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[摘 要]为了克服人类由于意外事故、先天缺陷、疾病、战争和机体老化等因素产生的腕关节功能障碍或者疾病，本文设计研究了上肢腕关节康复机构。首先介绍了腕关节的结构和工作原理，然后利用ADAMS软件建立了三维模型，并施加了一定的约束，实现了腕关节康复机构的运动学仿真和分析，促进了腕关节的康复运动，为腕关节康复机构的动力学分析和优化设计提供了技术方法。
[关键词]腕关节；康复机构；ADAMS；运动仿真
中图分类号：TH132 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）35-0283-02
1 引言
腕关节的协调运动是保证人体手部正常独立进行活动的必备条件。近年来，国内外相继开发出一些上肢腕关节康复训练装置，胡宇川、季红林[1]等人开发了偏瘫上肢复合运动康复训练器，该机器人的机械臂选择了二连杆机构；哈尔滨工业大学研制了手臂康复机器人，但缺少了对腕关节的康复训练，并且还有部分问题亟待解决。国外从1995年起就进行了上肢康复训练机器人的研制，斯坦福大学开发了伺服系统系列的机器人，可以实现简单的平面运动和空间运动；马里兰大学的Michael Scott Liszka[2]等人开发了一种五自由度上肢康复机器人，尽管考虑到了机械臂的重量、刚性传动及零回差的特点，但在柔顺性、轻巧性和安全性方面有待提高。
本文从腕关节康复机构的结构原理出发，设计了腕关节康复八杆机构，利用ADAMS软件建立三维模型，并对其驱动构件在不同速度下的机构输出性能进行分析，得出了适合机构运动的合适速度范围。对腕关节康复机构的仿真分析能够保证训练装置的安全性，使得患者的腕关节得到有效的康复训练[3]。
2 腕关节康复机构的构型和原理
腕关节康复机构的机构简图如图1所示，图中的杆件分别为a、b、e、f、g，机架h和曲柄c、d。当杆件a做水平运动时，活动杆件分别绕铰链连接点A、B、C、D、E、F、G、H、P旋转，杆件a为输入杆件，根据轨迹发生机构的优化方法，得出H点的轨迹，它能形成与腕关节类似的平面圆弧曲线[4]。此构件能够促进手腕部的运动，特别是腕关节的康复运动[5-6]，当杆件a以一定的速度作水平运动时，H点能够形成与腕关节类似的平面圆弧曲线.。
图1 腕关节康复机构运动简图
3 上肢腕关节的设计与研究
3.1 设置建模工作环境
1）选择系统单位为MMKs，即mm，kg，N，s，deg。
2）设置调整工作网格。
3）重力加速度保持默认值，大小为-9806.65，方向为Y轴负方向。
4）图标的大小保持默认设置为50，如图2所示。
图2 设置ADAMS工作环境
3.2 创建约束副和驱动
根据腕关节康复机构的机构简图，应用ADAMS软件对各个杆件施加约束[7]。在各个杆件间创建旋转副（Revolute Joint），在ADAMS主工具箱中选择移动副驱动（Translational Joint Motion），在Simulation中，设置仿真参数，驱动杆件a的初始速度为10mm/s，仿真终止时间为5，步长为5000[8-9]。在此环境下进行机构运动仿真，观察模型的运动情况，图3为添加好约束和驱动的腕关节康复机构模型。
图3 ADAMS中添加好约束和驱动的腕关节康复机构模型
4 仿真结果和分析
应用ADAMS软件对此上肢腕关节康复机构模型进行仿真分析，可获得各个铰链点的运动学参数]。仿真结果显示铰链连接点G和H点的轨迹较为类似，所以将两点对比分析，图4、5、6、7分别为G和H点的轨迹曲线、位移曲线、速度曲线和加速度曲线。
图中G和H点的轨迹曲线几乎平行，但还是能够发现H点的轨迹曲线稍有明显的转折。从医学的角度来讲，速度和加速度变化较大的位置不适合用于老年人或者腕关节不便者进行初期的康复训练，对比得出H点适合老年人或者腕关节不便者进行腕关节的早期康复训练。
图4 G和H点的轨迹曲线
图5 G和H点的位移曲线
图6 G和H点的速度曲线
图7 G和H点的加速度曲线
5 结论
1） 应用ADAMS软件仿真的结果显示，此腕关节康复机构可形成与腕关节康复运动类似的曲线。
2） 对比分析G和H点，可以发现H点更适合老年人或者腕关节运动不便者进行初期的腕关节康复训练。
参考文献
[1]李妍姝.上肢康复机器人运动学分析与康复运动规划[J].机械传动，2012，36（7）：30-34
