曲春鴿，鄒任玲△，劉二寧，項(xiàng)林，盧旭華

(1.上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093； 2.第二軍醫(yī)大學(xué)附屬上海長征醫(yī)院骨科，上海 200003)

1 引 言

脊髓損傷(spina cord injury，SCI)[1]患者有嚴(yán)重的下肢行動(dòng)障礙，日?；顒?dòng)(activities of daily living, ADL)能力下降，嚴(yán)重影響生活質(zhì)量。為改善SCI患者運(yùn)動(dòng)功能和ADL能力，使用康復(fù)儀器進(jìn)行下肢訓(xùn)練是一種非常有效的臨床治療方法[2-4]。步態(tài)訓(xùn)練方式一般分為外骨骼式和踏板式，外骨骼式通常沿著下肢的幾個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)，將儀器固定在腿部，這會(huì)限制腿部的自由度[5-9]。而踏板式幾乎不限制幾個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的自由度，其步態(tài)軌跡更貼合日常生活，不僅可以模擬地板行走，還可以模擬爬樓梯運(yùn)動(dòng)(抬腿與放下)[10-11]，對(duì)患者來說，使用踏板式步態(tài)訓(xùn)練器能更好地適應(yīng)日常生活。下肢康復(fù)初期患者往往需要體重支承(body weight support,BWS)[12-13]減重訓(xùn)練，該方法通過工具支承患者，減輕身體負(fù)重，使下肢能按符合人體運(yùn)動(dòng)學(xué)的步態(tài)進(jìn)行周期性的康復(fù)訓(xùn)練，為無法站立患者初期的康復(fù)提供了一種新思路。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過周期性的訓(xùn)練，有BWS的訓(xùn)練效果明顯好于非BWS訓(xùn)練的效果[14-17]。

目前，BWS系統(tǒng)與步態(tài)訓(xùn)練器結(jié)合已應(yīng)用于臨床，第一類將BWS系統(tǒng)和外骨骼步態(tài)訓(xùn)練器結(jié)合起來，在原地跑步機(jī)訓(xùn)練的Lokomat[18]、Auto-Ambulator[19]、ALEX[20]、LOPES[21]等是采用原地訓(xùn)練方式，無法移動(dòng)，下肢也無法模擬爬樓梯的步態(tài)訓(xùn)練軌跡，訓(xùn)練模式不夠貼合患者日常生活需求；第二類將BWS系統(tǒng)與步態(tài)矯形器結(jié)合起來在地面行走的WalkTrainer[22]、NaTUre-gaits[23]、Walking assistance apparatus[24]等，雖設(shè)有移動(dòng)平臺(tái)，并裝有輪子，具有一定的移動(dòng)性，但其下肢是柔順步態(tài)訓(xùn)練，主要用于步態(tài)矯正，通過運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練恢復(fù)肌肉功能占少數(shù)；第三類將BWS系統(tǒng)與踏板式步態(tài)訓(xùn)練器結(jié)合起來的G-EO-Systems[25]、GaitTrainer[26]、Haptic[27]等，是采用踏板式步態(tài)訓(xùn)練器，但未實(shí)現(xiàn)移動(dòng)訓(xùn)練，無法滿足患者的移動(dòng)意愿。因此，開發(fā)一款能移動(dòng)的與BWS系統(tǒng)結(jié)合的踏板式步態(tài)訓(xùn)練器具有重要臨床意義。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

空間移動(dòng)踏板式康復(fù)訓(xùn)練助行器主要分為支承減重車、踏板式步態(tài)訓(xùn)練器和聯(lián)動(dòng)裝置三個(gè)部分，助行器總體結(jié)構(gòu)見圖1，助行器樣機(jī)見圖2。支承減重車有減重、移動(dòng)和安全保障三方面功能，實(shí)現(xiàn)患者移動(dòng)訓(xùn)練功能。踏板式步態(tài)訓(xùn)練器保證訓(xùn)練功能，置于支承減重車上，采用足底驅(qū)動(dòng)形式，運(yùn)動(dòng)模式可調(diào)節(jié)，確保患者步行訓(xùn)練的個(gè)性化。聯(lián)動(dòng)裝置將踏板式步態(tài)訓(xùn)練器與減重車的車輪相連，實(shí)現(xiàn)踏板和減重車的聯(lián)動(dòng)，使患者步行訓(xùn)練速度與支承減重車移動(dòng)速度匹配，滿足患者在房間移動(dòng)進(jìn)行日常作業(yè)等活動(dòng)的需要，增強(qiáng)患者的獨(dú)立日常生活能力。

注：1.支承減重車；2.踏板式步態(tài)訓(xùn)練器；3.聯(lián)動(dòng)裝置

圖2 助行器樣機(jī)

