劉瑞素　邢新闖　劉亞男　葉協(xié)通　王永敏

河北工業(yè)大學(xué)，天津，300130

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腳踏式下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動學(xué)仿真

劉瑞素邢新闖劉亞男葉協(xié)通王永敏

河北工業(yè)大學(xué)，天津，300130

借助于Pro/E軟件建立下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人的三維模型并設(shè)計了可以改變步長運動和進行位姿調(diào)整的步態(tài)運動機構(gòu)。通過實驗，對下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人的工作步速范圍、負載能力以及下肢關(guān)節(jié)運動角度進行分析，驗證腳踏式下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人設(shè)計的合理性。對設(shè)計結(jié)構(gòu)進行了運動學(xué)仿真，仿真結(jié)果表明該機構(gòu)能夠較好地模擬人的實際步態(tài)運動，符合下肢康復(fù)系統(tǒng)的整體要求。

下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人；康復(fù)訓(xùn)練；機構(gòu)模型；運動學(xué)仿真

0　引言

人口老齡化以及多種中樞神經(jīng)相關(guān)疾病導(dǎo)致的下肢運動功能障礙的患者人數(shù)越來越多，該類患者不能僅僅依賴于藥物治療，合理科學(xué)的康復(fù)訓(xùn)練在治療過程中也是必不可少的。在這樣的市場背景下，針對康復(fù)訓(xùn)練機器的研究也陸續(xù)增多，進而逐漸產(chǎn)生了一種新型機器人——下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人，它是能夠有效輔助下肢運動功能障礙患者進行必要的康復(fù)訓(xùn)練的自動化裝置，有助于患者運動機能的恢復(fù)。大量臨床醫(yī)學(xué)經(jīng)驗與理論表明，患者病發(fā)后的6個月為恢復(fù)黃金期，在這段時期除了必要的藥物和手術(shù)治療以外，正確、科學(xué)的康復(fù)訓(xùn)練方法對患者肢體運動功能的恢復(fù)有著非常重要的作用[1]。在康復(fù)領(lǐng)域，康復(fù)訓(xùn)練機器人的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)康復(fù)器械的壟斷局面，提高了產(chǎn)品的技術(shù)含量和市場競爭力[2]。為了能夠更好地發(fā)揮機器人的輔助康復(fù)功能，下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人除了應(yīng)該具有合理的機械結(jié)構(gòu)之外，還需要具有能夠模擬正常人正常步態(tài)運動以及調(diào)節(jié)腳位姿的功能。

國外的下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人比較典型的是瑞士Hocoma AG研發(fā)的Lokomat、德國的LocoHelp、美國的Litegait和Robomedica。這類康復(fù)訓(xùn)練機器人一般包括步行矯正器、體重支撐系統(tǒng)(懸掛裝置)和步行臺，主要用于患者中期和后期的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練，具有較好的醫(yī)療效果，但患者軀干被束縛懸掛，上體活動受限，舒適性差，且價格昂貴[3-4]。目前關(guān)于步態(tài)運動機構(gòu)研究的文獻中，大部分是針對不同結(jié)構(gòu)形式所產(chǎn)生的主運動性能的分析，很少涉及腳姿調(diào)節(jié)運動和改變步長的步態(tài)運動，因此不能保證運動過程中下肢關(guān)節(jié)的運動姿態(tài)，也不能實現(xiàn)步長的調(diào)節(jié)[5-6]。

本文介紹的腳踏式下肢康復(fù)機器人不但結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、經(jīng)濟適用，而且可以實現(xiàn)主運動和腳姿調(diào)節(jié)運動的相互協(xié)調(diào)，同時還可以改變步態(tài)運動的步長和步高，以滿足不同下肢長度患者進行下肢康復(fù)訓(xùn)練的要求。

