踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機(jī)械與土木工程學(xué)院 劉浩 常影 宋佳宇 喻仟龍 張洋

1 引言

在日常運(yùn)動(dòng)中往往會(huì)有踝關(guān)節(jié)扭傷，是骨科臨床常見的運(yùn)動(dòng)傷害，踝關(guān)節(jié)扭傷治療的不及時(shí)或不徹底，將會(huì)引起踝關(guān)節(jié)韌帶松弛，發(fā)生反復(fù)扭傷概率變大，最終可能引起踝關(guān)節(jié)功能障礙。踝關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練有助于患者踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)，傳統(tǒng)的踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練主要由醫(yī)師進(jìn)行接觸式的康復(fù)訓(xùn)練，患者處于被動(dòng)，而且方式簡(jiǎn)單，治療效果不明顯，訓(xùn)練周期較長(zhǎng)。隨著機(jī)器人技術(shù)在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研發(fā)和臨床應(yīng)用，踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人將代替?zhèn)鹘y(tǒng)康復(fù)醫(yī)師對(duì)患者進(jìn)行踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練，從而更好地提高患者的康復(fù)質(zhì)量等問題。

美國(guó)Rutgers大學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)踝關(guān)節(jié)康復(fù)平臺(tái)，該平臺(tái)基于Stewart平臺(tái)的“Rutgers踝”，如圖下1所示。該系統(tǒng)有6個(gè)自由度，主要是由固定兩個(gè)平臺(tái)以及可伸縮的支鏈構(gòu)成，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制[1]。韓國(guó)國(guó)立慶尚大學(xué)[2-4]也設(shè)計(jì)了踝關(guān)節(jié)康復(fù)治療機(jī)械，該機(jī)械具有4個(gè)自由度，是通過氣壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，可以完成踝關(guān)節(jié)及腳的一部分運(yùn)動(dòng)，可以較好地對(duì)踝關(guān)節(jié)進(jìn)行康復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖1 Rutgers踝

國(guó)內(nèi)也對(duì)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)械進(jìn)行了相關(guān)研究，其中河北工業(yè)大學(xué)劉更謙等就研究了一種3-RSS/RU并聯(lián)機(jī)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)很好地考慮了康復(fù)理論，該平臺(tái)還設(shè)置了支撐軸，如圖下2所示。北京交通大學(xué)的汪從哲等人也設(shè)計(jì)了1個(gè)3自由度的康復(fù)機(jī)器人，該機(jī)構(gòu)選用了4個(gè)電機(jī)，在一定程度上提高了該康復(fù)機(jī)構(gòu)的工作性能。福州大學(xué)姚立綱等人也對(duì)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)械進(jìn)行了相關(guān)研究，并提出了1種2自由度的康復(fù)機(jī)器人，如下圖3所示。該康復(fù)機(jī)器人是有踏板動(dòng)平臺(tái)的，可以實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)擺動(dòng)，同時(shí)通過增加相應(yīng)的機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的適當(dāng)調(diào)節(jié)。

圖2 3-RSS/S踝關(guān)節(jié)康復(fù)并聯(lián)機(jī)器人

圖3 兩自由度踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人

電子科技大學(xué)的周聰也對(duì)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行了相關(guān)研究，該機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式是繩驅(qū)動(dòng)，通過步態(tài)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)驗(yàn)證了該機(jī)構(gòu)的有效性，如下圖4所示[5]。

綜上所述，在前人的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，針對(duì)傳統(tǒng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)治療方式單一、康復(fù)治療效果不明顯等問題，本文研究了一種輔助患者進(jìn)行踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人。

圖4 穿戴式踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)原理樣機(jī)

2 踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)人體踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為滿足人體踝關(guān)節(jié)的康復(fù)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)主要由靜平臺(tái)、固定支撐柱、滑道、可進(jìn)行升降的滑動(dòng)裝置、液壓桿構(gòu)成；下面為靜平臺(tái)，前端由兩個(gè)固定支撐柱對(duì)滑道進(jìn)行固定，而可進(jìn)行升降的滑動(dòng)裝置通過液壓系統(tǒng)可以沿滑道在一定范圍內(nèi)進(jìn)行滑動(dòng)，同時(shí)，可以進(jìn)行升降；靜平臺(tái)的后端是液壓桿，腳板的前端固定在滑動(dòng)裝置，后端固定在液壓桿上，腳板上具有可穿戴模型，可將腳放在上面通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)裝置的滑動(dòng)位置、高度、及液壓桿的高度，完成踝關(guān)節(jié)的基本運(yùn)動(dòng)。

