腳踝康復訓練機構研究綜述

崔皓然，馬常友，樊亞飛，張昕辰，張傳望，龐震，薛毅，姜嘉雯

腳踝康復訓練機構研究綜述

崔皓然，馬常友*，樊亞飛，張昕辰，張傳望，龐震，薛毅，姜嘉雯

（佳木斯大學 藥學院，黑龍江 佳木斯 154007）

分析了國內外腳踝康復訓練裝置的研究現狀，討論了腳踝康復訓練裝置在機械結構、控制算法、工作空間和運動性能評價等方面現有的研究方法。綜述了并聯機構、自由度和驅動方式的大致分類，簡述了各機械結構的優缺點，并給出了相應結論。控制算法主要包括自適應導納控制方案、位置和接納控制方案及軌跡規劃，工作空間主要包括位置空間和姿態空間，運動性能評價主要包括操作性、靈巧性和安全性。最后，列舉了腳踝康復訓練裝置研究中存在的問題，同時提出了解決問題的相關方法。

機械結構；控制算法；工作空間；運動性能評價

人體能夠完成站立、行走、跑跳等動作，與腳踝的作用密切相關。由于人類活動愈加頻繁，導致人口老齡化、運動不當、意外事故、疾病等多方面因素造成的腳骨關節損傷也不斷增加，針對腳踝損傷的康復訓練器具的需求日益提升[1-5]。現有的腳踝康復機器人只能提供單一的被動或主動康復訓練功能，無法滿足不同程度腳踝損傷患者對康復訓練的需求。不同損傷程度癥狀及傳統治療如表1所示。

從裝置的可操作性、靈活性、平衡性、安全性和經濟性來考慮，傳統的腳踝康復裝置存在價格昂貴、靈活性低、安全性差等問題[6-8]。隨著康復機器人在醫工結合領域、康復工程中的快速發展[5,9-11]，改善上述裝置所存在的問題已成為近幾年的研究熱點。

本研究通過回顧腳踝康復訓練裝置研究已取得的主要成果，分析對比腳踝康復訓練裝置在機械結構、控制算法、工作空間和運動性能評價方面的一些研究方法，列舉了腳踝康復訓練裝置研究中存在的相關問題，同時提出了相應的解決方法。

1 研究現狀

腳踝康復訓練裝置的研究最早可以追溯到1934年，Polladr等[12]用于汽車噴漆的平行結構。1947年，Gough等[12]建議使用由平行機構組成的裝置來檢測輪胎，提出一種包含并聯機構的設備。雖然這些機構并不具有工業推廣性，但為以后的腳踝康復訓練裝置的發展奠定了一定的基礎。

1.1 國外研究現狀

國外對腳踝康復訓練裝置的研究已有五十多年的積累，并取得了一定的成功。1999年，美國Rutgers大學[13]研制出一種基于stewart機構的6自由度踝關節康復系統，如圖1所示，這是并聯機構在醫療康復機構中的首次應用。該機構具有6條能自由伸縮的支鏈，因此是具有6自由度的并聯踝關節康復機構，能夠完成復雜的康復運動。

意大利Jody A.Saglia等[14]研究了一種具有冗余驅動的2-DOF腳踝康復并聯機構，如圖2所示，對機構建立了運動學模型，并對機構的工作空間、輸出扭矩以及結構緊湊性進行優化設計。但該機構只有2個自由度，不能完成踝關節康復的所有動作。

表1 不同腳踝損傷程度癥狀及傳統治療方法

圖1 6自由度踝關節康復機構

圖2 冗余驅動結構

2006年，韓國光州科技學院[15]提出一種具有雙動平臺的新型腳踝康復訓練裝置，實現踝關節的運動，同時還可以實現足趾的上下運動，可促進趾關節的韌帶強度康復。

2012年，Mizanoor Rahman等[16]設計出一種用于腦卒中患者的地面步態康復和輔助治療的可變阻抗緊湊型可穿戴踝關節機器人AFO（Ankle Foot Orthosis，踝足矯形器），如圖3所示，實現了自適應共享控制，提高了康復裝置應用中的人性化。2015年，美國麻省理工學院[17]開發一種用于訓練6～10歲神經功能受損兒童的一種由阻抗控制的低摩擦后驅動的腳踝康復訓練裝置PEDIAklebot，如圖4所示，將行為量化技術納入下肢機器人。

