下肢運動康復(fù)輔助訓練裝置的機械化研究

喻行濤，張 珣

（1.安川首鋼機器人有限公司，北京 100176；2.北京萬東醫(yī)療科技股份有限公司，北京 100020）

0 引言

下肢運動康復(fù)輔助訓練機器人是工業(yè)機器人的另一類型。經(jīng)濟的快速發(fā)展，科技的日益進步，市場需求的多樣化，不同專業(yè)領(lǐng)域的融合交叉越來越大，康復(fù)醫(yī)學、生物力學、計算機學及材料學等諸多領(lǐng)域互相貫穿，醫(yī)用康復(fù)機器人由此應(yīng)運而生[1]。

據(jù)中國殘聯(lián)最新統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示，目前，中國各類殘疾人總數(shù)已達8500萬人，其中仍有1500萬人以上殘疾人生活在國家級貧困線以下，占貧困人口總數(shù)的12%以上。而這些殘疾人中有一部分是由于疾病或者遺傳因素造成的，另一部分則是由于意外事故或突發(fā)事件造成的損傷等，而且面對國內(nèi)眾多的殘障人士，康復(fù)醫(yī)療也就顯得格外重要，相對于已有的許多康復(fù)醫(yī)療手段，專門針對下肢康復(fù)訓練的專業(yè)設(shè)備顯然是有些不足的[2-3]。人體行走本身就是一個復(fù)雜的過程，行走過程中各關(guān)節(jié)處的阻尼非恒定不變，參考人體水中康復(fù)訓練，主要設(shè)計的康復(fù)訓練機器人是一種可以在主動訓練中實現(xiàn)阻力非線性變化的訓練方式。其可以將患者的體重重量減少或者直接忽略，并且訓練中施加的阻力與患者自身運動有關(guān)，為了調(diào)節(jié)阻抗的大小也設(shè)計了調(diào)節(jié)阻抗結(jié)構(gòu)；在被動訓練中各關(guān)節(jié)處也通過添加阻尼模塊實現(xiàn)運動時的舒適性、柔順性。

1 下肢康復(fù)機器人總設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

下肢運動康復(fù)輔助訓練裝置的整體結(jié)構(gòu)由仿生雙腿模塊、柔性模塊、減重懸掛模塊和跑步機模塊組成。當中的仿生腿有3個自由度，帶動病人移動；柔性模塊安裝在仿生腿模塊上，可為被動康復(fù)訓練提供靈活性；減重懸掛模塊的作用是減輕患者的體重，根據(jù)患者自身的恢復(fù)情況選擇合適的模式；跑步機模塊考慮到患者行走的難度和訓練場地的空間限制，將患者安排在跑步機上模擬地面行走[4]。

1.2 下肢康復(fù)機器人的設(shè)計指標

下肢運動康復(fù)輔助訓練裝置的整體設(shè)計應(yīng)符合以下要求[5]：

（1）需要仿生兩腿模塊的自由度。考慮到人體運動所涉及的自由度主要存在于矢狀面，雙腿行走機構(gòu)在左右腿上分別有3個自由度，即髖部的屈/伸關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)的內(nèi)部屈曲/伸展以及踝關(guān)節(jié)的伸展、背屈/跖屈。

（2）仿生腿模塊的可調(diào)節(jié)長度和承載力。患者人群的身高存在差異，不可能為每個患者量身定制一套康復(fù)訓練機構(gòu)。這是不科學的，不經(jīng)濟的，不現(xiàn)實的。因此，康復(fù)訓練機器人的仿生腿模塊對應(yīng)大腿和小腿的長度應(yīng)該是可調(diào)的，康復(fù)訓練機器人可以覆蓋85%以上的患者人群。因此，所提出的下肢康復(fù)機器人適用于身高160～179 cm，體重不超過90 kg的人群。

（3）對關(guān)節(jié)靈活性的需求。據(jù)相關(guān)研究表明，人體行走時下肢關(guān)節(jié)處存在阻尼，阻尼呈非線性變化。為了在患者主動康復(fù)訓練中增加關(guān)節(jié)阻尼變化要求，訓練中的行走更貼近現(xiàn)實。同時，在被動訓練中，讓仿生腿的驅(qū)動更加靈活。設(shè)計了柔性模塊，安裝在仿生腿模塊的關(guān)節(jié)處，實現(xiàn)主動訓練中關(guān)節(jié)阻尼的非線性變化，增加被動訓練中驅(qū)動力的柔順性。