2.1 踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)械人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人是幫助踝關(guān)節(jié)扭傷，下肢癱瘓等類似患者進(jìn)行踝關(guān)節(jié)的康復(fù)活動(dòng)，在設(shè)計(jì)時(shí)，往往要對(duì)機(jī)器人本身是否能實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)康復(fù)功能，以及機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍和角度的合理性進(jìn)行分析和探討，此外，機(jī)器人的設(shè)計(jì)必須具有安全性，簡(jiǎn)易性、舒適性。

2.2 踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過對(duì)人體踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知,認(rèn)及對(duì)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析,滿足踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的要求。結(jié)構(gòu)主要由靜平臺(tái)、固定支撐柱、滑道、可進(jìn)行升降的滑動(dòng)裝置、液壓桿構(gòu)成。下方為靜平臺(tái)，前方是兩個(gè)固定支撐柱，將滑道固定，滑道上是升降的滑動(dòng)裝置，可以沿著滑道進(jìn)行滑動(dòng)，也可以進(jìn)行升降，后方則是液壓管，不僅起到支撐作用，也可以進(jìn)行升降。

腳的固定結(jié)構(gòu)：腳的固定主要采用捆綁式，患者通過將腳放在腳板上，并通過綁帶的捆綁，從而達(dá)到固定的效果。

內(nèi)收/外展結(jié)構(gòu)：主要依靠升降滑動(dòng)裝置，使其按照滑道進(jìn)行合理的滑動(dòng)，從而帶動(dòng)前腳板進(jìn)行內(nèi)收/外展的腳踝運(yùn)動(dòng)。

背伸/跖屈、內(nèi)翻/外翻結(jié)構(gòu)：背伸/跖屈的運(yùn)動(dòng)主要依靠調(diào)節(jié)腳板前面升降滑動(dòng)裝置的高度與液壓桿件的高度形成高度差，完成背伸/跖屈的運(yùn)動(dòng)，內(nèi)翻/外翻依靠分布在滑道兩邊的升降滑動(dòng)裝置形成左右之間的高度差。

在實(shí)際操作中,由于驅(qū)動(dòng)桿存在角度約束問題,所以在康復(fù)訓(xùn)練過程中需要對(duì)并聯(lián)康復(fù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行位置分析,使驅(qū)動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng)的角度得到合理的控制。本文所用的康復(fù)機(jī)構(gòu)是并聯(lián)機(jī)構(gòu),與串聯(lián)機(jī)構(gòu)不同的是并聯(lián)機(jī)構(gòu)的正解可能存在多個(gè),比串聯(lián)機(jī)構(gòu)的正解要復(fù)雜得多,所以一般用位置反解來進(jìn)行位置分析。因此,通過位置反解對(duì)并聯(lián)康復(fù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行位置分析,獲得輸入輸出構(gòu)件的關(guān)系。

3 結(jié)語

以踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為目標(biāo)，依據(jù)踝關(guān)節(jié)康復(fù)運(yùn)動(dòng)療法要求,分析了踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，總結(jié)歸納了踝關(guān)節(jié)康復(fù)器械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。最后，綜合運(yùn)用catia建模和分析工具,實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的三維數(shù)字化建模，完成了踝關(guān)節(jié)康復(fù)人體模型,本文的主要工作與結(jié)論概括如下。

（1）討論了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)已投入使用的相關(guān)醫(yī)療器械在踝關(guān)節(jié)康復(fù)中的表現(xiàn)，歸納了康復(fù)機(jī)器人出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，總結(jié)了踝關(guān)節(jié)康復(fù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，設(shè)計(jì)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)。三自由度機(jī)構(gòu)具有負(fù)載能力強(qiáng)、剛度大，轉(zhuǎn)動(dòng)中心接近踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心、可控性好、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

（2）依據(jù)踝關(guān)節(jié)康復(fù)運(yùn)動(dòng)療法的要求，運(yùn)用機(jī)構(gòu)學(xué)理論，建立了踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析了踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)和足部運(yùn)動(dòng)關(guān)系，驗(yàn)證了踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足人體踝關(guān)節(jié)合理的轉(zhuǎn)動(dòng)。

（3）進(jìn)行踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的合理性分析，針對(duì)人體踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)需求盡可能地達(dá)到人機(jī)協(xié)調(diào)。通過對(duì)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)的姿態(tài)分析，確定所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)滿足踝關(guān)節(jié)活動(dòng)的角度。