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(蘇州大學機電工程學院江蘇省機器人與微系統(tǒng)研究中心，江蘇 蘇州 215021)

0 引言

目前，治療足下垂的康復方法有醫(yī)護人員康復訓練法、功能性電刺激療法和穿戴增強功能性踝關節(jié)外骨骼法。醫(yī)護人員康復訓練法雖然可以幫助足下垂患者進行康復訓練，有助于患者的康復，但是此方法不僅受限于醫(yī)護人員的數(shù)量和經(jīng)驗，同時也難以得到客觀定量的康復訓練評價指標[1]。功能性電刺激療法可以防止肌肉萎縮，增強肌力，加強神經(jīng)沖動，促進肢體血液循環(huán)以及神經(jīng)再生，達到康復的目的[2]；但是，功能性電刺激容易使患者被刺激的肌肉產(chǎn)生疲勞，增大患者在行走時摔倒的風險[3- 4]。隨著康復機器人技術的發(fā)展，對于足下垂的矯正康復帶來了一些新的方案，如采用增強功能型踝關節(jié)外骨骼作為助力裝置，但是由于技術并不是十分成熟[4]，現(xiàn)有的助力裝置體積、重量較大，依然存在著便攜性差的問題，而且由于采用電源供電，其還存在著有限的機械功率和能源供給問題[5- 7]。

針對上述情況，提出了一種結合功能性電刺激的足踝背屈助力機構，根據(jù)步態(tài)檢測系統(tǒng)，同時觸發(fā)功能電刺激和助力機構，一方面刺激患者患肢小腿處的脛骨前肌使得肌肉收縮抬足，另一方面，助力機構帶動足部抬起，二者共同幫助踝關節(jié)背屈，以達到足夠的離地間隙，改善患者的行走能力。功能性電刺激的使用，發(fā)揮了患者肌肉收縮的能力，同時降低了對電機和電源的要求，能夠選用體積較小的電機和電源，降低了能耗，增強了整個機構的便攜性和可穿戴性。

1 下肢步態(tài)檢測方法

人體下肢運動是一個典型的周期性運動，1個步態(tài)周期由站立相和擺動相組成，站立相約占步態(tài)周期的60%，擺動相占剩下的40%。根據(jù)人體的踝關節(jié)角度曲線[8]，整個步態(tài)周期可以分成4個部分：第1次趾屈階段(PF1)，第1次背屈階段(DF1)，第2次趾屈階段(PF2)，第2次背屈階段(DF2)，如圖1所示。

圖1 踝關節(jié)角度曲線

與正常人體步態(tài)相比，足下垂患者的步態(tài)首先是整個腳掌著地，在擺動相時期，足處于跖屈位且完全不能主動背屈，而且伴有足內翻。為了能夠幫助足下垂患者正常行走，也就是能夠讓患者的踝關節(jié)角度類似于正常人體的踝關節(jié)角度，即踝關節(jié)角度為本文設計的目標變量。為了能夠檢測下肢步態(tài)的相位信息，采用足底壓力傳感器作為檢測元件。根據(jù)足部與地面是否接觸，又可以將1個完整步態(tài)分為4個步態(tài)相位，分別是足跟著地、足放平、足跟離地和足尖離地。本文將足跟著地、足放平、足跟離地和足尖離地與上文提到的4個階段一一對應起來，如圖2所示。通過足底力傳感器檢測足部與地面是否接觸，從而判斷下肢運動的4個階段。

圖2 人體步態(tài)劃分

圖3 足底力檢測模塊實物及安裝位置

為了能夠準確地判斷下肢的運動狀態(tài)，4個薄膜型壓力傳感器被安裝在足底，安裝位置如圖3所示。足跟著地時與地面接觸的位置比較集中，所以在足跟處，粘貼1個足底力傳感器；在前腳掌處粘貼3個足底力傳感器，分別粘貼在足尖、第1跖骨和第4跖骨處，原因是前腳掌著地時與地的接觸位置不具有對稱性而且面積比較分散，只要3個傳感器中的1個有信號就可以判斷足尖著地。

2 功能性電刺激

在踝關節(jié)趾屈/背屈運動主要關聯(lián)肌肉群中，使踝關節(jié)趾屈的主要肌肉有腓腸肌和比目魚肌,背屈的主要肌肉是脛骨前肌[9]。所以通過刺激患肢的脛骨前肌來可以使患者踝關節(jié)做背屈運動，幫助患者行走。

本文FES單元采用電壓刺激方式，波形為對稱雙向波；刺激時的電壓幅值可調，頻率可調，調節(jié)的方法是在源程序中修改；觸發(fā)方式為足底壓力模塊觸發(fā)，具體功能及功能參數(shù)如表1所示。

表1 FES單元功能及功能參數(shù)

