復合式康復機械手設計

張杰，張志軍，牛興坤，柴娜

(沈陽理工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110159)

0 引言

康復機械手是源于工業機械手和醫用機械手的結合，再依據于人體康復醫學理論而逐步發展起來的一種新型機械手.它起源于20世紀80年代的美國，利用生物力學原理，用機器人來規范受傷肢體的運動范圍，重建人體的四肢和器官功能，從而達到受傷肢體康復治療的作用［1］.

康復機器人作為醫療機器人的一個重要分支，它的研究貫穿了康復醫學、生物力學、機械學、機械力學、電子學、材料學、計算機科學以及機器人學等諸多領域［2］，已經成為了國際機器人領域的一個研究熱點.

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

1 機械手結構

機械手由手臂和手掌機構、支撐機構和氣體驅動機構所組成.其主要特點是將手臂和手掌兩者結合在一起，利用氣缸作為驅動元件，由開關、遙控和計算機分別實現控制.機械手整體結構見圖1，由圖可知，機械手整體結構分為手臂、手掌、支撐單元和驅動單元及控制單元.手掌單元見圖中1;手臂單元見圖中2;支撐單元見圖中3;驅動單元見圖中4;控制單元見圖中5.

設計中采用了伸縮調節機構，同軸鉸鏈機構;手臂和手掌的曲張等連桿機構，而手臂和手掌的曲張運動則分別是由霍爾開關發布指令來實現控制.

圖1 氣動復合式康復機械手的結構圖

2 機械手控制系統

該機械手的控制系統設計考慮了家用、醫院用和康復中心使用等情況，采用了三種控制方式，即開關量控制、遙控控制和計算機控制.總控制框圖見圖2.

2.1 開關量控制和遙控

開關量控制和遙控主要用于家庭使用.開關量控制是由4個24 V的霍爾開關、8個24 V的繼電器、4個24 V的電磁鐵、4個按鈕開關和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1接通電源，按開關2使手臂復位到原始位置.再按開關3控制繼電器，繼電器再控制電磁鐵1使其氣缸1的上腔進氣，手臂完成向左擺動.手臂走到終點位置后，霍爾開關5動作控制電磁閥2動作，使其氣缸1的下腔進氣，實現手臂的換向.此后再分別由霍爾開關1和2控制電磁鐵1和2來實現手臂機構的循環往復運動，來帶動手臂的不斷的往復運動.

手掌的往復運動時依靠開關4、霍爾開關、繼電器、電磁鐵3和4來實現的，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上，利用遙控的4個繼電器來替代4個開關，其后的工作原理與開關量控制時的原理相同.

2.2 計算機控制

計算機控制是由2個通信模塊、7個霍爾開關、4個電磁鐵及計算機組成.此外，輸入模塊與霍爾開關相連，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算機相連接，由此完成計算機的控制.

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

計算機的控制界面是由:病志記錄與查詢系統，運動參數顯示系統，圖像記錄系統和計算機開關控制系統等組成.計算機界面編寫、輸入和輸出模塊程序的編制是用VB語言.

2.3 氣動系統

氣體驅動機構見圖1中的4，氣動系統由氣泵、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個三聯件，通過有機的組合完成對手臂和手腕的驅動.氣動原理圖見圖3.

圖3 氣動控制原理圖

3 機械手的運動學分析

由圖1可知手臂機構是由二段連桿組成，手掌機構是由三副連桿和手掌支撐模塊組成.手臂機構和手掌機構可以各自獨立的運動，也可以實現聯動.在設計中手臂和手掌間的各連桿點的空間位置決定了整個機構空間的尺寸大小.

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

圖4 手臂和手位姿圖

設計中將手掌機構嵌入小臂的連桿機構中，并用齊次變換矩陣來描述連桿坐標系之間的相對位置和方向［3］.以成人人體手臂骨骼構成為依據，檢驗設計尺寸的正確與否.

齊次變換矩陣記為 A，見式(1)［4］.A 矩陣是用來描述連桿機構坐標系之間相對平移和旋轉的齊次變換.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為關節變量;di為連桿間距.

由圖4可列出機械手連桿D-H參數，見附表.

附表 各桿D-H參數和關節變量表

第i坐標系相對于基坐標系的位姿齊次矩陣Ti是各坐標系變換矩陣Ai的連乘積［4］，則圖4中連桿2坐標系O2X2Y2Z2的位置和姿態的運動學方程為

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

再由表1參數得

可知，

由人體手臂工作空間［5］可知，手的位置和姿態在人體工作空間范圍之內.

4 結論

(1)復合式康復機械手設計符合人體生理結構，適合于手臂、手掌的康復運動訓練;

(2)康復機械手采用氣缸驅動，具有動作可靠、安全、環保、動作柔順等特點;

［1］杜志江，孫傳杰，陳艷寧.康復機器人研究現狀［J］.中國康復醫學雜志，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.機器人學［M］.北京:清華大學出版社，2000:46-47.

［4］龔振邦，陳振華，錢晉武，等.機器人機械設計［M］.北京:電子工業出版社，1995:64-68.

［5］中國標準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.