摘要：近年来，脑卒中患者越来越多，在患者的康复过程中会存在一些问题。其中，最常见的是上肢问题，这严重影响了患者的生活健康。设计了一种康复机器人用来代替康复医疗师的工作，康复机器人可以带动肩部实现5个自由度的运动，来帮助患者更快地适应正常的生活。在机械结构方面，采用平行四边形机构与球铰机构设计，可以在患者肩部运动时得到更高的运动学一致性。并且在设计过程中，充分考虑了肩肱节律所带来的问题，从而增加了患者与康复机器人之间的协调性。接下来，对该机构进行正运动学建模，在建模的过程中，通过分析机构的特点，在D-H方法的基础上，提出了一种新的建模方法，可以降低推算难度。最后，通过Matlab和Adams的联合仿真，得到机构末端点的位移曲线，从曲线的轨迹变化可以验证机构运动学方程的正确性。

　　关键词：肩部康复；外骨骼机构；运动学；仿真

　　0引言

　　根据世界卫生组织调查数据显示，2019年全球5 540万死亡病例中，由脑卒中导致的死亡病例突破600万，高居全球死亡病因第二位。据统计，在我国由脑卒中引起的死亡率已经排在第一。现在，脑卒中已经变成我国风险最高的疾病之一，每年大约250万的人患上脑卒中。

　　脑卒中(俗称中风)是由于大脑血管梗塞造成供血不足，从而对大脑局部神经组织造成损伤而产生的疾病，在患脑卒中的康复者中，大约有70%~80%的患者会有一定的功能损伤，其中最常见的就是上肢瘫痪。在日常生活中，人体的大部分活动主要是靠上肢来完成的，上肢的运动主要是靠肩部的活动来带动的。相对于下肢而言，上肢尤其是肩部的运动会更加复杂，损伤后需要更多的时间进行恢复，而且肩部是连接肢体和肘部腕部的重要部分，并能辅佐肘部腕部实现更为精准的运动，所以在患者上肢的康复中肩部康复是非常关键的。

　　自20世纪90年代以来，越来越多的科研工作者投身于神经系统的重组与可塑性。在1996年，Nudo[1]研究发现在人体神经系统受损伤的初期，其会有一段时间的自我修复，此时在加上物理方面的训练就能够很好地促进受损伤神经的恢复。可以看出，外部治疗对于其恢复有着显著的效果。接下来进行了多次的临床试验，从中可以看出，在帮助神经系统恢复过程中，辅以一定的物理康复训练是很有必要的[2-6]。

　　关于医疗康复机器人在国内外有很多先进设计与产品。瑞士苏黎世联邦理工大学设计出了一款外骨骼上肢康复机器人，名为ARMIN[7]。其具有6个空间自由度，美国亚利桑那州立大学设计出了一款名为RUPERT的外骨骼上肢康复机器人[8]，其主要的区别是利用McKibben气动肌肉来进行驱动，它可以提供四自由度的康复训练。哈尔滨工业大学设计出了五自由度上肢康复外骨骼机器人[9-10]，可以有效地帮助患者神经系统的恢复。华中科技大学设计出了三自由度的由气动肌肉驱动的上肢康复机器人[11]。本文设计了五自由度的肩部康复外骨骼机器人，能够带动肩部实现五自由度的运动，可以满足患者肩部的康复需求。

　　1肩部康复外骨骼机构设计

　　人体肩关节复合体是由锁骨、胸骨、肩胛骨及肱骨组成，两两形成关节，实现肩肱节律行为。肩肱节律行为实质为肩胛骨、锁骨及肱骨之间的角度补偿运动。人体肩部在运动的过程中，其运动方向和形式是不停变化的，自由度也是由多个关节共同运动决定的。

　　肩部复合体的运动如图1[12]所示。可以把肩部的运动分为3个自由度，分别控制肩部的内收/外展、内旋/外旋和屈曲/伸展运动。可以把肩胛带的运动分为两个自由度，分别控制肩部的上升/下降和前伸/后缩运动。每一种运动并不是单一关节完成的，需要多个关节之间的相互协同、相互配合来带动肩部完成所需要的动作。因此，针对存在的需求与问题，设计了图2所示的肩部康复外骨骼机构，所设计的肩部康复外骨骼机构主要包括肩胛带机构、球铰机构和底座升降平台。底座升降平台用于调节人的身高坐姿；肩胛带机构和球铰机构用于实现肩部的五自由度运动。

　　肩部康复外骨骼机构由左右两臂构成，左右两臂镜像对称，因此只对单边机构进行详细的分析，如图3所示。该机构主要由两自由度的肩胛带机构和三自由度的球铰机构组成。肩胛带机构包括J1和J2关节，J2关节包括平行四边形机构，分别控制肩部的上升/下降和前伸/后缩运动，球铰机构包括J3、J4和J5关节，分别控制肩部的内收/外展、内旋/外旋和屈曲/伸展运动。

　　J1关节的输出端固定在机架上，通过J1端转动，带动整机转动，实现肩部的上升/下降运动；J2关节是采用平行四边形机构设计，增强了与三自由度球铰机构的连接结构稳定性。J2关节中平行于J1关节轴线的边为机架边，与J2关节保持相对静止，其对边则是与J3关节外壳固定，利用平行四边形机构的特性，当J2关节转动时，将会驱动两条邻边平行作圆弧运动，从而带动三自由度球铰机构实现肩部的前伸后缩运动。J4与J3通过连杆相连，J3驱动时，带动J4、J5关节完成矢状轴方向的转动；同理，J5也通过连杆与J4相连，J4驱动，带动J5关节完成垂直轴方向的转动；最后，J5完成冠状轴方向的转动。