[2] Hao-Bo Kang， Jian-Hui Wang. Adaptive control of 5 DOF upper-limb exoskeleton robot with improved safety[J]. ISA Transactions，2013，52（6）：844-852
[3] 李志华，梁朝，孔万增.一种新型上肢康复机器人设计与分析[J].现代设计与先进制造技术，2012，41（15）：47-51
[4] 许路航 王钰 王志乐.上肢外骨骼运动的逆向求解与仿真[J].科学技术与工程，2011，11（14）：3331-3334
[5] Chetan P. Phadke ， Christopher T. Robertson ， Elizabeth G. Condliffe. Upper-extremity H-reflex measurement post-stroke： Reliability and inter-limb differences[J]. Clinical Neurophysiology， 2012，123：1606-1615
[6] Jacqui H. Morris， Frederike Van Wijck， Responses of the Less Affected Arm to Bilateral Upper Limb Task Training in Early Rehabilitation After Stroke： A Randomized Controlled Trial[J]. Arch Phys Med Rehabil，2012（93）： 1129-1136
[7] 陳宏伟，黄立男，季林红.一种机器人辅助的自主循迹训练控制方法[J].康复医学工程，2011，26（2）：160-162
[8] 徐宝国，彭恩，宋爱国.基于运动想象脑电的上肢康复机器人[J].机器人，2011，33（3）：307-313
[9] 唐朝正，贾杰. 脑卒中后手功能障碍康复辅助器具的应用研究[J].中国康复，2013，28（4）：252-254
基金项目
国家自然科学基金资助项目（51275486）
作者简介
尹姣姣（1989-），女，汉族，河南安阳人，身份证号：410511198901221724，中北大学硕士研究生，主要研究方向为机构与机器理论，山西省太原市学院路3号中北大学机械与动力工程学院，15210890613，ayinjiaojiao@163.com
[关键词]腕关节；康复机构；ADAMS；运动仿真
中图分类号：TH132 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）35-0283-02
1 引言
腕关节的协调运动是保证人体手部正常独立进行活动的必备条件。近年来，国内外相继开发出一些上肢腕关节康复训练装置，胡宇川、季红林[1]等人开发了偏瘫上肢复合运动康复训练器，该机器人的机械臂选择了二连杆机构；哈尔滨工业大学研制了手臂康复机器人，但缺少了对腕关节的康复训练，并且还有部分问题亟待解决。国外从1995年起就进行了上肢康复训练机器人的研制，斯坦福大学开发了伺服系统系列的机器人，可以实现简单的平面运动和空间运动；马里兰大学的Michael Scott Liszka[2]等人开发了一种五自由度上肢康复机器人，尽管考虑到了机械臂的重量、刚性传动及零回差的特点，但在柔顺性、轻巧性和安全性方面有待提高。
本文从腕关节康复机构的结构原理出发，设计了腕关节康复八杆机构，利用ADAMS软件建立三维模型，并对其驱动构件在不同速度下的机构输出性能进行分析，得出了适合机构运动的合适速度范围。对腕关节康复机构的仿真分析能够保证训练装置的安全性，使得患者的腕关节得到有效的康复训练[3]。
2 腕关节康复机构的构型和原理
腕关节康复机构的机构简图如图1所示，图中的杆件分别为a、b、e、f、g，机架h和曲柄c、d。当杆件a做水平运动时，活动杆件分别绕铰链连接点A、B、C、D、E、F、G、H、P旋转，杆件a为输入杆件，根据轨迹发生机构的优化方法，得出H点的轨迹，它能形成与腕关节类似的平面圆弧曲线[4]。此构件能够促进手腕部的运动，特别是腕关节的康复运动[5-6]，当杆件a以一定的速度作水平运动时，H点能够形成与腕关节类似的平面圆弧曲线.。
图1 腕关节康复机构运动简图
3 上肢腕关节的设计与研究
3.1 设置建模工作环境
