上肢康复机器人的研究

前 屈 后 伸
——４５～ １８０
——４５～ ９０
肩 内 收 外 展
一４５～ １８０
——４０～９０
内旋 外 旋
一９Ｏ～ ６０
—５Ｏ～６Ｏ
肘 前 屈 后 伸
Ｏ～ １３５
０～ ｌ３５
腕 旋 前 旋 后
蔡 国庆 ，程 秀芳
（华 北 理 工 大 学 机 械 工 程 学 院 ， 河 北 唐 山 ０６３００９）
摘 要 ： 以人 体 上肢 的 生 理 结 构 为 依 据 ，设 计 了 一个 ５ 自由度 的上 肢 康 复机 器 人 ， 实 现 肩 关 节 内收 外 展 、 前 屈 后伸 及 内旋 外 旋 ， 肘 关 节 前 屈 后 伸 ，前 臂 旋 前 旋 后 的运 动 。 同 时 引 入 一 个 被 动 自 由度 从 而 保 证 机 器 人 与 用 户
形空 间 的运动 ，因此 肩 部 的 ３个旋 转 自由度 是 必要 的 。 而肩 部 的 ２个 移动 自由度 的运 动 范 围非 常 小 ，不 予 考
虑 。肘 关 节连 接上 臂 和前 臂 ，在 设 计 中必 不 可 少 。考 虑到 结构 的简便 性 ，腕部 只考 虑旋 前旋 后 自由度 。
（２）运动 可实 现性 。设计 的机械 结 构 其运 动 范 围 应 在正 常人 的活 动空 间之 内 ，不 允 许 有 超 越人 体 极 限 现 象 。而且 在设 计 时 ，尽 可 能地 使 上 臂 实 现 多个 自由 度 的 空间运 动 ，充分 锻炼 患者 的上 肢关 节 。
（３）可调 节性 与简 便性 。康 复机 器 人 帮 助不 同 的
运动 ，又可 完成 多关 节 复合运 动 。
１．２ 自由 度 的 选 择
根据 上肢解 剖 学 的分 析 ，上肢 共有 ９个 自由度 ，其 中肩关 节 有 ５个 自由度 ，肘关 节有 １个 自由度 ，腕关 节 有 ３个 自由度 。
肩 部 的 ３个 旋 转 自 由度 的运 动是 肩 部 的 主要 运 动 ，通 过 三个维 度 的旋 转 几 乎 可 使 上肢 实 现 整 个 半 球
第 ５期 （总 第 ２０４期 ） ２０１７年 １Ｏ 月
机 械 工 程 与 自 动 化 Ｍ ＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ８Ｌ ＡＵＴ０Ｍ ＡＴ１０Ｎ
文 章编 号 ：１６７２—６４１３（２０１７）０５—００４２—０３
Ｎ ｏ．５ ０ ｃｔ．
上肢 康 复 机 器 人 的研 究
关 节 的对 齐 ， 增加 了运 动 范 围。 按 照 人 体 尺 寸 标 准 ， 采 用 Ｃｒｅｏ绘 制 了机 械 臂 的 三 维 模 型 ， 并 通 过 ＡＤＡＭＳ
软 件 进 行 运 动 学 仿 真 ， 验 证 了结 构 的可 行 性 。
关键词 ：上肢康 复机械 人；５自由度；安全 限位
中 图分 类 号 ：ＴＰ２４２．６
患者进 行 康复训 练 ，所 以 ，其 部 分 结 构 尺 寸 应 可调 节 ， 如前臂 长 度 、上 臂长 度 ，以满 足不 同患 者肢 体尺 寸 的差
异 。此 外 ，外骨 骼机 器人 穿戴 于患 者上 肢 ，其 结 构应 力 求 轻便 ，应 具有 既便 于穿戴 又 质轻 的特 点 。
（４）可适 应不 同 的康复 训 练 。康复 机 器人 应 能 实 现与 运动模 式 相对 应 的康 复运 动 ，既能 实 现 单 关Βιβλιοθήκη Baidu节 的
根据 人体 解剖 学 ，将 与 本 研 究 有关 的人 体 极 限运 动范 围和机 构 实 现 的 运 动 范 围 列 入 表 １。其 中 ，上 肢 自然 下垂 为各 个关 节 的 中立 位 置啪 。
表 １ 关 节 运 动 范 围
关 节 自由 度 极 限 运 动 范 围 （。） 机 构 实 现 的运 动 范 围 （ ）
文 献 标 识 码 ：Ａ
０ 弓Ｉ言 脑卒 中 ，俗 称 中风 ，是 由血液 流进 大脑 时 中断 引起
的 ，损 害大 脑 细胞 而且 后 果 通 常 比较 严 重 。对 于 偏 瘫 患者 ，基 于脑 可塑性 原 理 的 运 动治 疗 是 当前 应 用 最 为
普 遍 的康 复 治疗 方 法ｎ］。 目前 ，大 多数 的运 动 疗 法 都 是 由理疗 师或 者患 者 亲属按 照理 疗手 册带 动患 肢进 行 运动 训练 ，这使 得理 疗 师和 亲属 陷入 繁琐 的劳 动 中 ，并 且 患 者 只是被 动地 接 受 运 动训 练 ，在运 动 训 练 中不 能 给予 患者合 适 的辅 助 力 ，无 法 充分 发挥 患者 的主 动 作 用 ，这样在 很 大程 度 上 减小 了康 复 训 练 的 效 果 。作 为 新兴 的研 究领 域 ，康 复 机 器 人 可 以 代 替理 疗 师 为 患 者 提供 无 时间 限制 的康 复治疗 。我 们还 可 以结合 现代 的 柔性 控制 技 术 ，考 虑用 户与 机器 人 的交互 作用 ，研制 一 种交 互式 控 制策 略 ，根 据 患 者 的 康 复 水平 提 供 适 宜 的 康 复训 练 ，充 分 发 挥 患 者 的 主 观 力 量 ，提 高 康 复 效 果 ［２］。本 文 以人体 上 肢 的生 理结 构 为依 据 ，设 计 了一 个 ５自由度 的上肢 康 复 机器 人 ，并 通 过 ＡＤＡＭＳ软 件 进 行运 动学 仿真 ，验证 了结 构 的可行 性 。 １ 上肢 康 复机器 人 总体 结构设 计 １．１ 上 肢 康 复 机 器 人 结 构 设 计 要 求
康 复机 器人 直接作 用 于人 体 ，不 同于 工业 机器 人 ，
其 在结 构设 计上 应充 分 考 虑 接 触 的 外 界环 境 ，因 此康 复 机器人 在 结构设 计 上应 满足 以下 要求 ：
（１）安全 性 。机器 人直 接与人 体接触 ，不恰 当 的设 计会使机 械臂 与 用 户产 生 干涉 ，引起 患 肢 二次 损 伤 ，因 此 ，安全性问题 是进行康复机器人设计的首要考虑 因素 。