康复机器人的振动特性分析

朱德海

【摘  要】康复机器人现在发展的还是比较成熟的，但大都是下肢的康复，比如辅助行走、膝关节的往复摆动及髋部分的三自由度康复设备;但对于上肢，还是比较稀缺的。现在很多高校都有上肢部分的试验机，但总的来说，没有临床试验经验，并且，上肢结构复杂，功能性shoulder gridle错综连接，并且人的运动角度与支持骨结构及肌肉连接比例复杂，所以，上面的康复设备（试验机）都没有全部满足上肢康复的要求。

【关键词】康复;试验机;机器人;

Abstract：Rehabilitation robots are still relatively mature，but most of them are lower limb rehabilitation，such as assisted walking，reciprocating swing of knee joint and three-degree-of-freedom rehabilitation equipment of hip part.But upper limbs are scarce.Now a lot of colleges and universities have upper part of the machine，but on the whole，has no experience in clinical trials，and the upper extremity structure is complex，functional shoulder gridle intricate connection，and Angle of motion and support bone structure and muscle connection proportion is complex，so the above rehabilitation equipment（machine）are not all meet the requirements of upper limb rehabilitation.

Key words：rehabilitation，testing machine，robot;

1 设计背景

随着社会的发展，人们越来越关注生活的质量。人们向往自由，渴望“走出去”。但是，对于很多身患半瘫的病人来说，在自己不能自理的情况下，还需要一个人专门就那些照料，就像關在牢笼里的鸟儿，失去了本该有的天空。很多脊椎受损的病人，由于得不到锻炼，造成终身瘫痪，这样一来，对后面陪护人员的要求又增加了挑战。“用进废退”一词在人类进化史体现的淋漓尽致。

对肩部解剖学运动分析后，本人设计了一款专门针对上肢脊柱受损后可修复病人的一款康复机器人：采用五自由度的关节机构，分别补偿人肩部关节的三个自由运动及人肩部肌腱的两个自由运动——采用人体外骨科可穿戴设计，机构运动简图如下图所示，其中，J1固连机架，做上下运动，从而使整个机构做上下运动;最后的输出关节为J5，付连于人肱骨位置，通过其余关节结构的连接实现肩部五个自由度的运动。右图是机构运动示意图。

对于目前已经完成的运动系统的三维设计机构，由于运动十分复杂，除了要考虑静态时的连接特性外，还需要考虑在运动时，某一关节在在外加条件激励（如J5运动时，肱骨的一个单自由度运动会给J5关节一个瞬时激励）时整个机械臂的动态特性。这在设计时除了在保证强度、使用条件和最紧凑结构的基础上也要考虑的地方。往往采用有限元分析就可以做到。

针对康复机器人在实际工作中会因受激励振动而影响工作性能，对康复机器人进行谐响应分析，并根据分析情况对康复机器人进行结构改进。此过程中运用proe参数化建模，与Workbench 17.0协助，共同保证康复机器人的强度、刚度，确定固有频率（当然，一旦确定好质量及材料，固有频率就已经确定了）。通过选取最佳优化参数作为优化方案，从而提高机械臂的整体工作性能。确保设计的结构能够承受住不同频率的各种正弦载荷，避免共振发生。

2 康复机器人的模型建立

2.1 康复机器人关节臂的建模

运用proe，对整个康复机器人进行三维建模，整个机构如下图所示：J1关节负责控制整个机构做上下运动，与机架连接，为整个机构的第一输入关节，在实际运动中，以垂直于屏幕的方向旋转，通过齿条机构换向做上下的运动;J2连接J1与J3，采用平行四边形机构，在单自由度运动的情况下，控制整个机构做沿圆弧轨迹摆动，圆弧的摆动半径为J3外壳中点至J2电机输出轴所在轴线的垂直距离。对于J345关节，拟合与人体肩部的运动解剖状态，其交点为肩关节的旋转中心。最后的输出是J5输出臂与人上肢通过CUFF相连，以后所有的康复动作都是通过此链接来实现。在本次模态分析中，主要分析前臂做外张和内收动作时，控制相关运动的关节的活动情况及整个机构相应的模态分析

2.2 机械臂有限元的模型的建立

由于整个机构是个复杂、多自由度机构，可实现五自由度运动，但在实际中，可能为五自由度同时运动，本次分析康复机构的振动及固有特性，所以，所取模型为上肢在外展时的姿态。在此基础上做模态分析。

如静力分析一样，在有限元分析过程中为了节省计算量，需要对模型进行简化，本次简化照片中，只对原螺钉进行简化，简化方式是采用销轴代替，去掉螺母，以减少较小的面;把谐波减速简化为一个实体，并将驱动电机的较小的面去除掉，比如，导线截断面的的去除。将谐波减速器、电机设置成不锈钢，按照密度、体积计算，其质量接近现实质量。将简化后的机械臂模型导入workbench17.0中，设置材料属性，机械臂的各臂体制作材料都选用高性能7075铝合金，7075 铝合金的弹性模量E为71.7 GPa，材料密度ρ为2810kg/m3，泊松比u为0.33.不锈钢的弹性模量E为191GPa，密度ρ为7900kg/m3，泊松比u为0.3。

在细化网格时，将螺钉处，关节链接处进行网格细化及加密处理，细化处网格大小为3mm，普通网格为7mm，共划分为734327个节点，413013个四面体单元，网格质量0.668，质量满足本次分子目的。

3 机械臂的谐响应分析

3.1 响应分析理论

由于整个机构是安装在固定支架上，后续准备采用椅子，用来在其上面进行装配。所以，整个机构可以看做一个多自由度的系统，在原则上具有无限多个自由度。在末端及支架处加负载，满足谐响应通用方程：

上式中，[K]是设备的刚度矩阵，[M]是质量矩阵，[C]是阻尼矩阵，{F}是机器在负载时所受到的激励力矩阵;U以及U的一阶及二阶倒数，分别是速度矢量、加速度矢量及位移矢量。

在本次分析中，在负载定的情况下，负载随着关节的运动角度，整个质量矢量会发生变化，载荷做周期性的简谐变化，其频率为末端执行时，人的康复运转频率，一人而定，一般，经减速器后，最理想为50r/min，本次分析时，设为，那么负载的力矢量{F}和变形量（振幅）{x}满足以下关系：

4 模态分析

4.1 相应分析理论

由于整个康复机构安装在固定椅子上，可认为该分析模型是一个完成的连续关节康复机构体，所以，对此机构增加固定支撑，用来模拟实际工况的模态。

5 结果

本次分析的是康复医疗机器人的模态分析，从分析结果看各关节的能量主要集中在前几阶模态中，叶片的振型形式是上下摆动为主，机构最大变形在第二关节平四边形处，机构最小频率为第一阶固有频率0.0063HZ，接近于0。本次设计的康复机构，采用被动式康复：患者根据机构本身的运动康复频率进行从动运动，应避免上述十阶固有频率;考虑到本文所选取的电机及减速器，应着重避免前4阶自然频率。

參考文献：

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