臥式下肢康復(fù)機器人的設(shè)計與研究

張禹 劉林

摘要：針對人體下肢運動能力受損患者，研制了一種新型躺式下肢康復(fù)機器人。采用定軌式模擬橢圓形步態(tài)軌跡，進行康復(fù)訓(xùn)練。應(yīng)用UG建模，進行了運動學(xué)分析和ADAMS仿真，驗證了機構(gòu)設(shè)計的可行性，具有一定的研究意義。

關(guān)鍵詞：康復(fù)機器人；建模；分析；仿真

引言

康復(fù)機器人的設(shè)計與研究是針對人體肢體出現(xiàn)功能障礙的患者，輔助性幫助患者患肢完成各種運動功能的恢復(fù)訓(xùn)練，使其最大程度地恢復(fù)或代償原有功能，從而提高他們的獨立生活能力 [1]。

1.整體結(jié)構(gòu)建模

經(jīng)研究得出，人體實際步態(tài)軌跡為近似橢圓軌跡，當(dāng)患者進行完全或足夠接近正常步態(tài)的訓(xùn)練時，才能夠得到有效的康復(fù)訓(xùn)練[2]。綜合各方面研究分析，初定了整體方案，并進行了UG建模。

該康復(fù)機構(gòu)的主要組成為：步態(tài)運動機構(gòu)，動力傳輸機構(gòu)，驅(qū)動制動器和支撐機構(gòu)?？祻?fù)訓(xùn)練方式采用被動式牽引和主動式蹬踏兩種訓(xùn)練模式。當(dāng)進行被動式訓(xùn)練時，采用伺服電機提供動力，經(jīng)帶傳動，將動力傳輸?shù)讲綉B(tài)運動機構(gòu)，由步態(tài)運動機構(gòu)帶動人體下肢進行康復(fù)訓(xùn)練。當(dāng)進行主動式訓(xùn)練時，由人體下肢推動步態(tài)運動機構(gòu)，經(jīng)帶傳動機構(gòu)與制動器相連，達到阻尼訓(xùn)練目的。

2.運動學(xué)分析與仿真

該步態(tài)運動機構(gòu)由兩套相位差為180度且由一根主軸聯(lián)結(jié)起來的相同單側(cè)結(jié)構(gòu)組成。其主運動部件的構(gòu)成構(gòu)件有：桿，滑塊和凸輪導(dǎo)軌。

人體下肢與步態(tài)機構(gòu)的聯(lián)合模擬模型簡圖，如圖1。圖中點A，B，C分別代表人體下肢的，髖、膝、踝關(guān)節(jié)點。桿AB代表人體大腿，BC為小腿，CO為人體踝關(guān)節(jié)到驅(qū)動軸心距離，OA為驅(qū)動軸軸心到人體髖關(guān)節(jié)點的距離。其中約束條件有，點A為固定點，桿AB繞點A轉(zhuǎn)動，構(gòu)成髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動副；桿AB和BC鉸接于B點，構(gòu)成膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動副。BC與CO鉸接于點C，構(gòu)成踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動副。當(dāng)運動機構(gòu)工作時，給予桿OA一個角速度輸入量ω，桿OC繞定點O點進行周轉(zhuǎn)運動，同時帶動滑塊沿桿L3做滑動副運動，C點由于軌跡約束，為沿已定的橢圓軌跡運動。其中角α為髖關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)角，β為膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)角，γ為踝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)角。

兩式聯(lián)立即可解得AB、BC桿的角速度 、 。

2.2 運動學(xué)仿真

2.2.1 踝關(guān)節(jié)的速度仿真

將仿真模型導(dǎo)入到ADAMS軟件中，進行參數(shù)化設(shè)定求解。根據(jù)仿真分析需求，設(shè)定60o/S和120o/S兩種角速度輸入。測得踝關(guān)節(jié)速度變化，如圖2示。

圖中左縱坐標代表速度，橫坐標代表時間，實線代表速度變化。60o/S時，速度變化在0.1-0.15m/s之間； 120o/S時，速度變化0.2-0.3m/s之間。即不同輸入時，速值不同，但按一定規(guī)律變化，且變化較平緩，變化幅值在人體步速可控范圍內(nèi)。

2.2.2 踝關(guān)節(jié)的加速度仿真

如示圖2，右縱坐標代表加速度，橫坐標代表時間，虛線代表加速度變化。60o/S時，加速度值小于0.45m/s2， 120o/S時，加速度值小于1.7m/s2?？傮w來說，加速度按規(guī)律變化，變化較平緩且波動性不大，即加速度仿真結(jié)果滿足預(yù)期設(shè)計要求。

3.結(jié)論

本文設(shè)計了一款新型下肢康復(fù)機器人，并進行了建模和運動學(xué)分析仿真，驗證了康復(fù)機構(gòu)的可行性。

下一階段將通過分析各關(guān)節(jié)角變化規(guī)律，進行工作空間研究。由于康復(fù)機器人還處于探索與試驗階段，還有許多有待解決和改進的地方，希望本文對康復(fù)機器人的設(shè)計與研究帶來一定的啟發(fā)意義。

參考文獻：

[1]倪俊瑜.下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人[J].中國傷殘醫(yī)學(xué)， 2010， 19（1）：127-128.

[2]夏昊昕，張立勛，王嵐.下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人[J].應(yīng)用科技，2004，31（2）： 4-7.