人机相容型肩关节康复外骨骼机构的运动学与灵活性分析

摘要

针对人体肩关节运动障碍的康复训练需求,提出一种3R-PU型串联肩关节康复外骨骼机构,可以实现肩关节的内收/外展、前屈/后伸和内旋/外旋运动。通过在人机界面引入被动关节P和U,使外骨骼机构与上臂形成的人机闭链转化为3-DOF运动学恰约束系统,实现外骨骼机构与人体上臂的运动学相容。基于人体肩部各关节间的运动耦合分析,得到盂肱关节转心(Center of glenohumeral,CGH)在上臂抬升过程中相对于胸骨的位置变化关系。通过建立人机闭链的运动学模型,并进行位置逆解析,得到外骨骼机构各运动副的角位移变化曲线;同时,推导了人机闭链的速度雅可比矩阵,进行了运动灵活性分析。结果表明:被动关节P和U的运动幅度均较大,引入被动关节有益于解除人机界面处的运动约束,进而降低人机之间的约束强度;当上臂在0°、45°、90°和135°抬升面内运动时,外骨骼机构具有较好的运动灵活性。研究结果为外骨骼机构的运动规划与控制提供了分析依据。