人體下肢康復(fù)機(jī)構(gòu)的研究與分析

山西中北大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院　李小龍　梅瑛　申登高

人體下肢康復(fù)機(jī)構(gòu)的研究與分析

山西中北大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院李小龍梅瑛申登高

本文以剖析人體下肢解剖學(xué)理論為依據(jù)，設(shè)計(jì)了一種基于混聯(lián)機(jī)構(gòu)原理的新型下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié)運(yùn)動矯正機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)按照正常人體下肢基本尺寸范圍，對下肢運(yùn)動矯正機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模并進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真分析，驗(yàn)證了該并聯(lián)機(jī)構(gòu)可以有效輔助運(yùn)動功能障礙者恢復(fù)健康，并應(yīng)用Pro/E強(qiáng)大的三維建模功能進(jìn)行建模。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、工作空間較大、剛度大，適用于不同群體。

康復(fù)機(jī)構(gòu)；位置逆解；橢圓形軌跡；混合驅(qū)動

引言

為了減輕護(hù)理員對下肢患者的護(hù)理強(qiáng)度，使患者能及時(shí)地得到輔助關(guān)節(jié)治療，研究康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)意義重大。護(hù)理人員的護(hù)理肯定是復(fù)雜的，但護(hù)理費(fèi)用比較昂貴［1］。器械護(hù)理不可能達(dá)到護(hù)理員對患者的護(hù)理效果，器械只能夠達(dá)到幾種重要的運(yùn)動，可以實(shí)現(xiàn)患者的康復(fù)要求。能達(dá)到目的，這種方法就是可行的，所以本文設(shè)計(jì)了一種新型髖、膝、踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)人體正常行走的軌跡要求。

1　髖、膝、踝關(guān)節(jié)運(yùn)動矯正機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及運(yùn)動學(xué)分析

平面及空間機(jī)構(gòu)的位置逆解是工作空間、奇異位形、傳遞性能、動力學(xué)等方面的研究前提［2］，因此位置逆解問題是平面和空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)研究中最為重要最為基礎(chǔ)的問題，所以本文重點(diǎn)研究位置逆解。在位置逆解分析中，采用閉環(huán)幾何法與復(fù)數(shù)矢量方程法［3］相結(jié)合的方法對其位置逆解進(jìn)行求解，建立機(jī)構(gòu)的閉環(huán)方程并根據(jù)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)建立約束方程進(jìn)行正、逆解求解，最終得到機(jī)構(gòu)的位置逆解解析表達(dá)式。

1.1機(jī)構(gòu)位置逆解數(shù)學(xué)建模

1.1.1位置分析

圖1為混合驅(qū)動康復(fù)機(jī)構(gòu)原理圖，建立如圖所示的直角坐標(biāo)系。圖1將康復(fù)機(jī)構(gòu)分成4個(gè)矢量環(huán)：AEGF、EGD、GDC、CHB。知該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、φ1、φ7、α1、r1、r6、r7，桿ED對應(yīng)的方向角為0，H=E—→D+h。

圖1　下肢康復(fù)機(jī)構(gòu)原理

固定鉸鏈A、B、E的坐標(biāo)分別為（XA、YA）、（XB、YB）、（0、0）。機(jī)構(gòu)的逆運(yùn)動學(xué)分析是已知系統(tǒng)的幾何關(guān)系、輸出端C點(diǎn)的運(yùn)動參數(shù)，求解常速電機(jī)、伺服電機(jī)的運(yùn)動參數(shù)。如圖1所示，選出合適的矢量閉環(huán)，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。求曲柄AF、BH的角位移φ1、φ7

如圖1所示，在建立矢量環(huán)AEGF、GDC、CHB、BHCDGE中建立矢量方程：

以復(fù)數(shù)形式表示并按歐拉公式展開得：

令上述方程的實(shí)部和虛部分別相等，并帶入已知條件L2、L3L4、L5、L6、φ2、φ3、φ4、φ5、φ6，C點(diǎn)坐標(biāo) （XC、YC），可解得，

