一種下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人

石 珂， 宋愛國(guó)， 吳常鋮， 秦超龍

(東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 210096)

0 引言

“腦卒中”通常被稱為“中風(fēng)”或“腦血管意外”，是指由急性腦血管疾病引起的持續(xù)性的大腦神經(jīng)功能缺損，其致殘率較高，患者中85%引起偏癱癥狀，尤其以中老年人居多。調(diào)查顯示，“腦卒中”已成為中國(guó)國(guó)民死亡致因的首位。世界衛(wèi)生組織研究數(shù)據(jù)顯示：中國(guó)“腦卒中”發(fā)病率高于全球平均水平，并逐年上升，“腦卒中”已成為威脅國(guó)人健康的主要病癥之一[1]。

“腦卒中”致殘不是由肢體功能喪失引起的，而是人的相關(guān)中樞神經(jīng)系統(tǒng)受損，無法對(duì)肢體形成有效控制，導(dǎo)致肢體行為能力喪失造成偏癱。通過康復(fù)訓(xùn)練可以重新建立起肢體與受損腦部中樞神經(jīng)的聯(lián)系，促進(jìn)腦部受損神經(jīng)恢復(fù)，達(dá)到對(duì)肢體的有效控制[2]。“腦卒中”患者康復(fù)訓(xùn)練一般由專業(yè)理療師輔助患者進(jìn)行，但成本高且操作不便。機(jī)器人作為一種適用于長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)性運(yùn)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于康復(fù)訓(xùn)練領(lǐng)域。例如:瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)推出的LOKOMAT康復(fù)機(jī)器人是由步態(tài)校正器、減重器、跑步機(jī)組成的大型康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，該款機(jī)器人價(jià)格高昂且體積巨大，使用不便。上海交通大學(xué)于2006年研制的一款多自由度下肢康復(fù)機(jī)器人，該機(jī)器人基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有六個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)下肢關(guān)節(jié)多個(gè)自由度的康復(fù)訓(xùn)練，該機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，維護(hù)難度較高[1]。

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于下肢偏癱患者康復(fù)訓(xùn)練的基于平行連桿的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過并行連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)下肢康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)，成本較低，使用方便，便于維護(hù)。以下就該機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及軟硬件設(shè)計(jì)方案進(jìn)行相關(guān)分析。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

研究表明，每個(gè)人行走時(shí)下肢運(yùn)動(dòng)都是不同的，所形成的步態(tài)軌跡也存在差異，但總的說來，人體正常行走的步態(tài)軌跡近似為橢圓形，步態(tài)軌跡形成的橢圓水平寬度及豎直高度差異并不大。“腦卒中”患者由于肢體運(yùn)動(dòng)障礙，無法像正常人一樣行走，所形成的步態(tài)軌跡可能是不規(guī)則圖形[3]。由此可知，要實(shí)現(xiàn)偏癱病患的下肢康復(fù)，需要設(shè)計(jì)一種運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使其運(yùn)動(dòng)軌跡接近人體步態(tài)軌跡，患者下肢跟隨機(jī)構(gòu)進(jìn)行規(guī)律運(yùn)動(dòng)，幫助患者模擬正常人體的下肢運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)其腦部受損神經(jīng)恢復(fù)，使其逐漸恢復(fù)行走能力。

本文設(shè)計(jì)了一種平行連桿機(jī)構(gòu)作為康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示。經(jīng)過仿真計(jì)算結(jié)合實(shí)際情況，該平行連桿機(jī)構(gòu)，可以通過改變其各邊長(zhǎng)比例與長(zhǎng)短來調(diào)節(jié)步態(tài)軌跡的橢圓形狀，以選擇最佳運(yùn)動(dòng)軌跡。我們的設(shè)計(jì)是根據(jù)人體平均身高比例來確定運(yùn)動(dòng)軌跡范圍，從而選擇CD邊長(zhǎng)為200 mm，AB邊長(zhǎng)為CD的1/2，BH邊長(zhǎng)為700 mm，CE邊長(zhǎng)為360 mm，EG邊長(zhǎng)為300 mm作為機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)長(zhǎng)度。圖中圓形表示轉(zhuǎn)動(dòng)副，其中C、D兩點(diǎn)固定在整體機(jī)架上，A點(diǎn)為電機(jī)轉(zhuǎn)軸位置，其余連桿通過聯(lián)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)以使得GH連桿運(yùn)動(dòng)曲線為近似人體步態(tài)軌跡的橢圓形[4]。