2.2 支承減重車

支承減重車包括移動(dòng)平臺(tái)、體重支承系統(tǒng)和安全靠背裝置，見圖3。

移動(dòng)平臺(tái)四個(gè)角安裝輪子，前輪是輪轂電機(jī)，安裝在減重車的輪轂支架上，控制左右轉(zhuǎn)向。后輪與聯(lián)動(dòng)裝置連接，是聯(lián)動(dòng)裝置的輸出端，聯(lián)動(dòng)裝置由腳踏板的軌跡驅(qū)動(dòng)，當(dāng)踏板向前運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)后輪向前，反之向后。后輪作為驅(qū)動(dòng)輪，實(shí)現(xiàn)了腳踏板與后輪速度的聯(lián)動(dòng)，配合患者的行動(dòng)意愿，使患者在訓(xùn)練過程中能夠空間移動(dòng)，極大增強(qiáng)患者獨(dú)立訓(xùn)練和生活自理能力。 體重支承系統(tǒng)包含兩部分，一是上肢支承升降裝置，作用于患者腋下；二是跨部支承裝置，作用于患者上肢。這兩部分均能對(duì)患者起到支承作用，避免患者單個(gè)部位承受過大的壓力，同時(shí)，幫助患者保持軀干直立、膝蓋不彎曲，有效地進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練。上肢支承升降裝置由電動(dòng)缸和扶手構(gòu)成，根據(jù)患者的身高控制電機(jī)改變升降臺(tái)高度，患者的上肢作用在升降臺(tái)處，支承一定比例的體重?？绮恐С醒b置的綁帶一端作用于患者胯部，另一端與升降裝置連接，調(diào)節(jié)升降裝置高度，可以改變支承程度，通過綁帶帶動(dòng)患者跨部移動(dòng)，幫助患者處于站立狀態(tài)，對(duì)患者起到支承作用。

因SCI患者運(yùn)動(dòng)控制能力降低，跌倒風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加[28-29]，在訓(xùn)練過程中可能失去平衡，安全靠背裝置是有效的保護(hù)措施，以防患者摔倒。本研究的安全靠背裝置通過卡扣與減重車連接，患者需要從后側(cè)進(jìn)入減重車時(shí)，靠背可拆卸，方便使用，同時(shí)保障患者安全。

注：1.移動(dòng)平臺(tái)；2.安全靠背裝置；

2.3 踏板式步態(tài)訓(xùn)練器

根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)的踏板式步態(tài)訓(xùn)練器，見圖 4。根據(jù)步行運(yùn)動(dòng)軌跡，由三個(gè)電機(jī)控制。絲桿電機(jī)控制絲桿的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，可改變安裝在絲桿上的后滑塊的運(yùn)動(dòng)方向和速度，后滑塊固定塊與腳踏板后端連接，使腳踏板后端與后滑塊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一致。齒輪電機(jī)通過控制齒輪的轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速，改變齒條的運(yùn)行速度和方向，前滑塊連接在齒條上，跟齒條的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一致，前滑塊通過連桿與腳踏板前端連接。前、后滑塊有速度差，腳踏板前端在前后滑塊互相遠(yuǎn)離時(shí)，高度會(huì)下降；在前后滑塊互相靠近時(shí)，高度會(huì)上升。踝關(guān)節(jié)電機(jī)控制腳踏板的角度，位置不同，踝關(guān)節(jié)的角度也不同。根據(jù)步態(tài)軌跡，調(diào)整腳踏板角度，使患者踝關(guān)節(jié)角度適應(yīng)步態(tài)，由此構(gòu)成模擬正常人步行和爬樓梯步態(tài)軌跡的裝置。

2.4 聯(lián)動(dòng)裝置

聯(lián)動(dòng)裝置是實(shí)現(xiàn)步態(tài)訓(xùn)練器與減重車聯(lián)動(dòng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)見圖 5，與步態(tài)訓(xùn)練器和后輪的連接方式，見圖 6。步態(tài)訓(xùn)練器的踏板軸與聯(lián)動(dòng)裝置的滑槽是槽口連接，滑槽將步態(tài)軌跡轉(zhuǎn)化為主動(dòng)小齒輪的周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)給被動(dòng)小齒輪，減重車車輪與被動(dòng)小齒輪軸聯(lián)動(dòng)。當(dāng)踏板向前跨步時(shí)，車輪向前轉(zhuǎn)動(dòng)；向后跨步時(shí)，車輪向后轉(zhuǎn)動(dòng)，能根據(jù)患者的意愿改變減重車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)空間環(huán)境移動(dòng)。