圖3 用于步態康復和輔助治療的AFO模型

圖4 低摩擦后驅動的PEDIAklebot

2017年，土耳其的Karadeniz大學[18]設計了一種2自由度冗余驅動并聯踝關節康復機器人，如圖5所示，并同時設計了一種模糊邏輯控制器，提高了康復機器人在人機交互可能引起的外部干擾下的軌跡跟蹤能力。

1.2 國內研究現狀

國內對于腳踝康復訓練裝置的研究起步時間較晚。2005年，燕山大學的趙鐵石等[19]提出一種基于3-RSS/S并聯機構的腳踝康復訓練裝置，如圖6所示，一定程度上代替醫師對患者進行康復訓練，但該裝置靈活性不足，容易造成患者腳踝二次損傷。

圖5 2自由度冗余驅動并聯踝關節康復裝置

圖6 3-RSS/S并聯機構的踝關節康復機器人

同年，河北工業大學劉更謙等[20]在此基礎上分析了機構運動學逆解，推導了3-RSS/S并聯機構的Jacobian矩陣，為3-RSS/S踝關節康復機器人的進一步研究打下基礎。2007年，河北工業大學何春燕等[21]以3-RSS/S踝關節康復并聯裝置為研究對象，根據空間模型和各向同性，探究該裝置速度性能和機構尺寸之間的關系，得出相應結論。

北京工業大學李大順等[22]研究一種具有3自由度定點轉動功能的3-RRS并聯腳踝關節康復訓練機構，該機構可在工作空間內以任意位姿實現三維轉動。上海交通大學楊加倫等[23]對3-DOF正交SPM（Spherical Parallel Manpulator，球面平行推進器）模型進行研究，運用Rodrigues指數積公式求解機構的運動學正解，并利用機構的運動學逆解對正解結果進行結果驗證，證實該機構設計的可行性。西安理工大學王庚祥等[24]對4-SPS/CU并聯機構進行了研究，如圖7所示，分析了單個運動副間隙對4-SPS/CU并聯機構動態特性的影響，并得出運動副間隙越多、機構動態特性越不穩定的結論。

A1～A4、B1～B4為球副；l1～l4為移動副；A5為萬向鉸；B5為圓柱副；l5為支撐桿。

2018年，華中科技大學鄧超等[25]基于故障樹的定性分析和定量分析，對腳踝康復機器人的可靠性進行了評估，為腳踝康復裝置的設計提供了依據。同年，鄧超等[26]利用FMEA（Failure Mode and Effects Analysis，失效模式與影響分析）和FTA（Fault Tree Analysis，故障樹分析）方法對奧克蘭大學研制的腳踝康復機器人的可靠性進行分析，找到以氣壓為驅動方式的腳踝康復機器人的關鍵故障模式，為該機構的優化設計提供了理論依據。

2019年，北京工業大學李劍鋒等[27]提出并設計出2-UPS/RRR型并聯踝康復機器人樣機，如圖8所示。該構型結構緊湊，通過對機器人運動性能的評價證明，該結構在工作空間內不具有奇異位形，并有良好的運動學性能。

2020年，東北大學王海芳等[28]提出一種可以進行主被動康復訓練和智能語音康復訓練的3自由度轉動的3-SPS/S踝關節并聯康復機器人，如圖9所示，可以滿足患者康復后期腳踝關節康復治療需求。2020年，燕山大學陳子明等[40]在研究現有腳踝關節康復機構的基礎上，設計出一種基于3-UPU并聯機構的新型踝關節康復機構，如圖10所示，該機構的轉動軸線可實現高度和角度方向的調節，從而使機構轉動軸線與人體踝關節運動軸線更好地吻合，給患者帶來更好的康復效果。