圖1 機(jī)構(gòu)示意圖

機(jī)構(gòu)通過電機(jī)轉(zhuǎn)軸繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)AB連桿運(yùn)動(dòng)，AB連桿帶動(dòng)EH連桿繞B點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，BH連桿運(yùn)動(dòng)過程中，帶動(dòng)DF、EF及GH連桿運(yùn)動(dòng)，其中DF連桿繞固定在機(jī)架上的D點(diǎn)擺動(dòng)，CE與DF連桿為平行四邊形結(jié)構(gòu)，所以CE連桿與DF連桿始終平行，EF連桿與CD連桿始終平行，下方EG與BH連桿同樣構(gòu)成平行四邊形結(jié)構(gòu)，EG連桿運(yùn)動(dòng)過程中始終平行于BH連桿，GH連桿平行于EF連桿，GH連桿為整個(gè)機(jī)構(gòu)末端，在其上安裝有踏板與患者腳部固定，帶動(dòng)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

采用3D繪圖軟件Solidworks繪制機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，中間采用鏤空結(jié)構(gòu)以在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上減輕重量，各轉(zhuǎn)動(dòng)副均安裝軸承以保證運(yùn)行順暢，上方與機(jī)架固連處(CD處)設(shè)計(jì)為夾心式結(jié)構(gòu)，以減少機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)由于患者肢體及機(jī)構(gòu)本身重力作用而產(chǎn)生的整體側(cè)向偏移。

圖2 機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)圖

圖3所示是通過3D打印制作的腳墊，可以選擇合適的形狀，使得結(jié)構(gòu)更加合理美觀，采用樹脂材料保證腳墊的柔韌性，減輕重量，也方便后期進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化，如添置相關(guān)傳感器等。腳墊左側(cè)設(shè)置插槽，用以和結(jié)構(gòu)GH連桿中間鏤空部分連接。側(cè)面是一個(gè)順滑的坡面，增加強(qiáng)度，用以承受患者腳部重力產(chǎn)生的力矩。腳墊上表面設(shè)置橫條凸起，一方面起到加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的作用，另一方面增大表面摩擦力，減小腳面和腳墊表面的相對(duì)位移。外側(cè)一邊留有穿孔，用以固定腳部松緊綁帶，使腳掌與腳墊固定在一起。下表面采用棋盤狀網(wǎng)格分布，保證強(qiáng)度，減小重量。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人需要帶動(dòng)患者下肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，所以需要提供足夠的動(dòng)力以及準(zhǔn)確的控制，在其設(shè)計(jì)過程中需要選擇合適的電機(jī)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制電路和控制算法來確?？祻?fù)訓(xùn)練的效率與安全。還需設(shè)計(jì)友好的人機(jī)交互界面，便于操作。

圖3 腳墊結(jié)構(gòu)圖

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

康復(fù)機(jī)器人采用功率為90 W的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過驅(qū)動(dòng)器與主控電路相連接。機(jī)構(gòu)采用STM32F103系列單片機(jī)作為主控芯片，該芯片擁有豐富的IO資源，可實(shí)現(xiàn)多路外部計(jì)數(shù)及脈沖輸出，完全滿足本機(jī)構(gòu)控制要求?？刂破魍ㄟ^適配的驅(qū)動(dòng)器連接機(jī)構(gòu)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過對(duì)電機(jī)編碼器數(shù)據(jù)正交解碼獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，經(jīng)藍(lán)牙通信發(fā)送至PC接收端，同步反映運(yùn)行狀態(tài)。整個(gè)電路由220 V家用電經(jīng)48 V開關(guān)電源穩(wěn)壓供電。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為下位機(jī)和上位機(jī)兩部分。分別實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行控制和人機(jī)交互。

1)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

在生物教學(xué)中存在著許多的重點(diǎn)與難點(diǎn)知識(shí)，但是受到教學(xué)條件等因素的影響，使得學(xué)生的理解難度不斷增加，進(jìn)而產(chǎn)生了厭煩的心理。針對(duì)這一現(xiàn)象，教師就可以借助視頻或是PPT來進(jìn)行教學(xué)，組織學(xué)生觀看視頻內(nèi)容，從而找出學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，提高學(xué)習(xí)的效果。