注：1.絲桿電機(jī)；2.齒輪；3.齒輪電機(jī)；4.絲桿；5.腳踏板； 6.踝關(guān)節(jié)電機(jī)；7.后滑塊；8.前滑塊；9.齒條

注：1.滑槽；2.主動(dòng)小齒輪；3.大齒輪；4.被動(dòng)小齒輪

注：1.踏板；2.踏板軸；3.小齒輪軸；4.車輪

3 助行器運(yùn)動(dòng)仿真

對(duì)空間移動(dòng)踏板式步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練助行器進(jìn)行仿真，驗(yàn)證步態(tài)軌跡能通過聯(lián)動(dòng)裝置傳動(dòng)為驅(qū)動(dòng)小齒輪的周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在Solidworks的motion模塊中，給腳踏板添加速度為50 mm/s的軌跡馬達(dá)，參考德國柏林技術(shù)大學(xué)踏板式步態(tài)訓(xùn)練器Haptic模擬平地走路的運(yùn)動(dòng)跟蹤數(shù)據(jù)，步長約為800 mm，抬腿高度約為150 mm[30]，使腳踏板按圖 7所示的步態(tài)軌跡運(yùn)動(dòng)，聯(lián)動(dòng)裝置受到腳踏板的驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)后輪轉(zhuǎn)動(dòng)。在豎直方向上添加引力，根據(jù)助行器最大承載能力為體重100 kg的患者，單側(cè)踏板承擔(dān)50 kg載荷，即500 N，在踏板表面添加500 N垂直于踏板的力。

圖7 步態(tài)軌跡

計(jì)算得后輪和腳踏板角速度曲線，見圖8，在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)，給予步態(tài)軌跡一個(gè)50 mm/s的穩(wěn)定輸入速度，與其聯(lián)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)小齒輪角速度曲線光滑無尖點(diǎn)，傳動(dòng)平穩(wěn)。后輪角速度曲線隨著驅(qū)動(dòng)小齒輪角速度曲線的變化而變化，說明踏板驅(qū)動(dòng)聯(lián)動(dòng)裝置傳動(dòng)給后輪的過程中，有一定的相關(guān)性，且輸出平穩(wěn)，未發(fā)生較大震動(dòng)，在患者(假定最大體重100 kg)訓(xùn)練過程中，聯(lián)動(dòng)裝置有較好的驅(qū)動(dòng)效果，可以使后輪平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，表明空間運(yùn)動(dòng)聯(lián)動(dòng)的設(shè)計(jì)是合理的。

圖8 仿真結(jié)果

4 系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

助行器的系統(tǒng)控制包括步態(tài)訓(xùn)練器軌跡控制、支承減重機(jī)構(gòu)控制以及移動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)向控制三部分。步態(tài)軌跡以及支承機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)由USB1020運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)，USB1020分別控制4軸獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，包括步態(tài)訓(xùn)練器的三個(gè)閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)以及支承減重系統(tǒng)的伺服電動(dòng)缸，運(yùn)動(dòng)控制模塊，見圖 9。單側(cè)踏板由三個(gè)閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用取點(diǎn)法將步態(tài)軌跡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)，根據(jù)所取兩點(diǎn)間的近似直線距離，轉(zhuǎn)換為電機(jī)運(yùn)動(dòng)情況所需脈沖數(shù)。程序發(fā)送所需脈沖，并基于運(yùn)動(dòng)控制卡提供的三軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)功能編程，完成整個(gè)康復(fù)訓(xùn)練軌跡的模擬。

圖9 運(yùn)動(dòng)控制模塊

移動(dòng)平臺(tái)前輪裝有兩個(gè)輪轂電機(jī)作為移動(dòng)模塊的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。兩側(cè)腳踏板下方各布置了兩個(gè)壓力傳感器，以左右足底壓力差為依據(jù)，獲取患者的轉(zhuǎn)向意圖。當(dāng)差值超過設(shè)定范圍時(shí)，控制前輪輪轂電機(jī)向壓力較大的一側(cè)轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)助行器的移動(dòng)轉(zhuǎn)向。后輪與聯(lián)動(dòng)裝置配合，由步態(tài)軌跡驅(qū)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)方向與患者邁步方向一致，實(shí)現(xiàn)同步移動(dòng)訓(xùn)練功能。移動(dòng)模塊見圖 10。

圖10 移動(dòng)模塊

5 總結(jié)與討論

本研究的踏板式康復(fù)訓(xùn)練助行器，通過聯(lián)動(dòng)裝置連接腳踏板與后輪兩部分，在Solidworks的Motion模塊中對(duì)助行器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，給腳踏板設(shè)定步態(tài)軌跡，通過聯(lián)動(dòng)裝置傳動(dòng)給后輪，改變助行器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。仿真結(jié)果表明，后輪的角速度隨著驅(qū)動(dòng)小齒輪角速度的改變而改變，運(yùn)動(dòng)曲線光滑無尖點(diǎn)，輸出穩(wěn)定無卡死情況，且未發(fā)生較大震動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境下，助行器可以很好地配合患者的行動(dòng)意愿，實(shí)現(xiàn)同步移動(dòng)訓(xùn)練功能，增強(qiáng)患者日常生活自理能力。助行器采用兩部分體重支承裝置，分別作用于患者的上肢和胯部，將壓力分布于多個(gè)部位，避免單個(gè)部位受壓過大，使患者訓(xùn)練更加舒適。設(shè)置的安全靠背裝置，可防止患者摔倒受傷，保障患者訓(xùn)練過程中的安全。后續(xù)將進(jìn)一步進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證助行器的運(yùn)動(dòng)及訓(xùn)練功能在實(shí)際環(huán)境中的有效性。