腳踝康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)研究綜述

崔皓然，馬常友，樊亞飛，張昕辰，張傳望，龐震，薛毅，姜嘉雯

腳踝康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)研究綜述

崔皓然，馬常友*，樊亞飛，張昕辰，張傳望，龐震，薛毅，姜嘉雯

（佳木斯大學(xué) 藥學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007）

分析了國內(nèi)外腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置的研究現(xiàn)狀，討論了腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置在機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制算法、工作空間和運(yùn)動(dòng)性能評(píng)價(jià)等方面現(xiàn)有的研究方法。綜述了并聯(lián)機(jī)構(gòu)、自由度和驅(qū)動(dòng)方式的大致分類，簡述了各機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，并給出了相應(yīng)結(jié)論。控制算法主要包括自適應(yīng)導(dǎo)納控制方案、位置和接納控制方案及軌跡規(guī)劃，工作空間主要包括位置空間和姿態(tài)空間，運(yùn)動(dòng)性能評(píng)價(jià)主要包括操作性、靈巧性和安全性。最后，列舉了腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置研究中存在的問題，同時(shí)提出了解決問題的相關(guān)方法。

機(jī)械結(jié)構(gòu)；控制算法；工作空間；運(yùn)動(dòng)性能評(píng)價(jià)

人體能夠完成站立、行走、跑跳等動(dòng)作，與腳踝的作用密切相關(guān)。由于人類活動(dòng)愈加頻繁，導(dǎo)致人口老齡化、運(yùn)動(dòng)不當(dāng)、意外事故、疾病等多方面因素造成的腳骨關(guān)節(jié)損傷也不斷增加，針對(duì)腳踝損傷的康復(fù)訓(xùn)練器具的需求日益提升[1-5]?，F(xiàn)有的腳踝康復(fù)機(jī)器人只能提供單一的被動(dòng)或主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練功能，無法滿足不同程度腳踝損傷患者對(duì)康復(fù)訓(xùn)練的需求。不同損傷程度癥狀及傳統(tǒng)治療如表1所示。

從裝置的可操作性、靈活性、平衡性、安全性和經(jīng)濟(jì)性來考慮，傳統(tǒng)的腳踝康復(fù)裝置存在價(jià)格昂貴、靈活性低、安全性差等問題[6-8]。隨著康復(fù)機(jī)器人在醫(yī)工結(jié)合領(lǐng)域、康復(fù)工程中的快速發(fā)展[5,9-11]，改善上述裝置所存在的問題已成為近幾年的研究熱點(diǎn)。

本研究通過回顧腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置研究已取得的主要成果，分析對(duì)比腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置在機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制算法、工作空間和運(yùn)動(dòng)性能評(píng)價(jià)方面的一些研究方法，列舉了腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置研究中存在的相關(guān)問題，同時(shí)提出了相應(yīng)的解決方法。

1 研究現(xiàn)狀

腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置的研究最早可以追溯到1934年，Polladr等[12]用于汽車噴漆的平行結(jié)構(gòu)。1947年，Gough等[12]建議使用由平行機(jī)構(gòu)組成的裝置來檢測輪胎，提出一種包含并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)備。雖然這些機(jī)構(gòu)并不具有工業(yè)推廣性，但為以后的腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置的發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外對(duì)腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置的研究已有五十多年的積累，并取得了一定的成功。1999年，美國Rutgers大學(xué)[13]研制出一種基于stewart機(jī)構(gòu)的6自由度踝關(guān)節(jié)康復(fù)系統(tǒng)，如圖1所示，這是并聯(lián)機(jī)構(gòu)在醫(yī)療康復(fù)機(jī)構(gòu)中的首次應(yīng)用。該機(jī)構(gòu)具有6條能自由伸縮的支鏈，因此是具有6自由度的并聯(lián)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)，能夠完成復(fù)雜的康復(fù)運(yùn)動(dòng)。

意大利Jody A.Saglia等[14]研究了一種具有冗余驅(qū)動(dòng)的2-DOF腳踝康復(fù)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如圖2所示，對(duì)機(jī)構(gòu)建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并對(duì)機(jī)構(gòu)的工作空間、輸出扭矩以及結(jié)構(gòu)緊湊性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。但該機(jī)構(gòu)只有2個(gè)自由度，不能完成踝關(guān)節(jié)康復(fù)的所有動(dòng)作。