　　肩肱节律会造成上肢带关节的运动轨迹不是理论上的运动轨迹。因此，为了解决这一问题，在设计过程中，始终保持平行四边形两运动边在冠状面内的投影长度与锁骨在冠状面内的投影长度保持一致，通过J1关节的转动以及J2关节的长度补偿保证三自由度球铰关节的交点始终与肩部复合体的瞬时转动中心保持一致，从而解决患者与肩部康复外骨骼机构运动不协调的问题。

　　盂肱关节的运动等效于一个具有3个转动关节的串联链，其轴线在一个点上相交，为保证机器人动作与人体肩部运动的拟合，设计了如图4所示的三自由度球铰关节来理想化模型，该机构3个关节的轴线相交于一点，其瞬时旋转中心与人体盂肱关节的瞬时旋转中心重合。

　　另外，还利用平行四边形结构代替常规的定轴转动关节，如图5所示。平行四边形机构用于完成肩部前伸和后缩的动作。平行四边形机构的使用解决了在肩部后侧采用旋转关节所导致的运动学差异问题。将围绕背面旋转关节轴线的圆周运动转变为围绕人体肩部前伸/后缩旋转轴的圆周运动。因此，这种肩带机构在保证了上肢运动空间的同时，又为肩部的前伸/后缩和上升/下降运动提供了充分的运动学兼容性。

　　2正运动学分析建模

　　机器人正运动学是用来研究在静止状态下机器人操作臂的位置与姿态。在每个连杆上都设置相应的坐标系用来研究相邻连杆的相对位姿关系。总的来说，把操作臂关节变量定义为自变量，来描述机器人操作臂末端执行器的位置与姿态和机器人基座之间的函数关系。

　　肩部康复外骨骼机构左右两侧都是由两自由度肩胛带机构和三自由度球铰机构组成。所以，为了使建模的效率得到提高，在进行运动学建模时，只需要分析单边机构。

　　如图6所示，在按照D-H法建立坐标系基础上，对坐标系做了一定的改进。{1}和{2}并没有根据D-H法来进行设置，做了一定的改进，把其放在了关节1的轴线上，该原点和球铰中心{3}、{4}、{5}原点的连线与平行四边形结构的两条边平行且等长。为了接下来的仿真计算，又在胳膊肘这里加了一个{6}坐标系。在连杆3与平行四边形之间有一定角度的弯曲，为了让其在运算时更加简便，增加了一个坐标系{3'}，Z3'的坐标轴与球铰中心相交并且与Z3的坐标轴有一个γ的夹角。在改进了以后，看着是把该机构的自由度增加了，但是却简化了D-H参数表中的数值，方便接下来的计算。

　　表1所示为通过对肩部康复外骨骼机构建模得出的各个连杆的参数。

　　3运动仿真

　　得到正运动学以后，对其进行仿真分析，用来验证所得到的运动学方程与所设计的肩部康复外骨骼机构的吻合程度。在分析之前，为了使获得的数据具有相对性，首先在机构末端选择一个相同的点，得到该点的位移曲线。在用Adams和Matlab的仿真中机构做相同的运动，然后绘制出该机构所选测量点的px、py、pz。然后对比两条曲线的轨迹变化，用来检验运动学方程的正确与否。由正运动学可以知道机构的px、py、pz，其表达式如式(10)~(12)所示(式中：将cosθn简写为cn，sinθn简写为sn)。在Matlab中对其中的未知量进行赋值，绘制出相应的曲线。

　　在Adams中绘制测量点的位移曲线时，首先把设计的三维模型导入Adams中，对其进行仿真分析。首先设置肩胛带机构两个关节的角度θ1、θ2，获得3条位移曲线，如图7所示。在肩胛带运动完成以后，接下来设置球铰机构3个关节的角度θ3、θ4、θ5，获得3条位移曲线，如图8所示。在Matlab中绘制测量点的位移曲线时，按上面两种情况分别对所求出来的公式进行计算，通过对公式中的角度和长度分别赋值，得到如图7~8所示的位移曲线。因为机构在Adams中的Marker点有许多个，与在Matlab中计算时所选的测量点在位置上会有轻微的偏差，所以图7~8中位移曲线的轨迹变化会有轻微的误差，属于可接受的范围。因此，经过Matlab与Adams联合仿真的结果证明了机构运动学方程的正确性。

　　4结束语

　　本文针对人体的运动特性，设计了由两自由度的肩胛带机构和三自由度的球铰机构组成的五自由度肩部康复外骨骼机构。可以带动肩部整体的上下、前后、屈伸、收展、旋转运动。接下来为肩部康复外骨骼机构用D-H法进行正运动学建模，为后续肩部康复外骨骼机器人的算法研究打下了坚实的基础。最后，通过Adams中绘制的轨迹曲线与在Matlab中计算出来的轨迹曲线进行对比，验证了肩部康复外骨骼机构运动学方程的正确性。在后续研究中，可以逐步实现对五自由度的肩部康复外骨骼机构的硬件机构以及控制算法的设计，并通过机构与算法的设计达到保护使用患者与机器人安全的目的，促进脑卒中患者的康复。

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