下位機(jī)程序使用C語言編寫，編譯環(huán)境為Keil5。程序示意圖如圖4所示。首先執(zhí)行IO、定時(shí)器及串口初始化程序，然后配置IO為雙路正交解碼及雙路脈沖寬度調(diào)制輸出，設(shè)置脈沖頻率及初始脈寬。串口使能后，復(fù)位串口，初始化串口參數(shù)，通過讀寫指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。使能IO輸出功能，控制驅(qū)動(dòng)器及繼電器工作。使能IO輸入功能，設(shè)置其為正交解碼模式，接入編碼器信號(hào)，獲得當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。由于機(jī)構(gòu)需要承載一定的腿部重量，且由于整個(gè)機(jī)構(gòu)存在自重，所以在整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行階段，僅通過驅(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)的閉環(huán)調(diào)節(jié)速度不能保持恒定值，影響康復(fù)效果。所以通過PID算法在機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，使機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)。

圖4 下位機(jī)軟件示意圖

2)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

在VisioStudio2012編譯平臺(tái)上采用C++語言進(jìn)行上位機(jī)軟件的編寫。首先執(zhí)行MFC程序初始化，包括按鈕、繪圖框、標(biāo)題欄等的初始化。然后進(jìn)行康復(fù)模式設(shè)置，選擇康復(fù)模式以及康復(fù)機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度，目前康復(fù)模式僅設(shè)置為全周運(yùn)動(dòng)，即左右機(jī)構(gòu)均進(jìn)行整周轉(zhuǎn)動(dòng)，康復(fù)速度分為高中低及自定義四檔，選擇完成后會(huì)有對(duì)應(yīng)圖標(biāo)亮起以提示當(dāng)前模式，在選擇高速模式或自定義模式速度設(shè)置過高時(shí)，會(huì)彈出確認(rèn)窗口，以再次確認(rèn)速度，防止失誤設(shè)置較高速度對(duì)康復(fù)訓(xùn)練者造成突然損傷。

設(shè)置模式后，點(diǎn)擊開始按鈕，機(jī)構(gòu)運(yùn)行，接收下位機(jī)傳送的編碼器數(shù)據(jù)，確定當(dāng)前機(jī)構(gòu)運(yùn)行位置，以簡(jiǎn)單圖形繪制在界面上，對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示?？祻?fù)界面設(shè)置計(jì)時(shí)工具，以明確當(dāng)前康復(fù)訓(xùn)練時(shí)間，防止運(yùn)動(dòng)過量產(chǎn)生不良后果。軟件界面如圖5所示。

3 系統(tǒng)分析

本文所設(shè)計(jì)的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，為單自由度康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，采用并行連桿機(jī)構(gòu)，由末端踏板帶動(dòng)患者腳部進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練。通過前述的控制算法保證運(yùn)行過程中末端運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性、流暢性，從而給患者提供安全可靠的康復(fù)訓(xùn)練。使用過程中，患者將腳部通過綁帶固定在踏板上，設(shè)置訓(xùn)練模式，啟動(dòng)機(jī)器人即可開始訓(xùn)練。同時(shí)，通過下位機(jī)電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)電流，一旦發(fā)現(xiàn)電流過大即啟動(dòng)保護(hù)模式，切斷電源，防止患者造成二次損傷。

圖5 人機(jī)交互軟件界面示意圖

該康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人設(shè)有被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練和主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練兩種訓(xùn)練模式。

(1)被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練模式為康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人帶動(dòng)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，適用于下肢完全喪失運(yùn)動(dòng)能力的患者，患者腳部與機(jī)器人末端固定后，完全由機(jī)器人帶動(dòng)其足部按照設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng)，完成康復(fù)訓(xùn)練。

兩種訓(xùn)練模式針對(duì)不同損傷程度的患者，進(jìn)行有計(jì)劃的、循序漸進(jìn)的康復(fù)訓(xùn)練，逐步恢復(fù)患者的運(yùn)動(dòng)能力。

4 仿真驗(yàn)證

將設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行Adams運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真可以得到機(jī)構(gòu)的運(yùn)行軌跡。Adams是使用率很高的機(jī)械仿真軟件，用戶可以利用Adams的多種功能實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)的仿真，提高設(shè)計(jì)效率。本機(jī)構(gòu)進(jìn)行Adams仿真旨在確認(rèn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行軌跡，確保機(jī)構(gòu)的有效性。

