汪潤 汪鶴翔 朱林珂 張載言 郭亞航

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將康復(fù)醫(yī)學(xué)與機器人技術(shù)相結(jié)合的康復(fù)機器人技術(shù)逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點。為解決當(dāng)前機器人缺乏人性化和個性化設(shè)計和因結(jié)構(gòu)設(shè)計導(dǎo)致機器人控制復(fù)雜的問題，我們開發(fā)了一款基于足底運動軌跡的康復(fù)機器人，它利用行星齒輪系，曲柄搖桿機構(gòu)等裝置，準(zhǔn)確地實現(xiàn)了步態(tài)軌跡。這種結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)正常行走過程中髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的運動規(guī)律。與傳統(tǒng)的步態(tài)康復(fù)機器人相比，具有安全性高，易于控制，操作簡單，貼合度高的特點，減少了患者自主活動的限制，提高了早期康復(fù)患者輔助裝置的適應(yīng)性和舒適性。從而進一步增強康復(fù)設(shè)備的自主性和適應(yīng)性，提高了人機交互能力。

關(guān)鍵詞：康復(fù)醫(yī)學(xué);機器人;足底運動

1.研究目的

截癱是一種影響數(shù)百萬人生活的嚴(yán)重下肢運動系統(tǒng)損傷疾病，目前絕大多數(shù)患者都只能依賴像輪椅這樣的輔具來維持正常生活。而長時間使用輪椅會引起一系列的生理問題，包括褥瘡、骨質(zhì)流失和肌肉萎縮等，因此需要持續(xù)進行運動康復(fù)訓(xùn)練，以降低并發(fā)癥產(chǎn)生的概率。此外，截癱患者在輪椅上久坐導(dǎo)致其視線低于正常人，使得他們自尊心受損和精神壓力增大。盡可能利用患者殘存的運動功能，使其恢復(fù)行走，從而提高其日常生活能力，并最終回歸社會，是康復(fù)機器人的主要任務(wù)。因此，步態(tài)康復(fù)機器人的需求便顯得十分迫切。

國內(nèi)現(xiàn)有7000余家康復(fù)醫(yī)療機構(gòu)，但能提供康復(fù)訓(xùn)練的僅占不到1/3。數(shù)據(jù)顯示，中國已有2000多萬肢體殘疾患者，而其中只有相當(dāng)一小部分（約30多萬人）能得到肢體康復(fù)訓(xùn)練，而效果也不甚相同?？祻?fù)設(shè)備供應(yīng)與臨床需求有著的巨大缺口，所以康復(fù)機器人在中國存在很大的市場和商業(yè)契機。

基于此，我們開發(fā)了一款基于足底運動軌跡的足底驅(qū)動式康復(fù)機器人。精準(zhǔn)實現(xiàn)了正常步行時髖、膝關(guān)節(jié)運動規(guī)律，從而帶動人體髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的組合運動，幾乎可以訓(xùn)練下肢的全部肌肉，達到更好的康復(fù)治療效果。該項目致力于為康復(fù)醫(yī)療做出貢獻，為殘疾人的步態(tài)康復(fù)提高效率和增加可能性，減少國內(nèi)病患，減輕殘疾人的痛苦，為當(dāng)今國內(nèi)康復(fù)醫(yī)療的發(fā)展注入新鮮血液，擴大國內(nèi)康復(fù)醫(yī)療的市場和開拓海外康復(fù)醫(yī)療的市場。

2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

步態(tài)康復(fù)機器人主要是應(yīng)用于偏癱患者。近年來，康復(fù)機器人已成為國際機器人領(lǐng)域的一個研究熱點， 也取得了諸多成果， 諸如外骨骼式、坐/臥式等康復(fù)訓(xùn)練機器人的研究和使用都有了很大程度的發(fā)展。

國外：國外的輔助康復(fù)治療機器人已有很多，所運用到的機器人檢測技術(shù)和控制技術(shù)也各有不同。例如瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和 Hocoma公司聯(lián)合開發(fā)的Lokomat下肢康復(fù)機器人其通過模擬生理步態(tài)軌跡，帶動患者的單側(cè)或雙側(cè)下肢，并精確控制炮臺速度使之與患者步態(tài)相一致，使功能性運動治療與患者的評估、反饋系統(tǒng)有機結(jié)合。同時可以調(diào)整參數(shù)以適合不同患者的需要，顯著提升了腦卒中后偏癱病人屈髖肌群肌力和步行能力。