1　機器人的結(jié)構(gòu)及工作原理

在下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人的設(shè)計中，應(yīng)首先確定康復(fù)動作的路徑和標準。下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人的設(shè)計目的是幫助下肢功能障礙患者逐漸恢復(fù)行走功能[2]，通過控制下肢運動關(guān)節(jié)，使下肢每個關(guān)節(jié)都能仿照正常人協(xié)調(diào)運動。針對人體的行走步態(tài)進行模擬是模擬正常人下肢運動形式的核心。

該下肢康復(fù)機器人的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，機器人主要由步態(tài)控制機構(gòu)、坐式輔助機構(gòu)、外骨骼護罩機構(gòu)及機身部分組成?？刂葡到y(tǒng)由無刷直流電機、連接鏈輪以及外部控制器組成，通過無刷直流電機直接驅(qū)動機構(gòu)帶動踝關(guān)節(jié)運動，從而帶動患者兩條腿運動，實現(xiàn)步態(tài)行走模擬運動，以完成下肢康復(fù)訓(xùn)練動作。外部控制器選用帶有顯示屏的單片機。 步態(tài)運動包括跨步擺動以及踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，是由兩種運動相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)的，跨步擺動是模擬行走的運動，定義為主運動，與之相協(xié)調(diào)的踝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動定義為腳姿調(diào)節(jié)運動。

圖1　下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人總體結(jié)構(gòu)

過去，下肢功能障礙患者在電動踏步機上進行康復(fù)訓(xùn)練時，必須有護理人員協(xié)助才能實現(xiàn)患者腿部和腳部運動的協(xié)調(diào)。為了避免這樣的情況發(fā)生，提高康復(fù)效率，該腳踏式下肢康復(fù)機器人將各個機構(gòu)協(xié)調(diào)運動，通過模擬腳的跨步運動和腳部姿態(tài)來模擬人的行走狀態(tài)。其中，主運動由兩組曲柄搖桿機構(gòu)來實現(xiàn)，機構(gòu)運動過程中這兩個曲柄始終保持180°相位差，從而實現(xiàn)兩個對側(cè)踏板的協(xié)調(diào)運動。將兩個腳踏板分別固定在兩個對側(cè)的連桿上。腳踏板的運動軌跡隨連桿的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)，曲柄轉(zhuǎn)動一周，連接在連桿上的腳踏板回轉(zhuǎn)中心相應(yīng)走過一個類似橢圓的軌跡。根據(jù)不同下肢長度患者的訓(xùn)練要求選擇合適的機構(gòu)參數(shù)，即可按照正常人行走運動軌跡進行模擬訓(xùn)練。

腳姿調(diào)節(jié)運動由一對隨動的曲柄搖桿機構(gòu)來實現(xiàn)，曲柄為原動件，固定在模擬跨步運動的大曲柄上，直流電機經(jīng)鏈傳動帶動大曲柄運動，從而實現(xiàn)小曲柄的運動。該步態(tài)機構(gòu)不但可以用于模擬人行走時的跨步動作，而且可以調(diào)節(jié)在步態(tài)周期中患者的腳踝運動角度。兩側(cè)腳踏板作為連桿機構(gòu)運動末端件，帶動患肢按照類橢圓軌跡進行康復(fù)訓(xùn)練。下面分述主要構(gòu)成構(gòu)件的主要功能以及相關(guān)參數(shù)選擇原則。

1.1下肢驅(qū)動機構(gòu)

選擇由搖桿、腳踏板、連桿、小曲柄構(gòu)成的四連桿機構(gòu)進行研究。由下肢驅(qū)動模型，建立以曲柄轉(zhuǎn)軸中心為原點的坐標系，如圖2所示。

圖2　小腿驅(qū)動機構(gòu)

通過閉環(huán)機構(gòu)方程可以得到E點坐標為

(XE,YE)=(L1cosθ1+L5cosθ2,L1sinθ1+L5sinθ2)

