復(fù)合式康復(fù)機(jī)械手設(shè)計(jì)

張杰，張志軍，牛興坤，柴娜

(沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

0 引言

康復(fù)機(jī)械手是源于工業(yè)機(jī)械手和醫(yī)用機(jī)械手的結(jié)合，再依據(jù)于人體康復(fù)醫(yī)學(xué)理論而逐步發(fā)展起來的一種新型機(jī)械手.它起源于20世紀(jì)80年代的美國，利用生物力學(xué)原理，用機(jī)器人來規(guī)范受傷肢體的運(yùn)動范圍，重建人體的四肢和器官功能，從而達(dá)到受傷肢體康復(fù)治療的作用［1］.

康復(fù)機(jī)器人作為醫(yī)療機(jī)器人的一個重要分支，它的研究貫穿了康復(fù)醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、機(jī)械力學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)以及機(jī)器人學(xué)等諸多領(lǐng)域［2］，已經(jīng)成為了國際機(jī)器人領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn).

本文借鑒了美國和法國的新型康復(fù)機(jī)械手，自行研制了一種新型氣動復(fù)合式康復(fù)機(jī)械手，用于手臂和手掌的康復(fù)治療之用.

1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)

機(jī)械手由手臂和手掌機(jī)構(gòu)、支撐機(jī)構(gòu)和氣體驅(qū)動機(jī)構(gòu)所組成.其主要特點(diǎn)是將手臂和手掌兩者結(jié)合在一起，利用氣缸作為驅(qū)動元件，由開關(guān)、遙控和計(jì)算機(jī)分別實(shí)現(xiàn)控制.機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)見圖1，由圖可知，機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)分為手臂、手掌、支撐單元和驅(qū)動單元及控制單元.手掌單元見圖中1;手臂單元見圖中2;支撐單元見圖中3;驅(qū)動單元見圖中4;控制單元見圖中5.

設(shè)計(jì)中采用了伸縮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，同軸鉸鏈機(jī)構(gòu);手臂和手掌的曲張等連桿機(jī)構(gòu)，而手臂和手掌的曲張運(yùn)動則分別是由霍爾開關(guān)發(fā)布指令來實(shí)現(xiàn)控制.

圖1 氣動復(fù)合式康復(fù)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)圖

2 機(jī)械手控制系統(tǒng)

該機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮了家用、醫(yī)院用和康復(fù)中心使用等情況，采用了三種控制方式，即開關(guān)量控制、遙控控制和計(jì)算機(jī)控制.總控制框圖見圖2.

2.1 開關(guān)量控制和遙控

開關(guān)量控制和遙控主要用于家庭使用.開關(guān)量控制是由4個24 V的霍爾開關(guān)、8個24 V的繼電器、4個24 V的電磁鐵、4個按鈕開關(guān)和4個指示燈、24 V直流電源組成.

圖2 控制框圖

工作時先按下開關(guān)1接通電源，按開關(guān)2使手臂復(fù)位到原始位置.再按開關(guān)3控制繼電器，繼電器再控制電磁鐵1使其氣缸1的上腔進(jìn)氣，手臂完成向左擺動.手臂走到終點(diǎn)位置后，霍爾開關(guān)5動作控制電磁閥2動作，使其氣缸1的下腔進(jìn)氣，實(shí)現(xiàn)手臂的換向.此后再分別由霍爾開關(guān)1和2控制電磁鐵1和2來實(shí)現(xiàn)手臂機(jī)構(gòu)的循環(huán)往復(fù)運(yùn)動，來帶動手臂的不斷的往復(fù)運(yùn)動.

手掌的往復(fù)運(yùn)動時依靠開關(guān)4、霍爾開關(guān)、繼電器、電磁鐵3和4來實(shí)現(xiàn)的，其工作原理與上述類似.

遙控控制是將遙控的繼電器分別接在不同的開關(guān)上，利用遙控的4個繼電器來替代4個開關(guān)，其后的工作原理與開關(guān)量控制時的原理相同.

2.2 計(jì)算機(jī)控制

計(jì)算機(jī)控制是由2個通信模塊、7個霍爾開關(guān)、4個電磁鐵及計(jì)算機(jī)組成.此外，輸入模塊與霍爾開關(guān)相連，輸出模塊與電磁鐵相連，2個通信模塊的另一個端口共同的與計(jì)算機(jī)相連接，由此完成計(jì)算機(jī)的控制.

控制過程是:4個霍爾開關(guān)完成手臂和手腕的擺動指令信號輸出;其余3個霍爾開關(guān)完成手臂的運(yùn)動速度和擺角計(jì)算的指令信號輸出;2個通信模塊分別由2個單片機(jī)控制，并分別將輸入信號傳輸給計(jì)算機(jī)和將計(jì)算機(jī)的輸出信號傳給電磁鐵，由此完成對康復(fù)機(jī)械手的計(jì)算機(jī)控制.