表1 不同腳踝損傷程度癥狀及傳統(tǒng)治療方法

圖1 6自由度踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)

圖2 冗余驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

2006年，韓國光州科技學(xué)院[15]提出一種具有雙動(dòng)平臺(tái)的新型腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置，實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)足趾的上下運(yùn)動(dòng)，可促進(jìn)趾關(guān)節(jié)的韌帶強(qiáng)度康復(fù)。

2012年，Mizanoor Rahman等[16]設(shè)計(jì)出一種用于腦卒中患者的地面步態(tài)康復(fù)和輔助治療的可變阻抗緊湊型可穿戴踝關(guān)節(jié)機(jī)器人AFO（Ankle Foot Orthosis，踝足矯形器），如圖3所示，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)共享控制，提高了康復(fù)裝置應(yīng)用中的人性化。2015年，美國麻省理工學(xué)院[17]開發(fā)一種用于訓(xùn)練6～10歲神經(jīng)功能受損兒童的一種由阻抗控制的低摩擦后驅(qū)動(dòng)的腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置PEDIAklebot，如圖4所示，將行為量化技術(shù)納入下肢機(jī)器人。

圖3 用于步態(tài)康復(fù)和輔助治療的AFO模型

圖4 低摩擦后驅(qū)動(dòng)的PEDIAklebot

2017年，土耳其的Karadeniz大學(xué)[18]設(shè)計(jì)了一種2自由度冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，如圖5所示，并同時(shí)設(shè)計(jì)了一種模糊邏輯控制器，提高了康復(fù)機(jī)器人在人機(jī)交互可能引起的外部干擾下的軌跡跟蹤能力。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對(duì)于腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置的研究起步時(shí)間較晚。2005年，燕山大學(xué)的趙鐵石等[19]提出一種基于3-RSS/S并聯(lián)機(jī)構(gòu)的腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置，如圖6所示，一定程度上代替醫(yī)師對(duì)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，但該裝置靈活性不足，容易造成患者腳踝二次損傷。

圖5 2自由度冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)踝關(guān)節(jié)康復(fù)裝置

圖6 3-RSS/S并聯(lián)機(jī)構(gòu)的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人

同年，河北工業(yè)大學(xué)劉更謙等[20]在此基礎(chǔ)上分析了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，推導(dǎo)了3-RSS/S并聯(lián)機(jī)構(gòu)的Jacobian矩陣，為3-RSS/S踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的進(jìn)一步研究打下基礎(chǔ)。2007年，河北工業(yè)大學(xué)何春燕等[21]以3-RSS/S踝關(guān)節(jié)康復(fù)并聯(lián)裝置為研究對(duì)象，根據(jù)空間模型和各向同性，探究該裝置速度性能和機(jī)構(gòu)尺寸之間的關(guān)系，得出相應(yīng)結(jié)論。

北京工業(yè)大學(xué)李大順等[22]研究一種具有3自由度定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)功能的3-RRS并聯(lián)腳踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可在工作空間內(nèi)以任意位姿實(shí)現(xiàn)三維轉(zhuǎn)動(dòng)。上海交通大學(xué)楊加倫等[23]對(duì)3-DOF正交SPM（Spherical Parallel Manpulator，球面平行推進(jìn)器）模型進(jìn)行研究，運(yùn)用Rodrigues指數(shù)積公式求解機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解，并利用機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解對(duì)正解結(jié)果進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證，證實(shí)該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。西安理工大學(xué)王庚祥等[24]對(duì)4-SPS/CU并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，如圖7所示，分析了單個(gè)運(yùn)動(dòng)副間隙對(duì)4-SPS/CU并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響，并得出運(yùn)動(dòng)副間隙越多、機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性越不穩(wěn)定的結(jié)論。

