臥式下肢康復機器人的設計與研究

張禹 劉林

摘要：針對人體下肢運動能力受損患者，研制了一種新型躺式下肢康復機器人。采用定軌式模擬橢圓形步態軌跡，進行康復訓練。應用UG建模，進行了運動學分析和ADAMS仿真，驗證了機構設計的可行性，具有一定的研究意義。

關鍵詞：康復機器人；建模；分析；仿真

引言

康復機器人的設計與研究是針對人體肢體出現功能障礙的患者，輔助性幫助患者患肢完成各種運動功能的恢復訓練，使其最大程度地恢復或代償原有功能，從而提高他們的獨立生活能力 [1]。

1.整體結構建模

經研究得出，人體實際步態軌跡為近似橢圓軌跡，當患者進行完全或足夠接近正常步態的訓練時，才能夠得到有效的康復訓練[2]。綜合各方面研究分析，初定了整體方案，并進行了UG建模。

該康復機構的主要組成為：步態運動機構，動力傳輸機構，驅動制動器和支撐機構。康復訓練方式采用被動式牽引和主動式蹬踏兩種訓練模式。當進行被動式訓練時，采用伺服電機提供動力，經帶傳動，將動力傳輸到步態運動機構，由步態運動機構帶動人體下肢進行康復訓練。當進行主動式訓練時，由人體下肢推動步態運動機構，經帶傳動機構與制動器相連，達到阻尼訓練目的。

2.運動學分析與仿真

該步態運動機構由兩套相位差為180度且由一根主軸聯結起來的相同單側結構組成。其主運動部件的構成構件有：桿，滑塊和凸輪導軌。

人體下肢與步態機構的聯合模擬模型簡圖，如圖1。圖中點A，B，C分別代表人體下肢的，髖、膝、踝關節點。桿AB代表人體大腿，BC為小腿，CO為人體踝關節到驅動軸心距離，OA為驅動軸軸心到人體髖關節點的距離。其中約束條件有，點A為固定點，桿AB繞點A轉動，構成髖關節轉動副；桿AB和BC鉸接于B點，構成膝關節轉動副。BC與CO鉸接于點C，構成踝關節轉動副。當運動機構工作時，給予桿OA一個角速度輸入量ω，桿OC繞定點O點進行周轉運動，同時帶動滑塊沿桿L3做滑動副運動，C點由于軌跡約束，為沿已定的橢圓軌跡運動。其中角α為髖關節關節角，β為膝關節關節角，γ為踝關節關節角。

兩式聯立即可解得AB、BC桿的角速度 、 。

2.2 運動學仿真

2.2.1 踝關節的速度仿真

將仿真模型導入到ADAMS軟件中，進行參數化設定求解。根據仿真分析需求，設定60o/S和120o/S兩種角速度輸入。測得踝關節速度變化，如圖2示。

圖中左縱坐標代表速度，橫坐標代表時間，實線代表速度變化。60o/S時，速度變化在0.1-0.15m/s之間； 120o/S時，速度變化0.2-0.3m/s之間。即不同輸入時，速值不同，但按一定規律變化，且變化較平緩，變化幅值在人體步速可控范圍內。

2.2.2 踝關節的加速度仿真

如示圖2，右縱坐標代表加速度，橫坐標代表時間，虛線代表加速度變化。60o/S時，加速度值小于0.45m/s2， 120o/S時，加速度值小于1.7m/s2。總體來說，加速度按規律變化，變化較平緩且波動性不大，即加速度仿真結果滿足預期設計要求。

3.結論

本文設計了一款新型下肢康復機器人，并進行了建模和運動學分析仿真，驗證了康復機構的可行性。

下一階段將通過分析各關節角變化規律，進行工作空間研究。由于康復機器人還處于探索與試驗階段，還有許多有待解決和改進的地方，希望本文對康復機器人的設計與研究帶來一定的啟發意義。

參考文獻：

[1]倪俊瑜.下肢康復訓練機器人[J].中國傷殘醫學， 2010， 19（1）：127-128.

[2]夏昊昕，張立勛，王嵐.下肢康復訓練機器人[J].應用科技，2004，31（2）： 4-7.