陳岱民，孟令洋，史堯臣

(長(zhǎng)春大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

隨著老齡化問(wèn)題的加速，國(guó)民健康問(wèn)題引起了社會(huì)和國(guó)家的關(guān)注。偏癱患者、脊髓受損患者、中風(fēng)患者和下肢肌肉力量不足患者，平衡能力下降、站立行走困難，統(tǒng)稱為下肢功能障礙患者。傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練方法無(wú)法保證患者每次都能按照設(shè)定好的運(yùn)動(dòng)軌跡完成康復(fù)訓(xùn)練，不僅效率低、量化性差，而且在無(wú)保護(hù)措施下容易造成患者的二次傷害[1]。國(guó)外對(duì)下肢康復(fù)醫(yī)療器械領(lǐng)域的研究比較早，2010年，日本筑波大學(xué)的Atsushi Tsukahara研制的robot suit HAL能夠幫助完全截癱患者實(shí)現(xiàn)下肢的坐-站轉(zhuǎn)換以達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練效果[2]，2015年，吉林大學(xué)劉坤等研制的懸吊式下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)用于輔助患者的站起康復(fù)訓(xùn)練[3]。本文設(shè)計(jì)了一種能夠替代人工護(hù)理的裝置，使下肢功能障礙患者能夠按照期望的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行坐-站轉(zhuǎn)換康復(fù)訓(xùn)練。

1 康復(fù)訓(xùn)練裝置設(shè)計(jì)及工作原理

康復(fù)訓(xùn)練裝置通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)傳遞運(yùn)動(dòng)提供輔助力，支撐患者臀部按照期望的軌跡完成坐-站轉(zhuǎn)換康復(fù)訓(xùn)練，逐漸恢復(fù)下肢關(guān)節(jié)和肌肉力量。本文設(shè)計(jì)的康復(fù)訓(xùn)練裝置由步進(jìn)電機(jī)、蝸輪蝸桿減速器、同步帶傳動(dòng)、護(hù)欄架、立柱、橫梁、座椅等組成，如圖1所示。具有3個(gè)自由度，分別是在矢狀面的水平運(yùn)動(dòng)、垂直運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。初始狀態(tài)訓(xùn)練時(shí)，下肢功能障礙患者坐在裝置平臺(tái)護(hù)欄架內(nèi)的座椅上，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)經(jīng)蝸輪蝸桿減速器和同步帶傳動(dòng)控制橫梁作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)上的座椅沿著橫梁的方向移動(dòng)，滾珠絲杠尾端的編碼器用于測(cè)量移動(dòng)平臺(tái)的位移量，通過(guò)協(xié)調(diào)控制兩步進(jìn)電機(jī)使座椅處的運(yùn)動(dòng)軌跡和患者坐-站轉(zhuǎn)換過(guò)程中臀部質(zhì)心處的運(yùn)動(dòng)軌跡重合，以達(dá)到輔助下肢功能障礙患者坐-站轉(zhuǎn)換康復(fù)訓(xùn)練的目的。

2 康復(fù)訓(xùn)練裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解分析

在坐-站轉(zhuǎn)換過(guò)程中，下肢功能障礙患者以矢狀面為對(duì)稱，左右兩部分的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是一致的。因此，可以在平面內(nèi)研究患者的坐-站轉(zhuǎn)換過(guò)程。某年齡24歲，身高178cm，體重70kg的健康男子在坐-站轉(zhuǎn)換過(guò)程中，臀部質(zhì)心處的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示[4]，坐姿時(shí)，臀部質(zhì)心在點(diǎn)A全站立后臀部的質(zhì)心隨軌跡曲線移動(dòng)到點(diǎn)B，以此作為康復(fù)訓(xùn)練裝置的參考運(yùn)動(dòng)軌跡。為了將該軌跡分解為兩步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，需要通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆分解將如圖2所示的運(yùn)動(dòng)軌跡分解為坐-站轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)時(shí)裝置的旋轉(zhuǎn)角速度和移動(dòng)位移量。以康復(fù)訓(xùn)練裝置底部為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平方向?yàn)閤軸，垂直方向?yàn)閦軸，對(duì)人體坐-站轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解分析，如圖3所示，則人體坐-站轉(zhuǎn)換過(guò)程的合成速度為：