由于機(jī)構(gòu)為連桿機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以直接在Adams中繪制機(jī)構(gòu)原理圖。如圖6所示，其中上部中間連桿與地固定連接，通過轉(zhuǎn)動(dòng)副與大腿連桿連接，大腿連桿通過轉(zhuǎn)動(dòng)副與中部中間連桿相連，中部中間連桿通過轉(zhuǎn)動(dòng)副與小腿連桿相連，并與長(zhǎng)連桿相連，下部中間連桿連接小腿連桿及長(zhǎng)連桿，長(zhǎng)連桿通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接動(dòng)力連桿，動(dòng)力連桿與地面通過轉(zhuǎn)動(dòng)副相連，并在此轉(zhuǎn)動(dòng)副上添加逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力，設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)速度。設(shè)置好運(yùn)動(dòng)副和動(dòng)力源后選擇“仿真”運(yùn)動(dòng)仿真。此時(shí)機(jī)構(gòu)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，動(dòng)力連桿繞運(yùn)動(dòng)中心旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)其余連桿聯(lián)動(dòng)。

圖6 Adams仿真原理圖

打開仿真Simulation功能進(jìn)入設(shè)置界面，選擇橫坐標(biāo)為下部連桿任一點(diǎn)X方向位移，縱坐標(biāo)為該點(diǎn)Y方向位移。得到運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所示。

圖7 Adams仿真機(jī)構(gòu)運(yùn)行末端軌跡圖

可以發(fā)現(xiàn)軌跡大致為一個(gè)橢圓，X方向位移為250 mm，Y方向位移為150 mm，可以看出末端運(yùn)行軌跡下部與標(biāo)準(zhǔn)橢圓吻合較好，上部稍有允許范圍內(nèi)的誤差，符合正常人體步態(tài)軌跡數(shù)據(jù)。從運(yùn)動(dòng)軌跡上確認(rèn)了機(jī)構(gòu)的有效性。

圖8所示是機(jī)構(gòu)終端即踏板處在X、Y方向上的加速度圖，可以看出雖然在X、Y方向上加速度有所變化但均未超過50 mm/s2，處在一個(gè)安全的范圍內(nèi)，整體運(yùn)動(dòng)過程較柔和，康復(fù)訓(xùn)練者腳部受力不會(huì)突然變化過大而產(chǎn)生二次損傷[5]。

圖8 機(jī)構(gòu)末端加速度圖

5 結(jié)語

本文針對(duì)當(dāng)前“腦卒中”患者日益增多，對(duì)國(guó)家社會(huì)負(fù)擔(dān)越來越大的問題，設(shè)計(jì)了一種下肢康復(fù)機(jī)器人，旨在幫助“腦卒中”偏癱患者進(jìn)行術(shù)后康復(fù)訓(xùn)練以便盡早恢復(fù)行走運(yùn)動(dòng)能力。從研究人體正常行走步態(tài)軌跡入手，設(shè)計(jì)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人機(jī)構(gòu)，使其能夠?qū)ζc患者進(jìn)行以恢復(fù)行走為目的的訓(xùn)練。通過仿真確定了機(jī)構(gòu)的有效性，設(shè)計(jì)下位機(jī)電路及軟件以及PC交互界面后，進(jìn)行零部件加工并組裝調(diào)試，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的有效性。接下來將

進(jìn)一步進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)，通過患者的康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)構(gòu)有效性做進(jìn)一步評(píng)估。

康復(fù)機(jī)器人市場(chǎng)前景廣大，需求量高，進(jìn)行康復(fù)機(jī)器人研究有助于為國(guó)家、社會(huì)、家庭減輕負(fù)擔(dān)，有助于幫助患者盡早恢復(fù)行走能力。在接下來的研究中，將根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及患者實(shí)際需求，進(jìn)一步優(yōu)化該康復(fù)機(jī)器人性能，使其功能更加完善，康復(fù)訓(xùn)練效果更加顯著。

[1] 徐國(guó)政, 宋愛國(guó), 李會(huì)軍. 康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)[J].北京：中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù), 2009, (04): 108-128.

[2] 劉翠華, 張盤德, 楊杰華, 容小川. 智能康復(fù)訓(xùn)練器對(duì)腦卒中患者綜合康復(fù)治療的療效觀察[J]. 北京：中國(guó)康復(fù)理論與實(shí)踐, 2011, (01): 98-125.

[3] Cullell,J.C.Moreno,E.Rocon,A. Forner-Cordero,J.L. Pons. Biologically based design of an actuator system for a knee-ankle-foot orthosis[J]. Mechanism and Machine Theory.2008 (4).

[4] 劉軍凱,孫寧,黃美發(fā). 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人步態(tài)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 北京：機(jī)械設(shè)計(jì)與研究, 2006(05).

[5] 伊蕾,張立勛,于彥春. 六連桿助行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析及仿真研究[J]. 中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志, 2010(07).