圖8 2-UPS/RRR型并聯踝康復機器人樣機

圖9 3-SPS/S并聯康復機構

2 研究方法

近幾年國內外的科研學者在此領域做了大量工作，并有一部分成熟產品已投放市場，但康復效果不是特別理想，腳踝康復訓練裝置的研究還處于起步階段。近幾十年的研究積累已形成了一整套研究方法，具體體現在機械結構、控制算法、工作空間和運動性能評價等幾個方面的理論，這些理論運用到實踐中后可以進一步完善和發展裝置。

圖10 3-UPU并聯踝關節康復機構

2.1 機械結構

趙瑞杰等[29]根據人體生理學和踝關節結構，踝關節可視為一個具有3個轉動自由度（背伸/趾屈、內翻/外翻、內旋/外旋）的球關節。腳踝康復訓練裝置的本體一般由機械系統（定平臺、動平臺、驅動桿支鏈和支撐桿）和電控系統兩部分組成。對腳踝康復訓練裝置進行合理的機械結構設計，能為患者在康復訓練時提供可靠的穩定性、安全性和靈活性。整個腳踝康復訓練裝置的機械結構可分為兩個方面：腳踝康復訓練裝置的結構類型和驅動機械結構。

2.1.1 結構類型

劉芳芳等[30-32]指出，傳統的康復訓練裝置分為串聯和并聯兩種機構類型，其中并聯機構具有兩個或兩個以上的運動自由度。串并聯機構優缺點如表2所示。

由于腳踝康復裝置在實時計算時是計算反解，而腳踝康復訓練需要很高的精密度和靈活性，因此并聯機構比串聯機構更適合。但并聯機構不能很好地解決正解，所以還需要結合串聯來共同解決正反解問題。

按并聯機構的自由度數分類可分為2～6個自由度并聯機構。國內外大多數腳踝康復訓練裝置都能提供3個旋轉自由度的腳踝康復訓練，且實時監測數據并控制運動參數[33]。3自由度并聯機構種類較多，形式復雜，而2自由度、4自由度和6自由度的下肢康復訓練裝置非常少見。任相名[34]設計出一種少自由度且增大安全性的康復裝置。不同自由度代表機構和優缺點如表3、表4所示。

因此認為3自由度是最適宜腳踝康復機構的運動形式。

球面并聯機構（SPM，Spherical Parallel Manpulator）作為并聯機構的一種特殊類型，具有工作空間大、各個零件之間不易發生干涉的特點，相對于不使用球面并聯機構的康復裝置，其擁有更好的運動性能，且能實現3自由度的轉動。球面并聯機構又可分為固定球心并聯機構和廣義球面并聯機構兩種類型。劉承磊等[35]在面向踝部康復的廣義球面并聯機構型綜合研究中分析得到，人體踝關節的運動為兩個關節的復合運動，空間各向轉動軸線空間無交匯體系，如果為固定球心的球面運動，則必然影響人機相容性，引起人機交互力，并且基于枚舉法和螺旋理論，提出一種廣義球面并聯機構型綜合方法，適用于踝部康復機器人本體研究的3、4、5自由度定心距及4、5、6自由度變心距廣義球面并聯機構。優缺點如表5所示。

表2 串并聯機構優缺點比較

表3 不同并聯機構的自由度及代表結構

表4 不同自由度優缺點比較

表5 固定球面機構和廣義球面機構優缺點

故廣義球面并聯機器人能夠在自由度上滿足踝關節康復需求。

2.1.2 驅動機構

目前，臨床使用的腳踝康復訓練裝置大部分以氣壓驅動為主，但這種驅動方式并不便于使用。對于目前所研究的腳踝康復訓練裝置，按驅動方式可分為氣壓驅動、電動驅動和繩驅動三種。楊海鵬等[36-38]分別對繩驅動踝關節康復機器人進行研究，驗證了繩驅動在下肢康復機器人中的有效性。徐圖等[39]在研究機構的驅動方式中指出，氣壓驅動主要是利用氣動人工肌肉，由外部提供的壓縮空氣驅動，作推拉動作，可以很好地模仿人體的肌肉運動。劉芳芳等[40]通過實驗指出，相對于氣壓驅動，移動副驅動（電驅動）對于踝關節康復機器人是更好的驅動方式。