2　Pro/E三維建模及下肢康復(fù)機(jī)構(gòu)輸出軌跡

根據(jù)人體步態(tài)分析可知，一只腳在行走過程中，其擺動一個(gè)周期所形成的軌跡近似為卵形形狀（類橢圓），而人正常行走兩腿的相位差是180°。因而人在正常行走過程中，腳心的步行軌跡是近似鵝卵形，卵形（類橢圓）的長軸為步長，短軸為腳離地的高度［4］。因而根據(jù)正常步態(tài)的基本參數(shù)可知，正常人步長為50～80cm，步高約為5cm。因而在設(shè)計(jì)中可以認(rèn)為長軸長為50～80cm，短軸長為步高的兩倍，即10cm，考慮到不同步態(tài)患者的步高也是不同的，因此短軸的長度選取為8～12cm?？紤]到本康復(fù)醫(yī)療器械主要針對腿部負(fù)傷康復(fù)期患者，由于是非正常人體，所以步幅和步長做一些相應(yīng)的調(diào)整。適當(dāng)考慮減少步長選取為40～50cm，患者步高為4～6cm。根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)出可以模擬適合橢圓軌跡或者近似于橢圓軌跡的機(jī)構(gòu)，如圖2所示。根據(jù)以上參數(shù)經(jīng)計(jì)算初選桿長如表1所示（省略詳細(xì)計(jì)算過程）。

表1　各桿長度（單位mm）

圖3　輔助康復(fù)機(jī)構(gòu)Pro/E建模圖

圖2腳踏板處運(yùn)動軌跡

康復(fù)機(jī)構(gòu)主要部件三維建模圖如圖3所示。A常速電機(jī)提供主要動力，帶動腿部上下運(yùn)動，輔助人體髖關(guān)節(jié)恢復(fù)運(yùn)動機(jī)能；D滑塊是結(jié)合常速電機(jī)與伺服電機(jī)兩個(gè)驅(qū)動的樞紐；E踝關(guān)節(jié)固定環(huán)是固定腿部隨著腳踏板一起運(yùn)動；C腳踏板與搖桿是銷釘連接，屬于欠驅(qū)動的范疇，可以利用搖桿在水平面的搖擺讓腳部有翹起運(yùn)動，輔助踝關(guān)節(jié)恢復(fù)運(yùn)動機(jī)能；B伺服電機(jī)驅(qū)動的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，可以使膝關(guān)節(jié)得以運(yùn)動，輔助膝關(guān)節(jié)恢復(fù)運(yùn)動機(jī)能。A常速電機(jī)提供主動力，B伺服電機(jī)提供輔助動力，驅(qū)動的兩個(gè)曲柄相互配合，最后在腳踏板C處輸出類橢圓形軌跡，符合人體正常行走軌跡。

3　總結(jié)

根據(jù)人體正常行走的參數(shù)要求，設(shè)計(jì)了髖、膝、踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)應(yīng)用閉環(huán)矢量法與復(fù)數(shù)矢量法相結(jié)合的方法對其機(jī)構(gòu)原理圖進(jìn)行逆運(yùn)動學(xué)分析，得到驅(qū)動曲柄的輸入?yún)?shù)，并且對髖、膝、踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并仿真其輸出軌跡，與人體正常行走軌跡作對比，驗(yàn)證了該機(jī)構(gòu)可以用于髖、膝、踝關(guān)節(jié)的康復(fù)。

［1］孫建東，金德聞.一種下肢被動運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練器［J］.中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，2001，16（5）：298-300.

［2］郭玉.3-RRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)分析［D］.天津：天津理工大學(xué)，2013.

［3］候少毅.混合驅(qū)動機(jī)構(gòu)構(gòu)型綜合及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2008.

［4］何文治.下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的設(shè)計(jì)與分析［D］，哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

李小龍，1988年1月出生，遼寧省朝陽市人，研究方向：現(xiàn)代機(jī)械、機(jī)構(gòu)及機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論與方法研究。