下肢站立康復(fù)訓練裝置運動軌跡聯(lián)合仿真分析

陳岱民，韓舒宇

(長春大學 機械與車輛工程學院，長春 130022)

由于身體機能衰退，心腦血管疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的老年患者逐漸增多，其中腦卒中患者占比較大，很多人肢體偏癱、甚至截癱。隨著老齡化的加劇，國內(nèi)外學者越來越重視下肢運動功能障礙患者的康復(fù)問題[1]。2011年，韓國延世大學Inho Kim等人針對老年人和殘疾人研制了一種坐-站轉(zhuǎn)換的機器人系統(tǒng)“Smart Mobile Walker(SMW)”，通過對該系統(tǒng)進行運動學分析，確定了SMW輔助老年人和殘疾人坐-站轉(zhuǎn)換康復(fù)運動的最佳運動軌跡[2]。2012年，美國凱斯西儲大學的Thomas C.Bulea研制了一款用于下肢部分肌肉癱瘓患者的垂直升降式助行器，由雙邊氣彈簧提供垂直升力使患者完成純垂直運動，該力大約為體重的80%，可輔助患者完成從坐姿到站立的康復(fù)訓練[3]。2014年，合肥工業(yè)大學的倪軍針對中風偏癱患者設(shè)計了一種新型坐姿下肢康復(fù)機器人，基于運動學分析利用ADAMS建模仿真驗證了該機器人可滿足不同身高患者的使用要求[4]。2016年，南京理工大學的張建云針對下肢行走功能障礙患者設(shè)計開發(fā)了一款移動式新型步行康復(fù)訓練機器人，并設(shè)計了機器人控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)步行康復(fù)訓練功能[5]。針對下肢運動功能障礙患者的站立康復(fù)問題設(shè)計了一款下肢站立康復(fù)訓練裝置，通過控制系統(tǒng)與機械系統(tǒng)聯(lián)合仿真驗證患者能否按照人體站立實際運動軌跡平穩(wěn)地實現(xiàn)站立康復(fù)訓練動作，滿足不同患者的站立訓練要求。

1 下肢站立康復(fù)訓練裝置的機械結(jié)構(gòu)

基于下肢站立的康復(fù)訓練裝置，目的是通過控制系統(tǒng)驅(qū)動機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)下肢功能障礙患者按照規(guī)劃的運動軌跡完成站立康復(fù)訓練，期望幫助患者恢復(fù)下肢運動機能。由于下肢運動功能障礙患者在進行站立康復(fù)運動時，要求整個過程能夠平穩(wěn)完成，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，需要對康復(fù)訓練裝置提出具體的設(shè)計要求，那么根據(jù)目前國內(nèi)外康復(fù)訓練裝置的使用性能要求、測試要求和國家標準，提出的下肢站立康復(fù)訓練裝置的主要技術(shù)指標如表1所示。

表1 下肢站立康復(fù)訓練裝置的技術(shù)指標表

續(xù) 表

基于三維設(shè)計對下肢站立康復(fù)訓練裝置進行結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，由足底壓力測量系統(tǒng)、驅(qū)動電機、蝸輪蝸桿傳動系統(tǒng)、輔助支撐系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和工控機等組成。下肢站立康復(fù)訓練裝置的具體工作原理如下：初始狀態(tài)時，下肢運動功能障礙患者平穩(wěn)地坐在裝置平臺內(nèi)的坐墊上，由旋轉(zhuǎn)電機通過蝸輪蝸桿減速器帶動橫梁旋轉(zhuǎn)，同時，直線運動電機通過絲杠導軌系統(tǒng)帶動臀部支撐系統(tǒng)實現(xiàn)直線運動，在兩臺電機的協(xié)調(diào)控制下使直線運動和旋轉(zhuǎn)運動疊加完成站立過程中對髖關(guān)節(jié)運動軌跡的模擬，使患者隨著橫梁在徑向平面內(nèi)緩慢站立，達到了輔助下肢運動功能障礙患者進行站立康復(fù)訓練的目的。

2 下肢站立康復(fù)訓練裝置的運動軌跡分析

由于不同年齡段、身高、體重的患者下肢關(guān)節(jié)長度、站立過程中的運動速度、活動范圍和運動姿態(tài)不同，在對下肢站立康復(fù)訓練裝置設(shè)計時，需要對其運動軌跡進行分析。為了分析下肢站立康復(fù)訓練裝置的運動軌跡，將裝置進行結(jié)構(gòu)簡化，以康復(fù)訓練裝置支座與固定板的連接處作為原點O，水平方向為X，垂直方向為Y，建立坐標系XOY(如圖2所示)，其中，l1為小腿長度，l2為大腿長度，B點為膝關(guān)節(jié)位置，A點為髖關(guān)節(jié)位置，設(shè)髖關(guān)節(jié)坐標為A(xa，ya)，由于實際站立時根據(jù)坐姿不同B點位置與人體膝關(guān)節(jié)位置存在一定的水平距離，所以為了保證站立時髖關(guān)節(jié)的運動軌跡與人體正常站立時軌跡相同，需要通過直線電機控制A點沿l2方向?qū)崿F(xiàn)往復(fù)運動。假設(shè)人體初始坐立狀態(tài)時髖關(guān)節(jié)與小腿成90°理想狀態(tài)，根據(jù)運動學分析可以求出髖關(guān)節(jié)坐標為：