國內(nèi)：我國對康復(fù)機器人的研究起步比較晚，輔助型康復(fù)機器人的研究成果相對較多，康復(fù)訓(xùn)練機器人方面的研究成果則比較少。而近年來我國國家康復(fù)輔具研究中心、清華大學(xué)、燕山大學(xué)等科研機構(gòu)及高校、企業(yè)共同參與組織并承擔(dān)了諸多國家科技支撐計劃以及863計劃項目課題，例如燕山大學(xué)王洪波教授及其團隊所研發(fā)的坐臥式下肢康復(fù)機器人，具有兩條外骨骼機械腿，三個自由度，能實現(xiàn)多個康復(fù)訓(xùn)練動作。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)橢圓結(jié)構(gòu)的足部驅(qū)動下肢康復(fù)機器人結(jié)構(gòu)簡單，但步態(tài)軌跡復(fù)現(xiàn)程度低，足部姿態(tài)也與正常行走時的姿態(tài)有較大偏差。該機器人主要部分包括步態(tài)模擬機構(gòu)、傳動機構(gòu)，具有驅(qū)動少、容易控制、操作簡單等特點，適合家庭及社區(qū)步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練。此外，足底驅(qū)動方式不對人體膝關(guān)節(jié)施加約束，治療師可根據(jù)需要隨時糾正患者膝關(guān)節(jié)的運動，達到更好的效果。該項目旨在為腦卒中、顱腦損傷等疾病造成下肢功能障礙的患者提供一種輔助康復(fù)的途徑。它是一種可坐臥轉(zhuǎn)換的機器，通過對正常步態(tài)的模擬，由機器電機進行輔助，使患者進行步態(tài)康復(fù)的訓(xùn)練。

步態(tài)模擬機構(gòu)用于實現(xiàn)步態(tài)的精確模擬用以幫助患者進行康復(fù)訓(xùn)練，跟局普通人的步態(tài)模擬曲線，擬采用行星輪系串聯(lián)曲柄滑塊的機構(gòu)去實現(xiàn)步態(tài)曲線的模擬。利用Adams模擬出步態(tài)曲線的方程，采用行星輪系輸出橢圓曲線，通過計算在連桿上尋找運動軌跡符合步態(tài)曲線的點，將此點設(shè)置為踏板的位置。

傳動機構(gòu)用于為步態(tài)模擬機構(gòu)提供動力，采用直流電機以及蝸輪蝸桿來實現(xiàn)傳動的效果。由于服務(wù)對象為下肢能力缺陷的患者，需要較好的人機協(xié)同性，所以通過計算出患者在康復(fù)訓(xùn)練時對踏板輸出的力與步態(tài)速度的關(guān)系，輸出合適的轉(zhuǎn)速。既有效地保證了電機的安全，也能更好實現(xiàn)人機協(xié)同。

通過多次模擬演算，不斷減小誤差，找到了安裝踏板的位置，該點的軌跡與我們查找資料演算得到的人體步態(tài)軌跡近似擬合。對踏板位置的受力預(yù)測，建立機構(gòu)的簡易模型，進行各部分的受力分析、角度測量，然后分析計算出機器人運轉(zhuǎn)所需要的功率，確定電機參數(shù)。

4.發(fā)展趨勢

我國起步較晚，目前還缺乏成熟的、市場普遍認(rèn)可的產(chǎn)品?；谌藱C交互的控制將會是康復(fù)機器人發(fā)展的一個重要主線。這個過程需要我們獲得機器人的狀態(tài)信號、動力學(xué)、運動學(xué)等等。我們開發(fā)的這款步態(tài)康復(fù)機器人主要是應(yīng)用于偏癱患者，幫助其改善平衡功能和下肢肌力，促進步態(tài)重建，提高步行能力。在未來，醫(yī)療水平的提高也注定帶動康復(fù)醫(yī)療的提升，康復(fù)機器會有著十分可觀的前景。

參考文獻：

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合肥工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院 安徽 合肥 230000