不同驅動類型優缺點如表6所示。

表6 不同驅動方式優缺點

陳子明等[41]通過對機構的奇異性分析發現以移動副作為驅動時不會出現驅動奇異。黃真等[42]通過實驗得到機構的分值奇異與平臺約束奇異可以通過對機構的轉動副軸線與平臺夾角設計而加以避免。

故采用移動副提供驅動力，可以更好地控制康復訓練裝置，維持裝置的穩定性，同時還可以節省不必要的能量消耗。

2.2 控制算法

踝關節康復訓練裝置的控制算法建立在系統動力學和人機交互動力學基礎上，用于提高康復效果和解決康復訓練中安全性等問題。Ismail Hakki等[18]提出一種基于模糊邏輯的自適應導納控制方案，使機器人能夠根據病人的殘疾程度來適應阻力/輔助程度，并通過布谷鳥算法（CSA，Cuckoo Search Algorithm）證明了該方案的有效性。Jody A. Saglia等[43]使用位置和接納控制方案解決了患者被動和主動運動模式，并解決了輔助控制器的穩定性等問題。王海芳等[28]設計出一種由多軸運動控制器、傳感器、語音模塊、顯示器、降壓模塊、繼電器以及應急按鈕組成的控制系統，提高了康復訓練中的安全性和可操作性。

廖志偉等[44]分析得到，合理的軌跡可以使康復裝置具有較強的運動平衡性和較弱的啟停沖擊，很大程度上避免患者腳踝的二次損傷。莊鵬等[45]依據傳統擺線函數與矩形函數設計出一種啟停平穩性好，最大速度/加速度、剛性沖擊較小的組合函數形式的運動軌跡，為腳踝康復機器人的控制提供了基礎數據。盧宗興等[46]通過對比3-PH/R踝關節機器人的三種運動軌跡，探討出不同運動軌跡對肌肉和關節的影響以及運動軌跡之間的聯系，并指出對于不同腳踝受傷情況要慎重選擇康復軌跡。趙向陽等[47]提出，正常人在行走時腳踝關節活動角度俯仰在25°～30°，因此，設計機構只需使人的踝關節在25°～30°做上下往復擺動的運動，即可滿足腳踝康復的最低要求。

2.3 工作空間

并聯機構的工作空間[48]是機構所能達到的工作區域和衡量機構工作性能的重要指標之一。在進行運動軌跡規劃時，應防止構件干涉或碰撞。將動平臺的運動范圍控制在工作空間內，機構就能正常維持運作。按照動平臺末端運動形式的不同分為位置空間和姿態空間[49]。

參考GB 10000－1988[50]26～35歲人體尺寸，得出一套踝關節康復機構尺寸參數，并對機構求反解得出其工作空間，從而證明該機構工作空間的內部不存在奇異。劉芳芳等[39]通過幾何約束分析、數值離散搜索法求解姿態工作空間和數值仿真計算實例證明，該機構可對損傷腳踝實現全面的康復治療。劉秀瑩等[51]通過MATLAB計算廣義球面并聯機器人的驅動轉動副的轉動范圍，得出該裝置的工作空間在各基準面上的投影都具有一定對稱性，且內部沒有空洞這一結論，表明在其有效工作空間內機器人的運動性能良好。

2.4 運動性能評價

李劍鋒等[27]通過實驗指出可操作度是反映裝置在姿態和位移方面可操作能力的度量，同時也是評價其在某位姿下靈活性的重要指標。

靈巧性是反映機器人綜合運動性能優劣的重要評價標準。SALISBURY等[52]采用雅可比矩陣的條件數作為靈巧性的指標，當踝關節康復機器人各個條件變化參數在工作時趨于穩定狀態，則說明機器人有較好的運動靈巧性。