A1～A4、B1～B4為球副；l1～l4為移動(dòng)副；A5為萬向鉸；B5為圓柱副；l5為支撐桿。

2018年，華中科技大學(xué)鄧超等[25]基于故障樹的定性分析和定量分析，對(duì)腳踝康復(fù)機(jī)器人的可靠性進(jìn)行了評(píng)估，為腳踝康復(fù)裝置的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。同年，鄧超等[26]利用FMEA（Failure Mode and Effects Analysis，失效模式與影響分析）和FTA（Fault Tree Analysis，故障樹分析）方法對(duì)奧克蘭大學(xué)研制的腳踝康復(fù)機(jī)器人的可靠性進(jìn)行分析，找到以氣壓為驅(qū)動(dòng)方式的腳踝康復(fù)機(jī)器人的關(guān)鍵故障模式，為該機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

2019年，北京工業(yè)大學(xué)李劍鋒等[27]提出并設(shè)計(jì)出2-UPS/RRR型并聯(lián)踝康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)，如圖8所示。該構(gòu)型結(jié)構(gòu)緊湊，通過對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能的評(píng)價(jià)證明，該結(jié)構(gòu)在工作空間內(nèi)不具有奇異位形，并有良好的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能。

2020年，東北大學(xué)王海芳等[28]提出一種可以進(jìn)行主被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練和智能語音康復(fù)訓(xùn)練的3自由度轉(zhuǎn)動(dòng)的3-SPS/S踝關(guān)節(jié)并聯(lián)康復(fù)機(jī)器人，如圖9所示，可以滿足患者康復(fù)后期腳踝關(guān)節(jié)康復(fù)治療需求。2020年，燕山大學(xué)陳子明等[40]在研究現(xiàn)有腳踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種基于3-UPU并聯(lián)機(jī)構(gòu)的新型踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)，如圖10所示，該機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線可實(shí)現(xiàn)高度和角度方向的調(diào)節(jié)，從而使機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與人體踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軸線更好地吻合，給患者帶來更好的康復(fù)效果。

圖8 2-UPS/RRR型并聯(lián)踝康復(fù)機(jī)器人樣機(jī)

圖9 3-SPS/S并聯(lián)康復(fù)機(jī)構(gòu)

2 研究方法

近幾年國內(nèi)外的科研學(xué)者在此領(lǐng)域做了大量工作，并有一部分成熟產(chǎn)品已投放市場，但康復(fù)效果不是特別理想，腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置的研究還處于起步階段。近幾十年的研究積累已形成了一整套研究方法，具體體現(xiàn)在機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制算法、工作空間和運(yùn)動(dòng)性能評(píng)價(jià)等幾個(gè)方面的理論，這些理論運(yùn)用到實(shí)踐中后可以進(jìn)一步完善和發(fā)展裝置。

圖10 3-UPU并聯(lián)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

趙瑞杰等[29]根據(jù)人體生理學(xué)和踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，踝關(guān)節(jié)可視為一個(gè)具有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度（背伸/趾屈、內(nèi)翻/外翻、內(nèi)旋/外旋）的球關(guān)節(jié)。腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置的本體一般由機(jī)械系統(tǒng)（定平臺(tái)、動(dòng)平臺(tái)、驅(qū)動(dòng)桿支鏈和支撐桿）和電控系統(tǒng)兩部分組成。對(duì)腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置進(jìn)行合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能為患者在康復(fù)訓(xùn)練時(shí)提供可靠的穩(wěn)定性、安全性和靈活性。整個(gè)腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為兩個(gè)方面：腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置的結(jié)構(gòu)類型和驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)。

2.1.1 結(jié)構(gòu)類型

劉芳芳等[30-32]指出，傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練裝置分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種機(jī)構(gòu)類型，其中并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)自由度。串并聯(lián)機(jī)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

由于腳踝康復(fù)裝置在實(shí)時(shí)計(jì)算時(shí)是計(jì)算反解，而腳踝康復(fù)訓(xùn)練需要很高的精密度和靈活性，因此并聯(lián)機(jī)構(gòu)比串聯(lián)機(jī)構(gòu)更適合。但并聯(lián)機(jī)構(gòu)不能很好地解決正解，所以還需要結(jié)合串聯(lián)來共同解決正反解問題。

