上肢偏瘫康复机器人结构设计与仿真分析*
蔡国庆，李 杰，石 岩，周利杰
(1.河北省工业机械手控制与可靠性技术创新中心，河北 沧州 061001；
2.河北水利电力学院 机械工程系，河北 沧州 061001；
3.沧州市人民医院 康复科，河北 沧州 061001)
偏瘫是脑卒中常见的后遗症，严重影响患者日常生活[1]。随着我国人口老龄化程度提高，康复需求将进一步增加，而康复机器人能够有效解决当前问题[2]。目前，国内外一些机构、院校已经将机器人应用到康复领域，并取得了一定的进展。日本筑波大学[3]、韩国科学技术院[4]、西安电子科技大学[5]、上海康复器械工程技术研究中心[6]等都对康复机器人进行了设计研究。但现有的这些上肢康复机器人存在训练形式单一、关节复合锻炼程度不高等不足。本文设计了一种6自由度上肢康复训练机器人，可以完成肩、肘、腕关节的康复训练，并通过仿真分析验证了其合理性。
1.1 自由度的选取及运动范围的确定
通过对人体上肢解剖结构分析可知，肩关节有5个自由，肘关节有1个自由度，腕关节有3个自由度。考虑康复训练需求及上肢穿戴空间的局限性，机器人选取肩部屈伸、收展、内外旋运动，肘部屈伸运动，前臂旋转运动和腕部屈伸运动进行设计。关于外骨骼结构尺寸，根据我国人体尺寸标准GB10000-88给出，如表1所示，各关节康复运动范围如表2所示。
表1 人体上肢尺寸参数
1.2 结构设计
根据选取的自由度，设计康复机器人的整体结构，其三维模型如图1所示。肩部屈伸轨道1与机架固定，电机2装于肩部屈伸轨道1，通过齿轮3带动扇形齿圈4旋转，完成肩部的屈伸运动。屈伸齿圈连杆5与扇形齿圈4固连，电机6装于屈伸齿圈连杆5，带动上臂连杆7完成肩部的收展运动。上臂连杆7末端为扇形轨道，电机10置于上臂连杆7上，通过齿轮8带动扇形齿圈9旋转，完成肩部的内外旋运动。内外旋齿圈连杆11与齿圈9固连，电机12置于内外旋齿圈连杆11上，带动前臂连杆13旋转，完成肘部的屈伸运动。前臂调节板14通过螺栓与前臂连杆13连接，通过3对螺栓孔调节长度。电机15置于前臂调节板14上，带动腕部连杆16旋转，完成腕部屈伸运动。电机17置于腕部屈伸连杆16上，带动把手18旋转，完成前臂的旋前旋后运动。
1-肩部屈伸轨道；
2，6，10，12，15，17-电机；
3，8-齿轮；
4，9-扇形齿圈；
5-屈伸齿圈连杆；
7-上臂连杆；
11-内外旋齿圈连杆；
13-前臂连杆；
14-前臂调节板；
16-腕部屈伸连杆；
18-把手
表2 人体上肢各关节康复运动范围
2.1 运动学建模
参照D-H参数法建立康复机器人坐标系，如图2所示，得到机器人连杆长度ai-1、连杆转角αi-1、连杆偏距di、关节角θi，见表3。
图2 机器人连杆坐标系
表3 D-H连杆参数表
Rot(x,αi-1)Trans(ai-1,0,0)Rot(z,θi)Trans(0,0,di)=
(1)
(2)
2.2 运动学模型仿真验证
根据表3中的参数，应用MATLAB建立机器人运动学模型。以肩关节外展90°与肘关节屈曲90°的复合康复运动为例对其进行仿真验证，结果如图3所示。由图3可以看出，机器人末端位姿与期望位姿一致，验证了运动学模型的正确性。
图3 肩关节外展90°与肘关节屈曲90°复合康复运动示教
2.3 运动学分析
本文以上肢最为常见的饮食、扩胸、抓物动作为例，应用ADAMS对康复机器人进行运动学仿真分析。机器人仿真时的初始位姿条件为θ1=0°，θ2=90°，θ3=90°，θ4=-90°，θ5=90°，θ6=0°，仿真终止时的期望关节角及角位移如表4所示。设定3个仿真动作均在匀速的条件下进行，仿真时间设定为5 s,各动作时把手位移曲线如图4～图6所示。由图4～图6可以看出：机器人末端在各个方向运动连续平稳，可以完成规划的康复训练动作。
表4 康复训练动作仿真参数
图4 饮食动作把手的位移曲线 图5 扩胸动作把手的位移曲线 图6 抓物动作把手的位移曲线
针对当前康复机器人运动形式单一的问题，设计了一种6自由度康复机器人，并对其进行了运动学建模和验证。以饮食、扩胸、抓物动作为例对其进行了运动学仿真分析，证明了康复机器人结构设计合理，能够帮助偏瘫患者完成多关节复合康复运动训练。本文研究可为样机开发提供数据支撑。
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