1.3 雙腿仿生模塊設(shè)計方案

1.3.1 下肢運動的參數(shù)確定

通過分析人體下肢的解剖結(jié)構(gòu)，人直線行走時下肢關(guān)節(jié)所涉及的自由度主要存在于矢狀面。因此，下肢康復(fù)機器人仿生雙腿模塊的運動自由度選自矢狀面的三個自由度，即髖關(guān)節(jié)屈/伸、膝關(guān)節(jié)屈/外展、踝關(guān)節(jié)跖屈/背屈。

仿生腿模塊各部分的長度和關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)與人體實際一致，提高對人體的適應(yīng)性。通過了解人體下肢關(guān)節(jié)的醫(yī)學知識，參考相關(guān)文獻，確定人體行走時下肢關(guān)節(jié)的活動范圍。1.3.2仿生雙腿模塊設(shè)計方案

患者使用下肢康復(fù)機器人進行訓練時，下肢與仿生腿用綁帶綁在一起，仿生腿帶動人體進行被動康復(fù)訓練。將仿生雙腿簡化為連桿機構(gòu)。

考慮到仿生腿適用人群的身高差異，相應(yīng)尺寸的仿生腿模塊應(yīng)該能夠調(diào)節(jié)腿的長度，身高在160～179 cm之間的中國成年人約占總?cè)丝诘?5%，因此，杠的長度上限為178 cm，下限為160 cm。

1.4 柔性模塊設(shè)計

柔性模塊主要有兩個功能：一是保證患者主動步行訓練過程中關(guān)節(jié)阻尼的非線性變化，實現(xiàn)“變阻抗模式”，也就是說訓練過程中產(chǎn)生的阻尼與患者的跑步速度是正相關(guān)；二是將仿生腿關(guān)節(jié)處伺服電機的剛性輸入轉(zhuǎn)化為相對的柔性輸出，驅(qū)動患者下肢運動，確保運動的靈活性。整個模塊的柔性主要通過彈簧和阻尼器的組合來實現(xiàn)，如果伺服電機有扭矩，則通過可變阻尼器傳遞給彈簧，彈簧的變形帶動部件轉(zhuǎn)動，保證了運動的靈活性。

1.5 下肢運動康復(fù)輔助訓練裝置整體設(shè)計

目前，下肢康復(fù)訓練的方法和設(shè)備很多，為使患者在進行下肢康復(fù)訓練時方便，降低行走難度，我們決定采用懸掛式踏板的康復(fù)方案，機構(gòu)主要由仿生腿模塊、柔性模塊、雙腿行走模塊，帶動患者下肢的運動，柔性模塊提供運動時的靈活性柔順性，懸掛模塊減輕患者體重，并利用跑步機模塊在模型地板上行走。

2 下肢運動康復(fù)輔助訓練裝置整體設(shè)計

2.1 柔性仿生腿結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1.1 仿生腿結(jié)構(gòu)設(shè)計

首先，將仿生腿的設(shè)計方案轉(zhuǎn)化為三維實體模型，確定具體參數(shù)。其次，設(shè)計柔性模塊的安裝，防止柔性模塊阻礙仿生腿模塊的長度調(diào)節(jié)功能。同時為仿生腿模塊設(shè)置保險裝置，防止患者遭受二次傷害；最后給出了下肢康復(fù)機器人的三維結(jié)構(gòu)。仿生腿模塊的長度和寬度應(yīng)與人體下肢的各個部位相對應(yīng)。同時，必須具備可調(diào)整大小腿的長度。仿生腿模塊的機械結(jié)構(gòu)在Solidworks軟件中進行設(shè)計。

雙腿行走機構(gòu)主要由大腿、小腿和腳踏組成。大腿和小腿各分為兩部分。大腿下和小腿下加工有滑槽。大腿上和小腿上加工有向上凸的滑軌。槽與軌構(gòu)成可相對移動的移動副；大腿下和小腿下分別加工有銷孔。根據(jù)大腿和小腿的調(diào)節(jié)范圍，確定針孔數(shù)量為10個，銷孔間距為10 mm，可在0～100 mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。圓柱銷可插入銷孔為各零件之間進行固定。

髖、膝、踝關(guān)節(jié)相應(yīng)部位裝有軸承。軸承選用深溝球軸承。相應(yīng)的軸承體積小，安裝方便，安裝后結(jié)構(gòu)輕便。仿生腿選用鋁合金作為材料，滿足減輕重量的前提是強度達標。