計(jì)算機(jī)的控制界面是由:病志記錄與查詢系統(tǒng)，運(yùn)動參數(shù)顯示系統(tǒng)，圖像記錄系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)開關(guān)控制系統(tǒng)等組成.計(jì)算機(jī)界面編寫、輸入和輸出模塊程序的編制是用VB語言.

2.3 氣動系統(tǒng)

氣體驅(qū)動機(jī)構(gòu)見圖1中的4，氣動系統(tǒng)由氣泵、2個電磁控單向閥、2個三位五通電磁換向閥、2個雙作用氣缸、1個三聯(lián)件，通過有機(jī)的組合完成對手臂和手腕的驅(qū)動.氣動原理圖見圖3.

圖3 氣動控制原理圖

3 機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)分析

由圖1可知手臂機(jī)構(gòu)是由二段連桿組成，手掌機(jī)構(gòu)是由三副連桿和手掌支撐模塊組成.手臂機(jī)構(gòu)和手掌機(jī)構(gòu)可以各自獨(dú)立的運(yùn)動，也可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動.在設(shè)計(jì)中手臂和手掌間的各連桿點(diǎn)的空間位置決定了整個機(jī)構(gòu)空間的尺寸大小.

按D-H方法對每一連桿建立坐標(biāo)系.坐標(biāo)系O0X0Y0Z0是固定在小臂上的坐標(biāo)系，稱為基礎(chǔ)坐標(biāo)系.以小臂所在直線為軸X軸，腕關(guān)節(jié)的軸線為Z軸，Y軸通過右手螺旋法則確定坐標(biāo)系O1X1Y1Z1.同理可以建立手的坐標(biāo)系.機(jī)械手位姿圖見圖4.

圖4 手臂和手位姿圖

設(shè)計(jì)中將手掌機(jī)構(gòu)嵌入小臂的連桿機(jī)構(gòu)中，并用齊次變換矩陣來描述連桿坐標(biāo)系之間的相對位置和方向［3］.以成人人體手臂骨骼構(gòu)成為依據(jù)，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)尺寸的正確與否.

齊次變換矩陣記為 A，見式(1)［4］.A 矩陣是用來描述連桿機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系之間相對平移和旋轉(zhuǎn)的齊次變換.由圖4可知，連桿1為手臂，連桿2為手.相鄰坐標(biāo)系i和i－1的D-H變換矩陣為

式中，i為連桿編號;αi為連桿扭角;θi為關(guān)節(jié)變量;di為連桿間距.

由圖4可列出機(jī)械手連桿D-H參數(shù)，見附表.

附表 各桿D-H參數(shù)和關(guān)節(jié)變量表

第i坐標(biāo)系相對于基坐標(biāo)系的位姿齊次矩陣Ti是各坐標(biāo)系變換矩陣Ai的連乘積［4］，則圖4中連桿2坐標(biāo)系O2X2Y2Z2的位置和姿態(tài)的運(yùn)動學(xué)方程為

式中，A1是描述手臂坐標(biāo)系(O1X1Y1Z1)相對于基坐標(biāo)系(O0X0Y0Z0)的位姿矩陣;A2是描述手坐標(biāo)系(O2X2Y2Z2)相對于手臂坐標(biāo)系的位姿矩陣.

再由表1參數(shù)得

可知，

由人體手臂工作空間［5］可知，手的位置和姿態(tài)在人體工作空間范圍之內(nèi).

4 結(jié)論

(1)復(fù)合式康復(fù)機(jī)械手設(shè)計(jì)符合人體生理結(jié)構(gòu)，適合于手臂、手掌的康復(fù)運(yùn)動訓(xùn)練;

(2)康復(fù)機(jī)械手采用氣缸驅(qū)動，具有動作可靠、安全、環(huán)保、動作柔順等特點(diǎn);

［1］杜志江，孫傳杰，陳艷寧.康復(fù)機(jī)器人研究現(xiàn)狀［J］.中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，2003，18(5):293-294.

［2］COLOMBO R，PISANO F，MICERA S，et al.Robotic techniques for upper limb valuation and rehabilitation of stroke patients［J］.IEEE TIrans Neural Syst ehabiI Eng，2005:13(3):311-324.

［3］蔡自興.機(jī)器人學(xué)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2000:46-47.

［4］龔振邦，陳振華，錢晉武，等.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1995:64-68.

［5］中國標(biāo)準(zhǔn)化與信息分類編碼研究所.工作空間人體尺寸［OB/OL］.http://dbpub.cnki.net/grid2008/dbpub/，2008.