按并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)分類可分為2～6個(gè)自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。國內(nèi)外大多數(shù)腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置都能提供3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的腳踝康復(fù)訓(xùn)練，且實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)并控制運(yùn)動(dòng)參數(shù)[33]。3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)種類較多，形式復(fù)雜，而2自由度、4自由度和6自由度的下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置非常少見。任相名[34]設(shè)計(jì)出一種少自由度且增大安全性的康復(fù)裝置。不同自由度代表機(jī)構(gòu)和優(yōu)缺點(diǎn)如表3、表4所示。

因此認(rèn)為3自由度是最適宜腳踝康復(fù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式。

球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)（SPM，Spherical Parallel Manpulator）作為并聯(lián)機(jī)構(gòu)的一種特殊類型，具有工作空間大、各個(gè)零件之間不易發(fā)生干涉的特點(diǎn)，相對(duì)于不使用球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的康復(fù)裝置，其擁有更好的運(yùn)動(dòng)性能，且能實(shí)現(xiàn)3自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)。球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)又可分為固定球心并聯(lián)機(jī)構(gòu)和廣義球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)兩種類型。劉承磊等[35]在面向踝部康復(fù)的廣義球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)型綜合研究中分析得到，人體踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)為兩個(gè)關(guān)節(jié)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，空間各向轉(zhuǎn)動(dòng)軸線空間無交匯體系，如果為固定球心的球面運(yùn)動(dòng)，則必然影響人機(jī)相容性，引起人機(jī)交互力，并且基于枚舉法和螺旋理論，提出一種廣義球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)型綜合方法，適用于踝部康復(fù)機(jī)器人本體研究的3、4、5自由度定心距及4、5、6自由度變心距廣義球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)。優(yōu)缺點(diǎn)如表5所示。

表2 串并聯(lián)機(jī)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)比較

表3 不同并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度及代表結(jié)構(gòu)

表4 不同自由度優(yōu)缺點(diǎn)比較

表5 固定球面機(jī)構(gòu)和廣義球面機(jī)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)

故廣義球面并聯(lián)機(jī)器人能夠在自由度上滿足踝關(guān)節(jié)康復(fù)需求。

2.1.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

目前，臨床使用的腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置大部分以氣壓驅(qū)動(dòng)為主，但這種驅(qū)動(dòng)方式并不便于使用。對(duì)于目前所研究的腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置，按驅(qū)動(dòng)方式可分為氣壓驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)和繩驅(qū)動(dòng)三種。楊海鵬等[36-38]分別對(duì)繩驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行研究，驗(yàn)證了繩驅(qū)動(dòng)在下肢康復(fù)機(jī)器人中的有效性。徐圖等[39]在研究機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式中指出，氣壓驅(qū)動(dòng)主要是利用氣動(dòng)人工肌肉，由外部提供的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，作推拉動(dòng)作，可以很好地模仿人體的肌肉運(yùn)動(dòng)。劉芳芳等[40]通過實(shí)驗(yàn)指出，相對(duì)于氣壓驅(qū)動(dòng)，移動(dòng)副驅(qū)動(dòng)（電驅(qū)動(dòng)）對(duì)于踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人是更好的驅(qū)動(dòng)方式。

不同驅(qū)動(dòng)類型優(yōu)缺點(diǎn)如表6所示。

表6 不同驅(qū)動(dòng)方式優(yōu)缺點(diǎn)

陳子明等[41]通過對(duì)機(jī)構(gòu)的奇異性分析發(fā)現(xiàn)以移動(dòng)副作為驅(qū)動(dòng)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)奇異。黃真等[42]通過實(shí)驗(yàn)得到機(jī)構(gòu)的分值奇異與平臺(tái)約束奇異可以通過對(duì)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線與平臺(tái)夾角設(shè)計(jì)而加以避免。

故采用移動(dòng)副提供驅(qū)動(dòng)力，可以更好地控制康復(fù)訓(xùn)練裝置，維持裝置的穩(wěn)定性，同時(shí)還可以節(jié)省不必要的能量消耗。

