足底驅動式精確步態康復機器人

汪潤 汪鶴翔 朱林珂 張載言 郭亞航

摘要：隨著科學技術的發展，將康復醫學與機器人技術相結合的康復機器人技術逐漸成為國內外研究的熱點。為解決當前機器人缺乏人性化和個性化設計和因結構設計導致機器人控制復雜的問題，我們開發了一款基于足底運動軌跡的康復機器人，它利用行星齒輪系，曲柄搖桿機構等裝置，準確地實現了步態軌跡。這種結構可以實現正常行走過程中髖關節和膝關節的運動規律。與傳統的步態康復機器人相比，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，提高了早期康復患者輔助裝置的適應性和舒適性。從而進一步增強康復設備的自主性和適應性，提高了人機交互能力。

關鍵詞：康復醫學;機器人;足底運動

1.研究目的

截癱是一種影響數百萬人生活的嚴重下肢運動系統損傷疾病，目前絕大多數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、骨質流失和肌肉萎縮等，因此需要持續進行運動康復訓練，以降低并發癥產生的概率。此外，截癱患者在輪椅上久坐導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，使其恢復行走，從而提高其日常生活能力，并最終回歸社會，是康復機器人的主要任務。因此，步態康復機器人的需求便顯得十分迫切。

國內現有7000余家康復醫療機構，但能提供康復訓練的僅占不到1/3。數據顯示，中國已有2000多萬肢體殘疾患者，而其中只有相當一小部分（約30多萬人）能得到肢體康復訓練，而效果也不甚相同。康復設備供應與臨床需求有著的巨大缺口，所以康復機器人在中國存在很大的市場和商業契機。

基于此，我們開發了一款基于足底運動軌跡的足底驅動式康復機器人。精準實現了正常步行時髖、膝關節運動規律，從而帶動人體髖關節、膝關節和踝關節的組合運動，幾乎可以訓練下肢的全部肌肉，達到更好的康復治療效果。該項目致力于為康復醫療做出貢獻，為殘疾人的步態康復提高效率和增加可能性，減少國內病患，減輕殘疾人的痛苦，為當今國內康復醫療的發展注入新鮮血液，擴大國內康復醫療的市場和開拓海外康復醫療的市場。

2.國內外研究現狀

步態康復機器人主要是應用于偏癱患者。近年來，康復機器人已成為國際機器人領域的一個研究熱點， 也取得了諸多成果， 諸如外骨骼式、坐/臥式等康復訓練機器人的研究和使用都有了很大程度的發展。

國外：國外的輔助康復治療機器人已有很多，所運用到的機器人檢測技術和控制技術也各有不同。例如瑞士蘇黎世聯邦理工學院和 Hocoma公司聯合開發的Lokomat下肢康復機器人其通過模擬生理步態軌跡，帶動患者的單側或雙側下肢，并精確控制炮臺速度使之與患者步態相一致，使功能性運動治療與患者的評估、反饋系統有機結合。同時可以調整參數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：我國對康復機器人的研究起步比較晚，輔助型康復機器人的研究成果相對較多，康復訓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輔具研究中心、清華大學、燕山大學等科研機構及高校、企業共同參與組織并承擔了諸多國家科技支撐計劃以及863計劃項目課題，例如燕山大學王洪波教授及其團隊所研發的坐臥式下肢康復機器人，具有兩條外骨骼機械腿，三個自由度，能實現多個康復訓練動作。

3.結構設計

傳統橢圓結構的足部驅動下肢康復機器人結構簡單，但步態軌跡復現程度低，足部姿態也與正常行走時的姿態有較大偏差。該機器人主要部分包括步態模擬機構、傳動機構，具有驅動少、容易控制、操作簡單等特點，適合家庭及社區步態康復訓練。此外，足底驅動方式不對人體膝關節施加約束，治療師可根據需要隨時糾正患者膝關節的運動，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的途徑。它是一種可坐臥轉換的機器，通過對正常步態的模擬，由機器電機進行輔助，使患者進行步態康復的訓練。

步態模擬機構用于實現步態的精確模擬用以幫助患者進行康復訓練，跟局普通人的步態模擬曲線，擬采用行星輪系串聯曲柄滑塊的機構去實現步態曲線的模擬。利用Adams模擬出步態曲線的方程，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曲線的點，將此點設置為踏板的位置。

傳動機構用于為步態模擬機構提供動力，采用直流電機以及蝸輪蝸桿來實現傳動的效果。由于服務對象為下肢能力缺陷的患者，需要較好的人機協同性，所以通過計算出患者在康復訓練時對踏板輸出的力與步態速度的關系，輸出合適的轉速。既有效地保證了電機的安全，也能更好實現人機協同。

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軌跡近似擬合。對踏板位置的受力預測，建立機構的簡易模型，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所需要的功率，確定電機參數。

4.發展趨勢

我國起步較晚，目前還缺乏成熟的、市場普遍認可的產品。基于人機交互的控制將會是康復機器人發展的一個重要主線。這個過程需要我們獲得機器人的狀態信號、動力學、運動學等等。我們開發的這款步態康復機器人主要是應用于偏癱患者，幫助其改善平衡功能和下肢肌力，促進步態重建，提高步行能力。在未來，醫療水平的提高也注定帶動康復醫療的提升，康復機器會有著十分可觀的前景。

參考文獻：

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[2] 姜禮杰，陳進，王良詣，侯言旭，王勇.肢體協調運動康復機器人的機構設計與實驗[J].自動化學報，2016，42（12）：1808-1818.

合肥工業大學 機械工程學院 安徽 合肥 230000