肩后屈运动：患者侧躺于床上，康复训练师位于患者身后，一只手抓着患者腕部，另一只手托着患者的肩部，使患者手臂进行后屈动作。其中，肩关节的运动范围为：肩后屈60°，肩前伸150°，反复运动；训练活动频率：20 次/min～30次/min[13]。该康复训练中之涉及肩部屈/伸与肘部屈/伸两个自由度。 3.2 肩关节屈伸康复训练动力学仿真

本文编写的具体驱动函数如下： 肘关节驱动函数：

STEP(time,0,0d,1,45d )+STEP(time,1,0d,2,-45d )+STEP(time,2,0d,5,0d ) 肩关节的驱动函数：

STEP(time,0,0d,1,45d )+STEP(time,1,0d,2,-45d )+STEP(time,2,0d,3,-150d )+STEP(time,3,0d,4,0d)+STEP(time,4,0d,5,150d )

将仿真step函数导入Adams中进行仿真，设置仿真时间为5s，仿真步数为300步，点击开始进行仿真分析。

为了了解机械臂运动状态下是否满足动力学要求，本研究在基于上一节人体关节驱动力矩求解结果的基础上，对肩关节屈伸康复训练进行了动力学仿真分析。 肩关节力矩与时间关系图如图3所示。 图3 肩关节力矩与时间关系图

根据图3可以看出：进行康复动作时肩关节的最大力矩产生在0.5 s、1.5 s时的Z方向上，其值约0.7 N·m，在上一节所算得的各关节最大力矩的范围内，验证了之前计算的合理性。 4 主要零部件校核

该康复机器人肩关节支撑板起着连接机械臂与背板的作用，并连接有两个电机，其受力包括两轮毂所受的力、支撑板肩部上侧所受压力及两轮毂靠肩部一侧所受的压力，受力情况较为复杂；其次上臂支撑件起着固定上臂的作用，且上臂支撑件所承载的力大于下臂支撑件所承载的力，此外上臂支撑件还是上臂调节机构与上臂旋转机构的一部分，受力情况相对复杂。因此，需要对肩关节支撑板和上臂支撑件进行静应力分析。

肩关节支撑板应力图如图4所示。 图4 肩关节支撑板应力图

由图4可以看出：肩关节支撑板最大应力出现在轮毂的键槽处，对应的最大应力为73.4 MPa，因肩部支撑件选用2024-T3铝合金，其屈服强度为345 MPa，为满足要求取该材料的安全系数为1.5，故对应的最大应力低于2024-T3铝合金的许用应力值 230 MPa。可见，肩关节支撑板设计合理。 大臂支撑板应力图如图5所示。 图5 大臂支撑板应力图

由图5可以看出：其最大应力出现在大臂支撑板调节顶端，对应的最大应力值为22.0 MPa，该处的材料与肩关节支撑板一致，故其最大应力低于2024-T3铝合金的许用应力。因此，可以看出大臂支撑板设计合理。 5 结束语

为解决上肢轻度瘫痪患者自主康复理疗训练的问题，本研究提出了一种外骨骼上肢康复机器人的设计方案；利用Solidworks完成了对外骨骼上肢康复机器人的整体机械结构的建模，其次通过对患者常用康复动作的分析，结合三维模型、step函数和康复动作要求，在Adams中对机构进行了动力学仿真分析，得到了肩关节屈伸和肘关节驱动力矩与时间曲线图，通过与各关节力矩理论计算结果的对比分析，确定了各关节驱动力矩的合理性。

笔者对所设计的机器人各零部件的受力情况进行了分析，最后判定该机器人可能会发生失效的零件为肩关节支撑板和大臂支撑板；通过强度分析，确定了在合理安全系数下该机器人满足强度要求。

仿真结果表明：该外骨骼上肢康复机器人结构设计方案具有较高可行性，能帮助患者实现康复训练。 参考文献( References) :

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