2.1.2 仿生腿保護措施設(shè)計

由于人體下肢關(guān)節(jié)在行走時有一定的角度范圍，超出活動范圍會使患者受到二次傷害。因此，為了消除安全隱患，仿生腿的關(guān)節(jié)處設(shè)計一個可以限位的小裝置，對關(guān)節(jié)活動范圍進行限制，避免在康復(fù)訓練過程中超過人體關(guān)節(jié)活動范圍的損傷。可以通過以下機制將膝關(guān)節(jié)的屈曲范圍限制在之間，以防止在伺服不確定因素下人體關(guān)節(jié)的最大運動范圍超過人體關(guān)節(jié)的最大運動范圍而造成二次傷害。

2.1.3 柔性模塊的安裝

柔順模塊由伺服電機、可變阻尼器、彈性元件等部分組成，全長400 mm。柔性模塊沿大小腿安裝，但必須考慮腿的長度調(diào)整。并且柔性模塊不會妨礙仿生腿的長度調(diào)節(jié)功能。因此，需要為柔性模塊設(shè)計一個特定的安裝座，如圖1所示。柔性模塊安裝座要求安裝在結(jié)構(gòu)緊湊的仿生腿上，其長度和寬度不應(yīng)超過仿生腿大小腿的長度和寬度。滑板的直線運動距離不小于100 mm，所以確定可變阻尼安裝座長寬410 mm/150 mm，滑板滑動范圍100 mm，采用合金鋼制作，保證一定的工作強度。

圖1 柔性模塊安裝

2.1.4 仿生雙腿整體結(jié)構(gòu)

整個柔性仿生腿由兩個模塊組成，一個仿生腿模塊和一個柔性模塊，如圖2所示。髖、膝關(guān)節(jié)處安裝柔性模塊，踝關(guān)節(jié)處僅安裝伺服電機；柔性模塊安裝模塊的輸出端與接頭通過錐齒輪傳動；滑板通過圓柱銷和支撐板上的環(huán)與支架保持鎖緊狀態(tài)，支撐板和支架焊接在一起。

圖2 仿生腿結(jié)構(gòu)

2.2 仿生腿整體結(jié)構(gòu)

不同身高的患者大腿和小腿的長度不同。同樣，考慮到不同身高、不同胖瘦的患者腰部寬度不同，為了提高患者佩戴的舒適度和運動的協(xié)調(diào)性，需要設(shè)計腰部調(diào)節(jié)機構(gòu)。根據(jù)成年人下肢主要尺寸分布統(tǒng)計，身高160～179 cm，臀寬在288～334 mm之間，所以334 mm是腰圍調(diào)節(jié)的最大值，288 mm是最小值腰部調(diào)整。腰圍調(diào)節(jié)機構(gòu)按上述參數(shù)范圍進行的設(shè)計。

2.3 減重懸掛模塊

減重懸掛系統(tǒng)由支架、鋼絲繩、滑輪、力傳感器、電動推桿和吊帶組成。電動推桿安裝在支架兩側(cè)的電箱內(nèi)。電箱左右各一個。電動推桿通過鋼絲繩提供拉力；滑輪安裝在支架上，支架兩端的滑輪對稱安裝，主要是改變鋼絲繩受力方向；一端連接線束，另一端連接電動推桿。鋼絲繩上安裝張力傳感器，測量鋼絲繩的拉力；線束主要與人體相連，通過鋼絲繩的拉力減輕人體重量。整個減重懸掛支架高200 cm，寬80 cm。為了減輕支架的重量，支架采用鋁合金制成。

2.4 跑步機模塊

考慮到患者自身情況和訓練場合空間限制，下肢運動康復(fù)輔助訓練裝置底部安裝了跑步機模塊。跑步機模塊總長160 cm，寬77 cm，高120 cm。調(diào)速范圍0～1 m/s，可實現(xiàn)無級調(diào)速。跑帶長122 cm，寬77 cm。患者在跑步機上進行康復(fù)訓練時，調(diào)整跑道速度，使其與仿生腿的前進速度相同；兩側(cè)扶手間距為65 cm，扶手為中空貫穿兩側(cè)。管子由鋁合金制成。跑步機由表盤、扶手、軌道、電機和相應(yīng)的減速器組成。跑帶的運行速度可以通過表盤的屏幕進行調(diào)節(jié)。

3 結(jié)語

以下肢運動康復(fù)輔助訓練裝置為研究對象，根據(jù)人體各部位的長度與高度的比例、關(guān)節(jié)的運動范圍進行仿生腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計；根據(jù)液壓可變阻尼的工作原理，設(shè)計了可變阻尼器，在Solidworks中建立設(shè)計模型。設(shè)計的下肢運動康復(fù)輔助訓練裝置適應(yīng)更多患者，仿生雙腿模塊長度可調(diào)，雙腿關(guān)節(jié)處有保護措施，避免超出人正常關(guān)節(jié)活動范圍對患者造成二次傷害。