安全性也是重要的運動性能評價標準，每一種踝康復裝置都應包括監測和確保執行機構扭矩、速度和位移在預先規定范圍內的軟件、實時監測傳感器、地面故障檢測器和緊急開關等，從而才能很大程度上確保康復訓練中患者的安全。

3 存在問題

腳踝康復訓練裝置仍然存在許多待解決的問題：

（1）現有腳踝康復訓練裝置只能按程序設置的運動軌跡和強度進行康復訓練，機械式重復運動不能帶給患者沉浸式的體驗，增加了康復訓練的時間。

（2）腳踝損傷有三個等級，每個等級的損傷都需要相應程度的康復訓練，現有腳踝康復訓練裝置對每個損傷等級的患者都有一定的作用，但不能針對受傷程度不同的患者選擇合適的訓練模式，導致康復效果不理想。

除此之外，從1999年至今，各種樣式的腳踝康復訓練裝置的靈活性、安全性、平衡性和可操作性還有待提高。

4 展望

隨著腳踝康復訓練裝置的發展和研究的日益深入，腳踝康復訓練裝置在穩定性、靈活性和高效性等方面的性能將不斷提高，能夠滿足更多不同人群、不同腳踝損傷程度康復訓練的需要，因而具有廣闊的應用前景。

腳踝康復訓練裝置有兩個趨勢值得關注：

（1）沉浸式康復訓練。科學技術的不斷發展成熟為傳統訓練模式提供了新的發展方向，通過虛擬場景游戲將康復訓練過程以視覺形式反饋給患者，使患者在沉浸式的虛擬環境中進行康復訓練，可以幫助患者以更主動、更高效、更易于理解的方式進行腳踝康復訓練，很大程度上縮短康復訓練時間。

（2）針對性設計腳踝康復訓練裝置。目前市場上的腳踝康復訓練裝置對各個年齡段的人群都適用，但針對性的恢復效果并不理想。青少年在運動過程中踝關節損傷最為常見，往往為Ⅰ度、Ⅱ度損傷，由于其骨骼正處于發育階段，致使康復的時間相對較長，所以設計一種針對青少年的腳踝康復訓練裝置有深遠的醫學意義和經濟價值。

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Review of Ankle Rehabilitation Training Mechanism

CUI Haoran，MA Changyou，FAN Yafei，ZHANG Xinchen，ZHANG Chuanwang，PANG Zhen，XUE Yi，JIANG Jiawen

(College of Pharmacy,Jiamusi University, Jiamusi 154007, China)

This paper analyzes the present research of ankle rehabilitation training devices at home and abroad, and discusses the existing research methods of ankle rehabilitation training devices in mechanical structure, control algorithm, working space and sports performance evaluation. The general classification of parallel mechanisms, degrees of freedom and driving modes are summarized. The advantages and disadvantages of each mechanical structure are briefly described and the corresponding conclusions are given. The control algorithm mainly includes adaptive admittance control scheme, position and admission control scheme and trajectory planning, and the workspace mainly includes position space and orientation workspace. The evaluation of motion performance mainly includes maneuverability, dexterity and safety. Finally, the problems existing in the research of ankle rehabilitation training devices are listed, and the relevant methods to solve the problems are put forward.

mechanical structure；control algorithm；workspace；motion performance evaluation

TP242.3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.12.002

1006-0316 (2021) 12-0011-09

2021-04-28

全國大學生創新創業訓練計劃項目（202010222045）；黑龍江省大學生創新創業訓練計劃項目（202010222045）

崔皓然（2000－），男，山西長治人，主要研究方向為醫工結合設備研究，E-mail：782463254@qq.com。*通訊作者：馬常友（1982－），男，黑龍江佳木斯人，博士，講師，主要研究方向為康復機器人的應用及機器研究，E-mail：mcyazh@126.com。