E點的坐標方程為橢圓方程參數(shù)表達形式，即當θ1在(0,2π)區(qū)域內(nèi)連續(xù)變化時，腳踏板所在位置E點形成一個類橢圓的軌跡。通過E點坐標參數(shù)表達式可以看出，影響下肢驅(qū)動機構(gòu)踝關(guān)節(jié)類橢圓軌跡的因素有曲柄長度L1、連桿長度L2、搖桿長度L3、腳踏板到曲柄端點在連桿上的距離L5。運用MATLAB軟件探討改變L1、L2、L3對運動軌跡的影響，見圖3～圖5。

圖3　不同連桿長度L2時的類橢圓軌跡

圖4　不同搖桿長度L3時的類橢圓軌跡

圖5　不同曲柄長度L1時的類橢圓軌跡

由圖3～圖5可以看出，改變連桿長度L2和改變搖桿長度L3對橢圓軌跡曲線的長軸和短軸均沒有太大影響，改變曲柄長度L1對運動軌跡的位置及長短軸均有很大影響。因此可以得出結(jié)論：調(diào)節(jié)類橢圓軌跡的長軸和短軸的最佳方式是調(diào)節(jié)曲柄長度。該腳踏式下肢康復(fù)機器人下肢驅(qū)動機構(gòu)如圖6所示，主運動由兩個并聯(lián)的相位差為180°的曲柄連桿機構(gòu)實現(xiàn)。兩個曲柄上分別設(shè)有不同的限位孔，通過調(diào)節(jié)連桿與具有不同限位孔的曲柄的連接，能夠改變曲柄的有效工作長度，實現(xiàn)步長和步高的調(diào)整，從而達到模擬不同下肢長度患者行走的目的，滿足不同步長步高患者的使用要求。正常身高的人步長約為50cm，步高約為11cm，此時曲柄長度L1應(yīng)選為25cm左右，根據(jù)不同身高患者的要求，選擇不同的曲柄長度進而滿足不同患者的訓(xùn)練要求。腳姿調(diào)節(jié)運動通過一種隨動四連桿機構(gòu)來實現(xiàn)，改變腳踏板角度可實現(xiàn)踝關(guān)節(jié)角度的變化。

圖6　下肢驅(qū)動機構(gòu)

1.2坐式輔助機構(gòu)

圖7　坐式輔助機構(gòu)

大量臨床醫(yī)學(xué)理論證明，具有下肢功能障礙的患者的軀干和下肢承重能力呈大幅度下降趨勢，這也是導(dǎo)致患者步行出現(xiàn)障礙的重要原因。因此在設(shè)計下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人的機械結(jié)構(gòu)時，針對減輕患者部分體重的結(jié)構(gòu)設(shè)計是非常必要的。有了這樣的結(jié)構(gòu)裝置，就能在很大程度上減輕患者腿部關(guān)節(jié)的負擔。本下肢康復(fù)機器人扶手和顯示屏固定在支架上，調(diào)節(jié)座椅的升降高度除了可給下肢減載之外，還可以適應(yīng)不同身高患者的訓(xùn)練姿勢。針對本康復(fù)訓(xùn)練機器人設(shè)計的坐式輔助機構(gòu)，采用調(diào)節(jié)升降的座椅，該座椅采用內(nèi)部液壓系統(tǒng)實現(xiàn)升降，并且可以進行90°旋轉(zhuǎn)調(diào)整，方便人入座和調(diào)整姿勢，此外該結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。其三維模型如圖7所示。

1.3外骨骼護罩機構(gòu)

圖8　外骨骼護罩機構(gòu)

