踝關節康復機器人的結構設計研究

吉林農業科技學院機械與土木工程學院 劉浩 常影 宋佳宇 喻仟龍 張洋

1 引言

在日常運動中往往會有踝關節扭傷，是骨科臨床常見的運動傷害，踝關節扭傷治療的不及時或不徹底，將會引起踝關節韌帶松弛，發生反復扭傷概率變大，最終可能引起踝關節功能障礙。踝關節的康復訓練有助于患者踝關節運動功能的恢復，傳統的踝關節康復訓練主要由醫師進行接觸式的康復訓練，患者處于被動，而且方式簡單，治療效果不明顯，訓練周期較長。隨著機器人技術在康復醫學領域的研發和臨床應用，踝關節康復機器人將代替傳統康復醫師對患者進行踝關節康復訓練，從而更好地提高患者的康復質量等問題。

美國Rutgers大學設計了一個踝關節康復平臺，該平臺基于Stewart平臺的“Rutgers踝”，如圖下1所示。該系統有6個自由度，主要是由固定兩個平臺以及可伸縮的支鏈構成，該系統可以實現遠程控制[1]。韓國國立慶尚大學[2-4]也設計了踝關節康復治療機械，該機械具有4個自由度，是通過氣壓進行驅動的，可以完成踝關節及腳的一部分運動，可以較好地對踝關節進行康復運動。

圖1 Rutgers踝

國內也對踝關節康復機械進行了相關研究，其中河北工業大學劉更謙等就研究了一種3-RSS/RU并聯機構，該結構很好地考慮了康復理論，該平臺還設置了支撐軸，如圖下2所示。北京交通大學的汪從哲等人也設計了1個3自由度的康復機器人，該機構選用了4個電機，在一定程度上提高了該康復機構的工作性能。福州大學姚立綱等人也對踝關節康復機械進行了相關研究，并提出了1種2自由度的康復機器人，如下圖3所示。該康復機器人是有踏板動平臺的，可以實現翻轉擺動，同時通過增加相應的機構，可以實現機構的適當調節。

圖2 3-RSS/S踝關節康復并聯機器人

圖3 兩自由度踝關節康復機器人

電子科技大學的周聰也對踝關節康復機器人進行了相關研究，該機構的驅動方式是繩驅動，通過步態實驗檢測驗證了該機構的有效性，如下圖4所示[5]。

綜上所述，在前人的研究基礎上，結合踝關節運動規律和踝關節結構，針對傳統踝關節康復治療方式單一、康復治療效果不明顯等問題，本文研究了一種輔助患者進行踝關節康復訓練的機器人。

圖4 穿戴式踝關節康復機器人實驗原理樣機

2 踝關節康復機器人結構設計

根據人體踝關節的運動規律，為滿足人體踝關節的康復運動，結構主要由靜平臺、固定支撐柱、滑道、可進行升降的滑動裝置、液壓桿構成；下面為靜平臺，前端由兩個固定支撐柱對滑道進行固定，而可進行升降的滑動裝置通過液壓系統可以沿滑道在一定范圍內進行滑動，同時，可以進行升降；靜平臺的后端是液壓桿，腳板的前端固定在滑動裝置，后端固定在液壓桿上，腳板上具有可穿戴模型，可將腳放在上面通過調節滑動裝置的滑動位置、高度、及液壓桿的高度，完成踝關節的基本運動。

2.1 踝關節康復機械人結構設計要求

踝關節康復機器人是幫助踝關節扭傷，下肢癱瘓等類似患者進行踝關節的康復活動，在設計時，往往要對機器人本身是否能實現踝關節康復功能，以及機器人的運動范圍和角度的合理性進行分析和探討，此外，機器人的設計必須具有安全性，簡易性、舒適性。

2.2 踝關節康復機器人的整體結構設計

通過對人體踝關節結構的認知,認及對踝關節運動規律的分析,滿足踝關節康復訓練的要求。結構主要由靜平臺、固定支撐柱、滑道、可進行升降的滑動裝置、液壓桿構成。下方為靜平臺，前方是兩個固定支撐柱，將滑道固定，滑道上是升降的滑動裝置，可以沿著滑道進行滑動，也可以進行升降，后方則是液壓管，不僅起到支撐作用，也可以進行升降。

腳的固定結構：腳的固定主要采用捆綁式，患者通過將腳放在腳板上，并通過綁帶的捆綁，從而達到固定的效果。

內收/外展結構：主要依靠升降滑動裝置，使其按照滑道進行合理的滑動，從而帶動前腳板進行內收/外展的腳踝運動。

背伸/跖屈、內翻/外翻結構：背伸/跖屈的運動主要依靠調節腳板前面升降滑動裝置的高度與液壓桿件的高度形成高度差，完成背伸/跖屈的運動，內翻/外翻依靠分布在滑道兩邊的升降滑動裝置形成左右之間的高度差。

在實際操作中,由于驅動桿存在角度約束問題,所以在康復訓練過程中需要對并聯康復機構進行位置分析,使驅動桿轉動的角度得到合理的控制。本文所用的康復機構是并聯機構,與串聯機構不同的是并聯機構的正解可能存在多個,比串聯機構的正解要復雜得多,所以一般用位置反解來進行位置分析。因此,通過位置反解對并聯康復機構進行位置分析,獲得輸入輸出構件的關系。

3 結語

以踝關節康復機器人結構設計為目標，依據踝關節康復運動療法要求,分析了踝關節運動，總結歸納了踝關節康復器械結構的設計要點。最后，綜合運用catia建模和分析工具,實現了機構的三維數字化建模，完成了踝關節康復人體模型,本文的主要工作與結論概括如下。

（1）討論了國內外現已投入使用的相關醫療器械在踝關節康復中的表現，歸納了康復機器人出現的結構，總結了踝關節康復結構設計的要點，設計踝關節康復機器人結構。三自由度機構具有負載能力強、剛度大，轉動中心接近踝關節轉動中心、可控性好、體積小等優點。

（2）依據踝關節康復運動療法的要求，運用機構學理論，建立了踝關節運動學模型，分析了踝關節轉動和足部運動關系，驗證了踝關節康復機器人機構設計應當滿足人體踝關節合理的轉動。

（3）進行踝關節康復機器人的合理性分析，針對人體踝關節的運動需求盡可能地達到人機協調。通過對踝關節運動時的姿態分析，確定所設計的結構滿足踝關節活動的角度。