2.2 控制算法

踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置的控制算法建立在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和人機(jī)交互動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上，用于提高康復(fù)效果和解決康復(fù)訓(xùn)練中安全性等問題。Ismail Hakki等[18]提出一種基于模糊邏輯的自適應(yīng)導(dǎo)納控制方案，使機(jī)器人能夠根據(jù)病人的殘疾程度來適應(yīng)阻力/輔助程度，并通過布谷鳥算法（CSA，Cuckoo Search Algorithm）證明了該方案的有效性。Jody A. Saglia等[43]使用位置和接納控制方案解決了患者被動(dòng)和主動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式，并解決了輔助控制器的穩(wěn)定性等問題。王海芳等[28]設(shè)計(jì)出一種由多軸運(yùn)動(dòng)控制器、傳感器、語音模塊、顯示器、降壓模塊、繼電器以及應(yīng)急按鈕組成的控制系統(tǒng)，提高了康復(fù)訓(xùn)練中的安全性和可操作性。

廖志偉等[44]分析得到，合理的軌跡可以使康復(fù)裝置具有較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)平衡性和較弱的啟停沖擊，很大程度上避免患者腳踝的二次損傷。莊鵬等[45]依據(jù)傳統(tǒng)擺線函數(shù)與矩形函數(shù)設(shè)計(jì)出一種啟停平穩(wěn)性好，最大速度/加速度、剛性沖擊較小的組合函數(shù)形式的運(yùn)動(dòng)軌跡，為腳踝康復(fù)機(jī)器人的控制提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。盧宗興等[46]通過對(duì)比3-PH/R踝關(guān)節(jié)機(jī)器人的三種運(yùn)動(dòng)軌跡，探討出不同運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)肌肉和關(guān)節(jié)的影響以及運(yùn)動(dòng)軌跡之間的聯(lián)系，并指出對(duì)于不同腳踝受傷情況要慎重選擇康復(fù)軌跡。趙向陽等[47]提出，正常人在行走時(shí)腳踝關(guān)節(jié)活動(dòng)角度俯仰在25°～30°，因此，設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)只需使人的踝關(guān)節(jié)在25°～30°做上下往復(fù)擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，即可滿足腳踝康復(fù)的最低要求。

2.3 工作空間

并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間[48]是機(jī)構(gòu)所能達(dá)到的工作區(qū)域和衡量機(jī)構(gòu)工作性能的重要指標(biāo)之一。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃時(shí)，應(yīng)防止構(gòu)件干涉或碰撞。將動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍控制在工作空間內(nèi)，機(jī)構(gòu)就能正常維持運(yùn)作。按照動(dòng)平臺(tái)末端運(yùn)動(dòng)形式的不同分為位置空間和姿態(tài)空間[49]。

參考GB 10000－1988[50]26～35歲人體尺寸，得出一套踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)，并對(duì)機(jī)構(gòu)求反解得出其工作空間，從而證明該機(jī)構(gòu)工作空間的內(nèi)部不存在奇異。劉芳芳等[39]通過幾何約束分析、數(shù)值離散搜索法求解姿態(tài)工作空間和數(shù)值仿真計(jì)算實(shí)例證明，該機(jī)構(gòu)可對(duì)損傷腳踝實(shí)現(xiàn)全面的康復(fù)治療。劉秀瑩等[51]通過MATLAB計(jì)算廣義球面并聯(lián)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，得出該裝置的工作空間在各基準(zhǔn)面上的投影都具有一定對(duì)稱性，且內(nèi)部沒有空洞這一結(jié)論，表明在其有效工作空間內(nèi)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能良好。

2.4 運(yùn)動(dòng)性能評(píng)價(jià)

李劍鋒等[27]通過實(shí)驗(yàn)指出可操作度是反映裝置在姿態(tài)和位移方面可操作能力的度量，同時(shí)也是評(píng)價(jià)其在某位姿下靈活性的重要指標(biāo)。

靈巧性是反映機(jī)器人綜合運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)劣的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。SALISBURY等[52]采用雅可比矩陣的條件數(shù)作為靈巧性的指標(biāo)，當(dāng)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人各個(gè)條件變化參數(shù)在工作時(shí)趨于穩(wěn)定狀態(tài)，則說明機(jī)器人有較好的運(yùn)動(dòng)靈巧性。

安全性也是重要的運(yùn)動(dòng)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，每一種踝康復(fù)裝置都應(yīng)包括監(jiān)測和確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)扭矩、速度和位移在預(yù)先規(guī)定范圍內(nèi)的軟件、實(shí)時(shí)監(jiān)測傳感器、地面故障檢測器和緊急開關(guān)等，從而才能很大程度上確保康復(fù)訓(xùn)練中患者的安全。

