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

来源：机械工程学报杂志2018年第3期北京时间：

作者：李剑锋, 刘钧辉, 张雷雨, 陶春静, 季润, 赵朋波

单位：1. 北京工业大学北京市先进制造技术重点实验室 北京 100124;2. 国家康复辅具研究中心 北京 100176

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。

关键词：肩关节康复,人机相容性,外骨骼机构,运动灵活性,运动学分析；

基金资助：国家自然科学基金（51675008，51705007）、北京市自然科学基金（3171001）、中国博士后科学基金（2016M600021）和北京市科技计划（Z161100001516004）资助项目。