五自由度康复机械手臂的设计探讨

黄位

摘要：本文基于上肢康复设备与治疗分析，设计了一种比较实用的五自由度康复机械手臂，指出了其工作原理，探讨了其运动特性，验算了其主要部件的承载能力，最后设计选择了其驱动系统。

关键词：上肢康复；机械手臂；设计

医用机器人往往是融合了诸多学科的最新研究成果，被广泛应用在康复、医学医疗等医学领域。其中一项重要应用即恢复因多因素所造成的四肢功能性障碍，使那些遭受四肢残障的患者，在运用各种康复设备的支撑与辅助下，尽早康复。本文结合上肢康复问题，运用各种康复医学知识，设计了一种以肌电信号控制为基础的五自由度康复机械手臂。

1.提出问题

康复机械手臂与工业机器人的手臂存在着较大差异，两者在部分方面尽管有着一些共性，如均用于完成指定的动作，以及均借助外在动力对机构进行驱动等，但对于前者而言，其设计日渐复杂，因而在设计工业机器人的机械手臂时，可把驱动机构置入机械手臂内，且其基体部分的刚性体比较简单，仅起到支撑机械手臂的效果。而对于康复机械手臂来讲，其则为“穿”在人体上肢上，其内部为空心；在设计运动轨迹时，不能人体与刚性机械部分造成干涉；而对于驱动系统来讲，则尽量置于肢体的外侧；康复机械手臂的重量应越小越好，以此来最大程度减轻自身对身体的重负。由此可知，康复机械手臂乃是矫形器与机器人技术的共生产物。

在设计机械本体时，还需要将其舒适性考虑在内。其一为机械机体与上肢之间的完美匹配，其二是以人机工程学为基础的舒适性。针对前者来讲，其要求禁止比较坚硬的机械机体接触上肢的软组织，在二者结合位置处，专门设置软垫；将机械机体质量考虑在内，为了防止康复治疗过程中质量均压于一个肩上，需要根据实际需要，设计背负机构，以此达到减轻其重量的目的。而对于后者来讲，其注重的是把人与及其紧密融合在其一，形成先进的人机系统，也就是将人当作整个系统当中的重要构成，将环境、机、人当作一个统一系统来开展设计，其最终目标是使最终设计的产品在实际使用时，可以不对人体健康造成危害，进而更加省力、方便且舒适的为治疗提供服务。

结合上述原则，依据对20名正常成年人的3个吃动作的测量，并根据康复医学知识、仿生机械手臂所制作的模型，对自由度的运动范围进行了明确及5个自由度，即腕关节外展/内收、前臂内旋/外旋、肘关节屈/伸、肩关节外展/内收、肩关节屈/伸。

2.各主要关节的工作原理及运动特性

依据各个关节的实际运动情况，可以以康复机械臂为对象，将其进行适当的简化，使之成为开式空间运动机构；在实际设计过程中，把它划分为背负机构、肘部传动机构、上臂机构及前壁机构。（1）前部机构。其主要作用就是实现肩关节的伸动作与屈动作；当电机处于转动状态时，借助锥齿轮，将传动方向予以改变，另外，蜗杆会对蜗轮转动起到带动作用，还能把运动实时向其固结的上臂结构传递，如果电机处于反转或者正转状态时，肩关节的伸动作与屈动作也会实现。（2）上臂机构。此结构能够实现肩关节的平展动作。其主要由电机、转动轴、蜗杆、蜗轮等构成，电机对蜗杆轴直接驱动，使其保持转动状态，而蜗轮则保持固定状态，蜗轮会将与之处于相连状态的上臂机转动，最终便可实现肩关节的平展动作。（3）肘部传动机构。此结构能够将肘关节的伸动作及屈工作予以实现。其主要由齿轮、定位螺钉、上臂外层、电机及上臂内层等构成。电机将小齿轮驱动，借助小齿轮，带动大齿轮，使其处于运动状态，此时，由于大齿轮与前臂结构处于连接状态，因而能够使肘关节维持伸动作或屈动作。（4）背负机构。其主要借鉴的是降落伞背负机构来进行设计，为了实现背负状态时，康复机械手臂可以始终保持稳定、长久的工作状态，且将肩部的受力情况尽量分散，防治康复机械手臂重压于肩部。

