康復訓練臺的設計及研究

張龍

摘 要：臨床實驗表明，大部分下肢功能障礙都可以通過科學的康復訓練來提高運動能力，本文基于該種現狀，設計一款能用于幫助下肢障礙者進行康復使用的康復訓練臺。通過動作捕捉實驗，獲得了特定人體正常行走時的步態軌跡，采用MATLAB進行數據處理，利用遺傳算法對平面連桿機構進行綜合優化，得到了與人體正常步態軌跡比較接近的連桿機構尺寸及其對應的空間位置，并用SolidWorks軟件建立了康復訓練臺的三維模型。通過設計康復訓練臺，為后續的康復訓練提供服務。

關鍵詞：步態軌跡；遺傳算法；康復訓練臺；有限元分析

中圖分類號：TH789 文獻標識碼：A

隨著經濟的發展，人民的生活水平、醫療條件逐步提高，但是下肢行走失能人數也在不斷增長。疾病因素是我國老年肢體殘疾人群的主要致殘原因。對于運動失能的人群，盡早進行合理的康復訓練，可以促進大腦皮層的可塑性發展，恢復肢體功能，有效地緩解病癥，降低殘疾程度，減少并發癥。以神經可塑性原理為基礎的重復性訓練可實現患者大腦功能重組，通過機械裝置輔助訓練有望使患者逐漸康復。部分減重步行訓練在臨床上的應用就是基于上述原理?；颊哌M行減重步行訓練時，一般需要兩名康復師來輔助，但是康復師的數量有限，難以滿足患者的需求，也無法保證患者的康復訓練時間和強度，這使需要人工輔助的康復訓練的實際療效受到制約。因此，開拓更加廣泛的康復訓練手段和進一步提高康復效率是解決患者運動功能障礙的當務之急。

本文旨在設計一款基于平面連桿機構的能近似實現正常步態軌跡與步行速度的家庭用訓練臺，該訓練臺結構簡單，成本較低，使用安全，能夠為患者提供合理地康復訓練。

1.康復訓練臺的設計

為了設計步態訓練臺，首先應了解人體下肢運動的規律。對于下肢存在運動障礙的患者而言，如果進行相應的關節運動，則能夠帶動下肢肌肉進行收縮與拉伸，促進下肢運動神經系統重建，從而達到下肢康復的目的。步態是指人行走時的姿態，正常的步態是人體以最自然、最舒適的方式完成行走的步態，通常需要神經系統以及骨骼、肌肉進行協調完成。有研究表明，人體運動時的步態軌跡是一個近似橢圓的軌跡，同時，該軌跡并非一成不變地適用于每一個個體。對于不同身高、體重、年齡的人而言，其步態軌跡均是有所差異的。而且，有相關醫學研究表示，下肢康復機器人帶動人體進行康復訓練時，各項步態參數對于康復訓練十分關鍵，這些參數對于患者的康復效果起著決定性作用，并對康復后患者的步態有著較大的影響。因此，為患者提供近似的或者更加精確的步態軌跡顯得尤為重要。

為了獲取人在正常行走時的步態軌跡，首先運用三維動作捕捉系統進行了動作捕捉實驗。圖1為經過處理后得到的踝關節的軌跡。

位置偏差為期望軌跡與生成軌跡對應點Cdi和Ci之間歐氏距離的平方和。Cdi=[CiXd，CiYd]T是期望軌跡目標點，在本文中也就是指通過動作捕捉實驗得到的人體正常步態軌跡的空間位置點。Ci=[CXi，CYi]T=[CX（θi2 ），CY（θi2 ）]T是生成軌跡上與曲柄轉角θi2 對應的位置點。其中為位置偏差，Mh（X）為罰函數，來源于對機構施加的設計約束。

當滿足機構曲柄存在的條件時，M=0，h（X）=0當不滿足曲柄存在的條件時，M是一個很大的數，h（X）=1。為使求解得到的機構尺寸合理實用，各變量的取值范圍應限制在合理的范圍內。為使求解得到的機構尺寸合理實用，各變量的取值范圍應限制在合理的范圍內。初始種群是在搜索空間范圍內隨機生成的設計變量的組合。本文中在變量范圍內隨機生成NP個個體作為初始種群。初始種群需要不斷地向較好的解的群體進化，這是通過自然選擇，交叉，變異過程來實現的。適用度函數表征結果的適應能力，作為自然選擇的依據，用來區分種群中個體的優劣。由于機構綜合時目標函數越小越好，因此適用度函數取目標函數的倒數。變異操作的主要目的是維持種群的多樣性。變異的過程是首先在群體中隨機選擇一個個體，然后將選中的個體按照一定的概率Pm隨機的改變染色體中某個基因的值。Pm通常比較小。針對曲柄搖桿機構，種群規模取150，進化代數取200，變異概率取0.1，交叉概率取0.6，運用MATLAB軟件，編寫遺傳算法程序代碼，計算得到的最優結果如下所示：

其中l1，l2，l3，l4分別為機架、曲柄、連桿、搖桿的長度；r、α代表了執行點相對于連桿的位置；θ0表示機架傾斜的角度。對所得的尺寸進行圓整。

2.康復訓練臺的三維模型

由遺傳算法確定了機構各個關機尺寸，應用SolidWorks軟件建立訓練臺的三維模型如圖3所示。訓練臺主要由機架、曲柄、連桿、搖桿、鞍座、電機、鏈輪、鏈條、曲柄小軸、曲柄滑軸、前后中軸、軸承、軸承端蓋、螺栓、踏板等零部件組成。運用SolidWorks軟件進行機器人機構的運動學仿真。將裝配好的康復訓練臺模型施加運動仿真，并用SolidWorks軟件中的Motion分析進行運動學分析，分別得到踏板中心（即患者腳心）處在X軸與Y軸方向上的速度、加速度。將分析結果數據導入MATLAB中，編寫程序得到曲柄搖桿機構的速度、加速度圖像如圖4所示。故該曲柄搖桿機構得到的軌跡接近人體正常步態軌跡，故選擇曲柄搖桿機構最為康復訓練臺的主體框架結構。

結論

本文從訓練康復下肢障礙患者的角度出發，選擇了足部驅動康復機構進行設計研究；通過動作捕捉實驗，獲得了人體正常行走時的步態軌跡，并用MATLAB編寫程序，運用遺傳算法（GA）對平面連桿機構進行優化綜合，得到了能夠近似實現人體正常步態軌跡的機構尺寸及其對應的空間位置。根據求解得到的機構尺寸，設計了曲柄搖桿機構的康復訓練臺，并建立了訓練臺的三維模型。明確了曲柄搖桿機構康復訓練臺的可行性與正確性，為后續的工程生產制作提供理論參考。

參考文獻

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