FES單元硬件主要包括控制器模塊、升壓模塊、脈沖電刺激產(chǎn)生模塊、電刺激電極片和電源模塊等，如圖4所示?？刂破鞑捎肧TM8S003F3控制器作為主控制核心。該控制器系統(tǒng)頻率高達16 MHz，具有豐富的片外資源，主要包括8 kB的Flash存儲器、多路10位的ADC通道、3個定時器計數(shù)器、1個異步串行通信接口和1個SPI串行口等?？刂破髂K根據(jù)步態(tài)控制系統(tǒng)給定的信號，產(chǎn)生相應幅度的電刺激波形。升壓電路采用最基本的Boost升壓電路。電刺激脈沖產(chǎn)生模塊可以產(chǎn)生正負雙極性脈沖刺激信號。電極片是連接FES單元與脛骨前肌的執(zhí)行器件。本文采用的是導線式脈沖電極片，這是一種具有粘性可重復使用多次的電極片，貼片尺寸為50 mm×50 mm。電源模塊主要用于產(chǎn)生3.3 V電壓和12 V電壓，分別為控制器、Boost升壓模塊和脈沖電刺激模塊提供電能。FES單元實物如圖5所示。

圖4 FES單元組成

圖5 FES單元實物

3 足踝背屈助力機構

足下垂患者并沒有足跟著地這一時刻，而是整個腳掌著地，在擺動相時期，足處于跖屈位且完全不能主動背屈，呈現(xiàn)“畫圈步態(tài)”，且伴有足內翻。這些異常步態(tài)不僅給患者帶來了大量的能量消耗，同時也大大降低了患者持續(xù)行走的時間，并且增加了患者跌倒的風險[3]。為了能夠幫助足下垂患者矯正異常步態(tài)，主要從以下2個方面考慮：

a.避免患者整個腳掌著地，幫助患者足跟著地，緩慢地將腳掌觸地以防患者因為重心過渡不穩(wěn)導致跌倒。

b.在擺動相，幫助患者進行背屈動作，完成廓清運動。

根據(jù)以上2個要求，設計了一種足踝關節(jié)背屈助力機構。該助力機構主要由驅動電機、定制的渦輪蝸桿減速器、卷繞軸、牽引帶、拉簧、導向軸、腳部連接件和小腿連接機構組成，如圖6所示。首先，拉簧的使用起到緩沖和儲能的作用，保證機構提供的助力是一種漸變式，而非一種突變式的。其次，助力機構和功能性電刺激的結合使用，充分發(fā)揮了患者肌肉收縮的能力，同時降低了對電機和電源的要求，能夠選用體積較小的電機和電源，降低了能耗，增強了整個機構的便攜性和可穿戴性。

助力機構實物如圖7所示。驅動電機采用的是有刷直流電機，功率為90 W，型號為Maxon RE 35。渦輪蝸桿減速器為自主設計的，減速比為30的減速器。腳部連接件用于牽引帶和足部的連接，小腿連接機構由低溫熱塑板和2個綁帶組成，用于連接機構和小腿。驅動電機和蝸輪蝸桿減速器通過聯(lián)軸器連接，蝸輪蝸桿減速器和卷繞軸通過聯(lián)軸器連接；當電機轉動時，卷繞軸纏繞或者釋放牽引帶，從而達到拉動足部和釋放足部的作用。

圖6 機構三維模型

圖7 機構實物

4 控制方法

控制方法采用傳統(tǒng)PID方法?？刂破鹘邮障轮珯z測模塊信號的輸入，進行步態(tài)相位判斷，打開或關閉FES單元，并輸出刺激脈沖給脛骨前肌，同時對直流有刷電機進行位置、速度雙閉環(huán)控制?？刂破鞑捎肁RM系列STM32F103RBT6，主控芯片自帶正交編碼器接口，可以方便地對電機進行伺服控制。驅動電路板采用H橋電路，可適應24～48 V,100 W以內的電機?？刂葡到y(tǒng)硬件的組成如圖8所示?？刂瞥绦蛄鞒倘鐖D9所示。

圖8 控制硬件組成

圖9 控制程序流程

5 工作過程

足下垂康復助力系統(tǒng)主要由下肢步態(tài)檢測模塊、功能性電刺激、足踝背屈助力機構和PID控制器構成。下肢步態(tài)檢測模塊根據(jù)足底壓力估計步態(tài)相位，驅動電機運轉，為足下垂患者提供主動助力；同時打開或者關閉功能性電刺激。當踝關節(jié)角度為零時，電機此時設定為零位。電機使踝關節(jié)背屈為正；反之，使踝關節(jié)趾屈為負。

第1階段(PF1)，當足跟著地時，電機反轉通過卷繞軸緩慢釋放線繩，防止患者整個腳掌瞬間著地，同時關閉功能性電刺激；第2階段(DF1)，第3階段(PF2)，當足放平時，電機正轉通過傳動裝置拉動線繩；當足跟離地時，電機反轉通過傳動裝置快速釋放線繩，防止阻礙足跟上抬，增加腳部蹬地力量；第4階段(DF2)，當足尖離地時，電機正轉通過傳動裝置拉動線繩，打開功能性電刺激，刺激患者患肢脛骨前肌，幫助患者進行背屈運動，從而達到廓清運動的目的。

6 結束語

根據(jù)人體步態(tài)的踝關節(jié)角度，將步態(tài)分為4個階段，分別是第1次趾屈(PF1)、第1次背屈(DF1)、第2次趾屈(PF2)和第2次背屈(DF2)；根據(jù)足部與地面的接觸情況與上述4個階段一一對應；同時提出了將功能性電刺激與踝關節(jié)助力機構結合的方法。目前，本文已經(jīng)完成了足底力采集模塊和FES單元的搭建，踝關節(jié)助力機構的研制，以及該系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的搭建和軟件調試。后續(xù)，會用實驗定量地驗證本文提出的方法。