下肢患者在康復(fù)過程中不可避免地會出現(xiàn)腿部側(cè)移和翻轉(zhuǎn)的情況，從而導(dǎo)致康復(fù)訓(xùn)練不能有效進行。為此，針對本康復(fù)機器人設(shè)計了外骨骼護罩機構(gòu)，其模型如圖8所示,主要由腿上半部分、腿下半部分、腿護罩、壓緊螺釘和扣件組成。在康復(fù)訓(xùn)練過程中，機器能夠通過外骨骼護罩機構(gòu)的固定作用，將患者下肢約束在指定的活動范圍內(nèi)，從而避免腿部側(cè)移或翻轉(zhuǎn)情況，保持正確的康復(fù)訓(xùn)練姿勢。外骨骼護罩機構(gòu)的大腿桿和小腿桿均可以進行適當范圍的調(diào)整，從而能夠滿足不同人的體型和身高要求。

2　位姿調(diào)節(jié)機構(gòu)和變曲柄機構(gòu)的設(shè)計

2.1位姿調(diào)整機構(gòu)的設(shè)計

目前的步態(tài)控制機構(gòu)多是簡單的曲柄搖桿機構(gòu)，通常是將腳踏板固定在一運動連桿上，形成類似橢圓的軌跡，但是腳踏板的角度是不可變的，因此可能使患者出現(xiàn)不協(xié)調(diào)運動甚至發(fā)生關(guān)節(jié)損傷。人們逐漸認識到這個問題，很多研究者在此方面展開了研究工作，取得了一定的成就。為了克服這個缺陷，人們往往把結(jié)構(gòu)設(shè)計得很復(fù)雜，或是成本太高，如哈爾濱工程大學(xué)機電一體化實驗室開發(fā)的一種下肢康復(fù)機器人，它直接在兩個踏板上加上滾珠絲杠通過伺服電機控制腳踏板的角度[7]，這樣固然能夠精準調(diào)節(jié)角度，但成本太高而且控制過程中難度明顯增大，不適用于大規(guī)模應(yīng)用。

圖9　位姿調(diào)節(jié)機構(gòu)原理圖

在現(xiàn)有下肢康復(fù)機器人的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，本腳踏式下肢康復(fù)機器人采用了一種結(jié)構(gòu)更加簡單，且能實現(xiàn)其功能的腳踏板位姿調(diào)整機構(gòu)，如圖9所示。在曲柄搖桿機構(gòu)基礎(chǔ)上，曲柄一端與主軸連接，另一端在與連桿相連的同時，連接一個小曲柄，此小曲柄與大曲柄相對靜止并保持一定的夾角。在大曲柄做圓周運動的同時帶動小曲柄也做圓周運動，小曲柄另一端連接一連桿并與腳踏板鉸接，構(gòu)成腳踏板的一個支點，腳踏板上另一支點鉸接在主連桿上，兩副四連桿機構(gòu)可以使得腳踏板一方面在大曲柄的作用下走出類似橢圓的軌跡，另一方面在小曲柄的作用下能夠調(diào)節(jié)踏板的角度，達到角度隨軌跡運動隨動的變化效果，在二者的協(xié)調(diào)配合下，實現(xiàn)人體下肢正常行走步態(tài)。

2.2變曲柄機構(gòu)的設(shè)計

目前很多的下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人只能產(chǎn)生固定步長和步高的類橢圓軌跡，不能進行靈活調(diào)節(jié)，給下肢康復(fù)訓(xùn)練帶來很多不便。一方面，由于不同身高的患者在行走時產(chǎn)生的類橢圓步態(tài)軌跡不同，對步長和步高會有不同的要求；另一方面，同一患者在不同的康復(fù)階段對步長和步高也會有不同的要求，在康復(fù)訓(xùn)練初期，由于下肢活動能力嚴重缺失，可選擇較小的步長和步高，隨著患者下肢活動能力的逐漸恢復(fù)，在康復(fù)訓(xùn)練過程中應(yīng)適當逐步加大步長和步高。因此在設(shè)計下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人的過程中，變曲柄結(jié)構(gòu)的設(shè)計顯得尤為重要。本機器人采取在曲柄上設(shè)計不同限位孔的方法來達到改變曲柄長度從而改變步態(tài)運動軌跡的目的，其工作長度調(diào)節(jié)示意圖見圖10。