1）选择系统单位为MMKs，即mm，kg，N，s，deg。
2）设置调整工作网格。
3）重力加速度保持默认值，大小为-9806.65，方向为Y轴负方向。
4）图标的大小保持默认设置为50，如图2所示。
图2 设置ADAMS工作环境
3.2 创建约束副和驱动
根据腕关节康复机构的机构简图，应用ADAMS软件对各个杆件施加约束[7]。在各个杆件间创建旋转副（Revolute Joint），在ADAMS主工具箱中选择移动副驱动（Translational Joint Motion），在Simulation中，设置仿真参数，驱动杆件a的初始速度为10mm/s，仿真终止时间为5，步长为5000[8-9]。在此环境下进行机构运动仿真，观察模型的运动情况，图3为添加好约束和驱动的腕关节康复机构模型。
图3 ADAMS中添加好约束和驱动的腕关节康复机构模型
4 仿真结果和分析
应用ADAMS软件对此上肢腕关节康复机构模型进行仿真分析，可获得各个铰链点的运动学参数]。仿真结果显示铰链连接点G和H点的轨迹较为类似，所以将两点对比分析，图4、5、6、7分别为G和H点的轨迹曲线、位移曲线、速度曲线和加速度曲线。
图中G和H点的轨迹曲线几乎平行，但还是能够发现H点的轨迹曲线稍有明显的转折。从医学的角度来讲，速度和加速度变化较大的位置不适合用于老年人或者腕关节不便者进行初期的康复训练，对比得出H点适合老年人或者腕关节不便者进行腕关节的早期康复训练。
图4 G和H点的轨迹曲线
图5 G和H点的位移曲线
图6 G和H点的速度曲线
图7 G和H点的加速度曲线
5 结论
1） 应用ADAMS软件仿真的结果显示，此腕关节康复机构可形成与腕关节康复运动类似的曲线。
2） 对比分析G和H点，可以发现H点更适合老年人或者腕关节运动不便者进行初期的腕关节康复训练。
参考文献
[1]李妍姝.上肢康复机器人运动学分析与康复运动规划[J].机械传动，2012，36（7）：30-34
[2] Hao-Bo Kang， Jian-Hui Wang. Adaptive control of 5 DOF upper-limb exoskeleton robot with improved safety[J]. ISA Transactions，2013，52（6）：844-852
[3] 李志华，梁朝，孔万增.一种新型上肢康复机器人设计与分析[J].现代设计与先进制造技术，2012，41（15）：47-51
[4] 许路航 王钰 王志乐.上肢外骨骼运动的逆向求解与仿真[J].科学技术与工程，2011，11（14）：3331-3334
[5] Chetan P. Phadke ， Christopher T. Robertson ， Elizabeth G. Condliffe. Upper-extremity H-reflex measurement post-stroke： Reliability and inter-limb differences[J]. Clinical Neurophysiology， 2012，123：1606-1615
[6] Jacqui H. Morris， Frederike Van Wijck， Responses of the Less Affected Arm to Bilateral Upper Limb Task Training in Early Rehabilitation After Stroke： A Randomized Controlled Trial[J]. Arch Phys Med Rehabil，2012（93）： 1129-1136
[7] 陳宏伟，黄立男，季林红.一种机器人辅助的自主循迹训练控制方法[J].康复医学工程，2011，26（2）：160-162
[8] 徐宝国，彭恩，宋爱国.基于运动想象脑电的上肢康复机器人[J].机器人，2011，33（3）：307-313
[9] 唐朝正，贾杰. 脑卒中后手功能障碍康复辅助器具的应用研究[J].中国康复，2013，28（4）：252-254
基金项目
国家自然科学基金资助项目（51275486）
作者简介
尹姣姣（1989-），女，汉族，河南安阳人，身份证号：410511198901221724，中北大学硕士研究生，主要研究方向为机构与机器理论，山西省太原市学院路3号中北大学机械与动力工程学院，15210890613，ayinjiaojiao@163.com