(1)

由于下肢站立康復(fù)訓練裝置的運動速度關(guān)系到患者康復(fù)訓練時的平穩(wěn)程度，初期康復(fù)訓練時，由于患者的心理和生理因素影響，要以較低的速度進行站立康復(fù)運動，康復(fù)訓練中后期可以逐漸提高訓練速度，提高患者的平衡控制能力和下肢肌肉力量，所以，訓練裝置的角速度和直線速度應(yīng)該保證平順，同時，患者的髖關(guān)節(jié)位置的合成速度也應(yīng)平穩(wěn)，避免速度突變產(chǎn)生的沖擊。

由式(1)髖關(guān)節(jié)位置的運動軌跡可以求出髖關(guān)節(jié)的運動速度為：

(2)

則髖關(guān)節(jié)的加速度為：

(3)

為適應(yīng)不同康復(fù)訓練患者的身高、站立速度，需要求出旋轉(zhuǎn)電機控制的角度θ，才可以利用控制系統(tǒng)進行運動軌跡控制，由式(1)可以求得：

(4)

則可根據(jù)式(4)求出角度θ的運動規(guī)律為：

(5)

下肢站立康復(fù)訓練裝置的旋轉(zhuǎn)角度與人體下肢尺寸參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系充分描述了患者站立過程的運動范圍，上述推導的運動方程可建立人體站立的動態(tài)模型。

3 基于RecurDyn的下肢站立康復(fù)訓練裝置運動控制仿真

為了直觀地分析下肢站立康復(fù)訓練裝置在控制系統(tǒng)下的運動軌跡，需要將機械系統(tǒng)模型和控制系統(tǒng)模型聯(lián)合進行仿真分析。為了驗證下肢站立康復(fù)訓練裝置的控制系統(tǒng)能否滿足站立康復(fù)訓練的要求，針對下肢站立康復(fù)訓練裝置的閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，利用多體動力學分析軟件RecurDyn的colink控制求解器進行機械系統(tǒng)的運動仿真，實現(xiàn)機械和控制系統(tǒng)的協(xié)同仿真。

RecurDyn的colink控制仿真主要流程如圖3所示，首先，建立下肢站立康復(fù)訓練裝置機械系統(tǒng)模型，導入到RecurDyn多體動力學分析軟件中，驗證模型準確性。其次，對機械系統(tǒng)模型施加運動約束和驅(qū)動約束，施加各構(gòu)件之間的接觸副和底座與地面之間的固定副等。然后，創(chuàng)建下肢站立康復(fù)訓練裝置機械系統(tǒng)模型的輸入和輸出接口。隨后在colink工具箱中建立力位混合控制系統(tǒng)框圖，建立康復(fù)訓練裝置的控制方案，如圖4所示。最后，設(shè)置仿真時長和迭代運算補償進行控制系統(tǒng)與機械系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析計算，對仿真結(jié)果進行分析。

在RecurDyn中，選擇File菜單下的Import，選擇.rad文件，導入計算結(jié)果，進行運動仿真結(jié)果回放，下肢站立康復(fù)訓練裝置混合控制系統(tǒng)與機械裝置聯(lián)合仿真運動過程圖如圖5所示。由圖5可知，隨著人體站立運動的完成，下肢站立康復(fù)訓練裝置在90°到180°范圍內(nèi)運動，此結(jié)果能夠滿足下肢運動障礙患者的站立康復(fù)要求。仿真完成后對臀部支撐部件的運動軌跡進行分析，與健康人體站立過程中髖關(guān)節(jié)運動軌跡對比如圖6所示，實際站立運動軌跡與仿真運動軌跡吻合度較高，最大偏差小于2%，說明該控制系統(tǒng)可滿足下肢運動功能障礙患者站立康復(fù)訓練的運動軌跡要求。

4 結(jié)論

針對下肢運動功能障礙患者的站立康復(fù)訓練需求，對下肢站立康復(fù)訓練裝置提出具體設(shè)計要求，完成了康復(fù)訓練裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過對下肢站立康復(fù)訓練裝置運動軌跡的分析，得到了康復(fù)訓練裝置的旋轉(zhuǎn)角度與人體下肢尺寸參數(shù)的函數(shù)關(guān)系。基于多體動力學仿真軟件RecurDyn實現(xiàn)了下肢站立康復(fù)訓練裝置機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，通過仿真分析得到了臀部支撐部件運動軌跡曲線，與實際站立運動軌跡對比發(fā)現(xiàn)最大偏差小于2%，預(yù)測了站立康復(fù)運動下的運動軌跡趨勢，驗證了該裝置能夠追蹤站立運動軌跡，能夠輔助下肢運動功能障礙患者按照規(guī)劃的運動軌跡完成站立康復(fù)訓練。