圖10　曲柄工作長度調(diào)節(jié)

對于不同的曲柄工作長度，該機器人四連桿結(jié)構(gòu)尺寸以及得到的類橢圓相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1　變曲柄四連桿結(jié)構(gòu)尺寸

3　機構(gòu)運動學(xué)仿真

3.1步態(tài)軌跡曲線的仿真分析

曲柄搖桿機構(gòu)是實現(xiàn)類橢圓軌跡的核心機構(gòu)，是下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人的主體結(jié)構(gòu)部分。該下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人通過調(diào)節(jié)設(shè)在四連桿上不同的限位孔，可實現(xiàn)步長的調(diào)節(jié)，滿足不同身高的患者進行康復(fù)訓(xùn)練。經(jīng)仿真，得出不同身高的步態(tài)軌跡如圖11所示。

圖11　不同身高步態(tài)軌跡曲線圖

根據(jù)資料，健康人平地行走時，一般步長L的范圍為500～800 mm，患者平地行走時，一般步長L的范圍為300～550 mm，該下肢康復(fù)機器人變曲柄機構(gòu)步長L的調(diào)節(jié)范圍為340～460 mm，基本符合患者的使用要求。

3.2腳踝位姿的仿真分析

下肢患者在進行康復(fù)訓(xùn)練過程中除了模擬跨步擺動之外，還需要模擬踝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，且兩者之間的運動是相互協(xié)調(diào)的。為了得到腳踏板的運動規(guī)律，需知道正常人在行走時腳與地面之間角度變化的規(guī)律，據(jù)相關(guān)資料，一個步態(tài)周期T內(nèi)腳與地面之間角度θ變化的曲線見圖12[8]。一個步態(tài)周期T內(nèi)，腳跟著地時即周期T為0處，踝關(guān)節(jié)出現(xiàn)周期中的第一次跖屈高峰，θ的平均值為11.33°±4.71°；跖屈隨后變少，在0.16T處轉(zhuǎn)為背伸，這相當于站立相中期越過支撐足；在0.462T處達到背伸，θ的平均值為10.94°±3.75°；站立相在推離期跟部離地時，再次出現(xiàn)跖屈，在擺動前期跖屈繼續(xù)增加，在0.69T處θ達到第二次高峰值(一周期中最高值)，θ的平均值為15.67°±6.51°；之后踝關(guān)節(jié)跖屈減少并接近中立位，足底與地面大致平行，為足平擺。此周期結(jié)束后將進入下一周期的足跟著地的準備期。

圖12　平地常速步行時踝關(guān)節(jié)在矢狀面上的角度-時間曲線[8]

針對該腳踏式下肢康復(fù)機器人，經(jīng)仿真得出不同身高踝關(guān)節(jié)角度變化曲線見圖13。根據(jù)資料，正常人在行走時，踝關(guān)節(jié)角度γ變化在-12°～16°之間[8]，仿真得到的踝關(guān)節(jié)的角度-時間曲線(圖13)的變化趨勢和參照曲線(圖12)大致吻合，且角度變化值在合理、可行的范圍之內(nèi)，故該腳踏式康復(fù)訓(xùn)練機器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計基本符合患者康復(fù)訓(xùn)練的要求。

圖13　不同身高踝關(guān)節(jié)角度變化曲線圖

4　基于軟件的機構(gòu)仿真

通過軟件在機構(gòu)上建立相關(guān)連接、添加驅(qū)動和定義運動類型來實現(xiàn)機構(gòu)的運動仿真。通過機構(gòu)的運動仿真，可以對下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人進行運動軌跡、位移、運動速度和加速度以及運動干涉的檢查。