3 存在問題

腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置仍然存在許多待解決的問題：

（1）現(xiàn)有腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置只能按程序設(shè)置的運(yùn)動(dòng)軌跡和強(qiáng)度進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，機(jī)械式重復(fù)運(yùn)動(dòng)不能帶給患者沉浸式的體驗(yàn)，增加了康復(fù)訓(xùn)練的時(shí)間。

（2）腳踝損傷有三個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)的損傷都需要相應(yīng)程度的康復(fù)訓(xùn)練，現(xiàn)有腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置對(duì)每個(gè)損傷等級(jí)的患者都有一定的作用，但不能針對(duì)受傷程度不同的患者選擇合適的訓(xùn)練模式，導(dǎo)致康復(fù)效果不理想。

除此之外，從1999年至今，各種樣式的腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置的靈活性、安全性、平衡性和可操作性還有待提高。

4 展望

隨著腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置的發(fā)展和研究的日益深入，腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置在穩(wěn)定性、靈活性和高效性等方面的性能將不斷提高，能夠滿足更多不同人群、不同腳踝損傷程度康復(fù)訓(xùn)練的需要，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。

腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置有兩個(gè)趨勢值得關(guān)注：

（1）沉浸式康復(fù)訓(xùn)練?？茖W(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展成熟為傳統(tǒng)訓(xùn)練模式提供了新的發(fā)展方向，通過虛擬場景游戲?qū)⒖祻?fù)訓(xùn)練過程以視覺形式反饋給患者，使患者在沉浸式的虛擬環(huán)境中進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，可以幫助患者以更主動(dòng)、更高效、更易于理解的方式進(jìn)行腳踝康復(fù)訓(xùn)練，很大程度上縮短康復(fù)訓(xùn)練時(shí)間。

（2）針對(duì)性設(shè)計(jì)腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置。目前市場上的腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置對(duì)各個(gè)年齡段的人群都適用，但針對(duì)性的恢復(fù)效果并不理想。青少年在運(yùn)動(dòng)過程中踝關(guān)節(jié)損傷最為常見，往往為Ⅰ度、Ⅱ度損傷，由于其骨骼正處于發(fā)育階段，致使康復(fù)的時(shí)間相對(duì)較長，所以設(shè)計(jì)一種針對(duì)青少年的腳踝康復(fù)訓(xùn)練裝置有深遠(yuǎn)的醫(yī)學(xué)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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Review of Ankle Rehabilitation Training Mechanism

CUI Haoran，MA Changyou，F(xiàn)AN Yafei，ZHANG Xinchen，ZHANG Chuanwang，PANG Zhen，XUE Yi，JIANG Jiawen

(College of Pharmacy,Jiamusi University, Jiamusi 154007, China)

This paper analyzes the present research of ankle rehabilitation training devices at home and abroad, and discusses the existing research methods of ankle rehabilitation training devices in mechanical structure, control algorithm, working space and sports performance evaluation. The general classification of parallel mechanisms, degrees of freedom and driving modes are summarized. The advantages and disadvantages of each mechanical structure are briefly described and the corresponding conclusions are given. The control algorithm mainly includes adaptive admittance control scheme, position and admission control scheme and trajectory planning, and the workspace mainly includes position space and orientation workspace. The evaluation of motion performance mainly includes maneuverability, dexterity and safety. Finally, the problems existing in the research of ankle rehabilitation training devices are listed, and the relevant methods to solve the problems are put forward.

mechanical structure；control algorithm；workspace；motion performance evaluation

TP242.3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.12.002

1006-0316 (2021) 12-0011-09

2021-04-28

全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202010222045）；黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202010222045）

崔皓然（2000－），男，山西長治人，主要研究方向?yàn)獒t(yī)工結(jié)合設(shè)備研究，E-mail：782463254@qq.com。*通訊作者：馬常友（1982－），男，黑龍江佳木斯人，博士，講師，主要研究方向?yàn)榭祻?fù)機(jī)器人的應(yīng)用及機(jī)器研究，E-mail：mcyazh@126.com。