(1)

設(shè)橫梁在徑向平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度為v3，根據(jù)平行四邊形法則得：

v3(t)=v(t)sin[θ1(t)+θ2(t)]，

(2)

式中，θ1為橫梁與水平方向的角度，θ2為v1與v之間的夾角。則橫梁以回轉(zhuǎn)軸心旋轉(zhuǎn)的角速度為：

(3)

由圖3分析得移動(dòng)平臺(tái)沿滾珠絲杠滑動(dòng)的速度為v4：

v4(t)=v(t)cos[θ1(t)+θ2(t)]，

(4)

則移動(dòng)平臺(tái)上座椅移動(dòng)的位移量為：

x=v4·Δt。

(5)

按照式(3)和(5)通過(guò)Matlab計(jì)算得到角速度ω與時(shí)間t的關(guān)系曲線如圖4所示，位移量x與時(shí)間t的關(guān)系曲線如圖5所示。

3 康復(fù)訓(xùn)練裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

為了驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)學(xué)逆分解結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)康復(fù)訓(xùn)練裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。為了減小計(jì)算量、提高計(jì)算速度，將康復(fù)訓(xùn)練裝置簡(jiǎn)化為由護(hù)欄架、立柱、橫梁和移動(dòng)平臺(tái)組成的4個(gè)剛體。根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練裝置各構(gòu)件間的裝配連接關(guān)系，在整個(gè)護(hù)欄架上添加固定副，在立柱和橫梁之間添加旋轉(zhuǎn)副，在橫梁和移動(dòng)平臺(tái)之間添加移動(dòng)副，將計(jì)算得到的角速度和位移量利用樣條插值函數(shù)(Spline AKISPL函數(shù))控制旋轉(zhuǎn)角速度驅(qū)動(dòng)和直線位移驅(qū)動(dòng)。

依據(jù)人體坐-站轉(zhuǎn)換所需時(shí)間，設(shè)置仿真時(shí)間長(zhǎng)為3s，步長(zhǎng)為200進(jìn)行仿真分析，仿真完成后繪制模型移動(dòng)平臺(tái)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡曲線與實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)比如圖6所示。由圖可以看出，人體坐-站轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)軌跡與仿真運(yùn)動(dòng)軌跡近似重合，最大偏差小于2%。仿真過(guò)程運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所示。移動(dòng)平臺(tái)質(zhì)心水平方向x、豎直方向z的位移、速度、加速度隨時(shí)間變化曲線如圖8至10所示。圖8表明臀部質(zhì)心從坐姿處到站立處位移逐漸增大，站立點(diǎn)坐標(biāo)為(615,900)，圖9表明臀部質(zhì)心處x方向速度逐漸增大，最大速度達(dá)到123mm/s，z方向速度先增大后減小，最大速度達(dá)到70 mm/s后逐漸減小到0mm/s；圖10表明該裝置的運(yùn)動(dòng)過(guò)程是比較平穩(wěn)的，x方向最大加速度是204mm/s2，z方向最大加速度是77mm/s2，即人體坐-站轉(zhuǎn)換過(guò)程是相對(duì)較平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于康復(fù)訓(xùn)練裝置的三維設(shè)計(jì)，通過(guò)參考人體坐-站轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解分析，得到裝置的旋轉(zhuǎn)角速度和移動(dòng)位移量，運(yùn)用RecurDyn多體動(dòng)力學(xué)仿真分析，驗(yàn)證了此裝置可以追蹤人體坐-站轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)軌跡，最大偏差小于2%，能夠?qū)崿F(xiàn)下肢功能障礙患者按照期望的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行坐-站轉(zhuǎn)換康復(fù)訓(xùn)練。