在進行康復(fù)時，在曲柄處添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，設(shè)置為勻速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為36°/s，仿真時間t為10 s。仿真結(jié)果如圖14所示。由仿真數(shù)據(jù)得出，在矢狀面范圍內(nèi)患者下肢屈伸活動范圍為0°～145°，伸直活動范圍為0°～20°，均在正常人行走的合理活動范圍之內(nèi)。

(a)t=1 s時機器人運動狀態(tài)　　　(b)t=2.5 s時機器人運動狀態(tài)

(c)t=5 s時機器人運動狀態(tài)　　　(d)t=7.5 s時機器人運動狀態(tài)圖14　機器人運動狀態(tài)圖

5　實驗研究

在軟件數(shù)據(jù)仿真可行的基礎(chǔ)上，還需要進行實驗研究，以驗證該腳踏式下肢康復(fù)機器人的可用性、可行性。根據(jù)最終確定的機構(gòu)尺寸參數(shù)制作出下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人實體模型，如圖15所示。

圖15　下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人實體

為了測量人體進行康復(fù)訓(xùn)練時下肢各關(guān)節(jié)的變化規(guī)律，需要在人體的軀干、大腿、小腿和腳底分別固定角度傳感器，搭建實驗平臺,如圖16所示。通過測量得出，髖關(guān)節(jié)角度轉(zhuǎn)角變化范圍在-11°～30°之間，膝關(guān)節(jié)角度的轉(zhuǎn)角變化范圍在0°～-39°之間，踝關(guān)節(jié)角度的轉(zhuǎn)角變化范圍在-10°～18°(各角度均采用銳角)。正常人行走時，髖關(guān)節(jié)角度轉(zhuǎn)角變化范圍在-12°～31°之間，膝關(guān)節(jié)角度的轉(zhuǎn)角變化范圍在4°～-56°之間，踝關(guān)節(jié)角度的轉(zhuǎn)角變化范圍在-12°～16°之間[9]。通過數(shù)據(jù)比較分析，實驗數(shù)據(jù)在允許的合理范圍之內(nèi)，所以該下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人基本符合患者康復(fù)訓(xùn)練要求。

(a)下肢關(guān)節(jié)角度測量　　(b) 下肢關(guān)節(jié)角度顯示圖16　實驗平臺

6　結(jié)語

本文提出的腳踏式下肢康復(fù)機器人能夠通過調(diào)整自身機構(gòu)參數(shù)來改變步態(tài)運動步長、步高的大小，從而適用于不同下肢長度的患者；能夠較準確地模擬正常人的行走跨步和踝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，并且使兩者協(xié)調(diào)運動。運動學(xué)仿真數(shù)據(jù)結(jié)果表明該機構(gòu)符合下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的整體要求。此外該機器人結(jié)構(gòu)簡單緊湊，利用低成本的設(shè)備就能夠?qū)崿F(xiàn)對患者的下肢進行科學(xué)的康復(fù)訓(xùn)練，適宜推廣，易于產(chǎn)品化。

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(編輯蘇衛(wèi)國)

Design and Simulation of a Lower Limbs Rehabilitative Robot

Liu RuisuXing XinchuangLiu YananYe XietongWang Yongmin

Hebei University of Technology,Tianjin,300130

A three-dimensional model of a lower limbs rehabilitative robot was built with Pro/E software. A gait mechanism which might change the step length and the pose of the ankle was designed. Kinematics simulation was carried out on the lower limbs rehabilitative robot, and the simulation results show that this mechanism may simulate human natural gait movement, and accords with robot system requirements.

lower limbs rehabilitative robot; rehabilitative training; mechanism model; kinematics simulation

2015-12-03

TP242

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.20.005

劉瑞素，女，1963年生。河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院教授。研究方向為機電控制及其自動化。發(fā)表論文20余篇。邢新闖，男，1991年生。河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院碩士研究生。劉亞男，男，1991年生。河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院碩士研究生。葉協(xié)通，男，1991年生。河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院碩士研究生。王永敏，男，1986年出生。河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院碩士研究生。