3.驱动系统的总体设计

3.1初始条件

（1）手臂质量为3kg，其中，对于其前臂来讲，重量是1.5kg。（2）整个机体的重量为3.5kg，其中，前臂机构的重量是1.3kg。（3）手臂的长度是0.70m，其中，肩关节至肘关节之间的长度为0.32m。肘部电机与肩关节之间的长度是0.20m，而前臂电机与肘关节对等于腕部电机与肘关节之间的距离，均0.37m，考虑到安全因素，在计算重心时，选择距离的一半。

3.2前臂步进电机与腕部的具体选型

针对腕关节的外展及内收等动作，通常是借助步进电机对把手直接驱动，以此来实现，而对于前臂的外旋动作及内旋动作来讲，其主要借助步进电机来驱动，另外，需要指出的是，前臂实现外旋或内旋的动作较之腕关节实现外展或内收动作，要更为费力。因此，针对这两个动作来讲，在选择电机时，可以选择同一型号。对于腕关节的动作来讲，仅需很小的力便能完成，而对于前臂动作而言，需要由齿轮的传动来提供保障，且所需力比较小。

3.3肩部步进电机的实际选型

无论是肩关节的伸动作或屈动作，还是其内收动作或外展动作，均需要借助电机驱动蜗杆来实现；借助蜗轮蜗杆间的传动来最终达成。由于在实现肩关节上述动作需要要的驱动力是相当的，为了能够更加简单的来计算，可以选择同一型号的电机，而且还能依据有着比较小传动的蜗轮蜗杆传递，最终对肩关节的两个电机给予明确。由于蜗轮蜗杆为其传动形式，为了保障整个计算结果的准确性与可靠性，设定总效率为=0.65，传动比i=45，安全系数n=1.3。经过系统化计算，最终明确为56BYGH414，相同于肘部电机的型号。

4.计算传动部分的承载能力

针对各个传动部分而言，采用直齿圆柱齿轮传动、圆锥齿轮传动、蜗杆蜗轮传动，比如局部蜗杆副，计算其承载能力：选用40Cr蜗杆的材料，ZCuAl10Fe3作为蜗轮的齿面材料。依据驱动参数，T2=12.8kg·cm3。计算接触强度所需要的条件为：。

（1）对接触力进行计算。。在此公式当中，Ze所表示的是材料弹性系数，经查表得知，ZE=155MPa1/2；Zp所表示的是接触因数，经查证得知，Zp=3.4；KA所表示的是使用因数，KA=0.9。经系统化计算得知，=57.15MPa。（2）许用接触应力[]。。此公式当中，Zn所表示的是寿命因数，即ZN=0.6；=250。经过系统计算得知[]=150MPa，即≤[]，也就是强度校核满足要求。

5.结论

综上，本文设计了一种比较实用的五自由度康复机械手臂，且基于ADAMS平台，经系统化分析得知此方案可行。此结构不仅结构简单，且经济实用；如果将此机械手臂用于来年人或残疾人的康复治疗中，能够在较短时间内达成既定动作，加速康复进程，提高他们的自理能力。

参考文献：

[1]吕广明，车仁炜，孙立宁.五自由度上肢康复机械手臂的雅戈比逆矩阵[J].机械科学与技术，2005，22（5）：10-12.

[2]周二振，王钰.基于SimMechanics的六自由度机械臂轨迹规划研究[J].青岛大学学报（工程技术版），2014，29（4）：18-22.

[3]吕广明，孙立宁，唐余勇.五自由度上肢康复机器人的运动学逆解[J].黑龙江大学自然科学学报，2007，24（1）：54-57.