床邊下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析*

羅承開，韋建軍※，王春寶,，劉銓權(quán)

（1.廣西科技大學(xué)機(jī)械與交通工程學(xué)院，廣西柳州 545000；2.深圳市老年醫(yī)學(xué)研究所，廣東深圳 518000）

0 引言

隨著我國(guó)老齡人口的增加，老齡化所引起的一系列問題也越發(fā)尖銳。我國(guó)每年腦卒中導(dǎo)致偏癱患者新增200萬，由于治療師短缺，大部分的腦卒中患者早期未得到有效的治療，使得患者的病情加劇，嚴(yán)重影響他們的生活[1]。腦卒中早期的患者由于臥床不便移動(dòng)，而康復(fù)黃金期為腦卒中病發(fā)后的前3個(gè)月，所以早期介入和患者的主動(dòng)參與對(duì)于患者的康復(fù)和后續(xù)的治療起到非常好的效果。治療師進(jìn)行傳統(tǒng)床邊康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，每次進(jìn)行的手法與力度不相同，患者主動(dòng)參與率低，且對(duì)于患者治療效果的評(píng)估很大程度上依賴治療師的臨床判斷和主觀經(jīng)驗(yàn)，對(duì)病人的當(dāng)前恢復(fù)現(xiàn)狀沒有得到及時(shí)和準(zhǔn)確的判斷，使得治療師無法針對(duì)患者的康復(fù)現(xiàn)狀確定科學(xué)的治療周期。

腦卒中對(duì)于大腦以及肢體的影響如圖1所示，由于大腦受損，患者的一側(cè)肢體喪失運(yùn)動(dòng)能力，而另一側(cè)則正常[2-3]。反復(fù)肢體運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練是促進(jìn)神經(jīng)環(huán)路再生重組及加強(qiáng)突觸間聯(lián)系的有效途徑之一[4]。

圖1 卒中影響區(qū)域

日本筑波大學(xué)的Atsushi Tsukahara[5]研制的robot suit HAL能夠幫助完全截癱患者實(shí)現(xiàn)下肢的坐-站轉(zhuǎn)換以達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練效果，能適應(yīng)患者的各個(gè)康復(fù)期。意大利Rimec公司研制的Fisiotek下肢被動(dòng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練器通過滑塊的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來帶動(dòng)人體下肢作屈伸運(yùn)動(dòng)，達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練的目的。吉林大學(xué)劉坤等[6]研制的懸吊式下肢康復(fù)裝置用于輔助患者的站起康復(fù)訓(xùn)練，能夠幫助患者實(shí)現(xiàn)站立訓(xùn)練。澤普醫(yī)療的智能主被動(dòng)床旁下肢康復(fù)機(jī)專為臥床患者下肢康復(fù)而設(shè)計(jì)，采用可移動(dòng)的康復(fù)終端理念，實(shí)現(xiàn)床邊下肢康復(fù)的可能。具有被動(dòng)、助力、主動(dòng)、主被動(dòng)、痙攣緩解等訓(xùn)練模式。綜上所述，目前的康復(fù)機(jī)器人大多適用于具有一定站立能力或站立能力的患者，很少有臥床患者相應(yīng)的下肢訓(xùn)練裝置，且主動(dòng)參與率低。也無法對(duì)患者進(jìn)行阻抗訓(xùn)練和進(jìn)行信息采集及時(shí)優(yōu)化訓(xùn)練過程。

針對(duì)現(xiàn)有訓(xùn)練裝置的不足，旨在解決臥床患者難以得到有效訓(xùn)練、訓(xùn)練精度低等問題。本文提出了一種床邊下肢康復(fù)機(jī)器人，如圖2所示，采用等長(zhǎng)二連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)患者在床邊特定區(qū)域的水平往返運(yùn)動(dòng)。在連桿上安裝同步帶輪，實(shí)現(xiàn)由單個(gè)電機(jī)帶動(dòng)多個(gè)自由度的方式。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能適應(yīng)不同身高的患者，并提供多種訓(xùn)練模式，能實(shí)時(shí)采集患者訓(xùn)練數(shù)據(jù)及時(shí)優(yōu)化。

圖2 總體方案

1 設(shè)計(jì)要求

人體下肢是由髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)以及大腿、小腿和足組成[7-8]，人體下肢的運(yùn)動(dòng)即為骨骼繞著相應(yīng)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖3所示。

圖3 人體下肢模型

患者康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，人體下肢各個(gè)關(guān)節(jié)的角度在變化，患者康復(fù)訓(xùn)練時(shí)下肢關(guān)節(jié)的角度變化范圍應(yīng)該在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍之內(nèi)，否則在康復(fù)訓(xùn)練時(shí)會(huì)造成損傷。人體下肢髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)在矢狀面的運(yùn)動(dòng)角度如表1所示[9]。

表1 人體下肢各關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍

由于人體的差異，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)再考慮到患者的腿部的具體參數(shù)。根據(jù)GB 10000—88中給出我國(guó)成年人下肢參數(shù)。康復(fù)機(jī)器人涉及參數(shù)如表2所示。

表2 人體下肢相關(guān)參數(shù)

由百分位數(shù)可知，中國(guó)男性成年人的身高位于1 678～1 754 mm的人數(shù)最多，達(dá)到40%。為提高其適用性和基于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可靠性考慮，現(xiàn)在選取身高為1 754 mm的患者，即大腿長(zhǎng)度為496 mm、小腿長(zhǎng)度為396 mm作為相應(yīng)機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)參考。

2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 確定方案

研究表明，腿部的屈伸以及伴隨著的踝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，可以提高靜脈回血壓力[10]，加速患者腿部功能的康復(fù)，使僵硬的腿部肌肉變得靈活[11]?？傮w方案如圖4所示。

圖4 機(jī)構(gòu)總體方案

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)如圖5所示，原動(dòng)件運(yùn)動(dòng)方向如圖中箭頭所示，采用傳動(dòng)比為i=-1的傳動(dòng)方式，即同步帶輪Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的齒數(shù)滿足如下關(guān)系式：

圖5 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案

2.2 確定結(jié)構(gòu)尺寸

康復(fù)訓(xùn)練結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（單側(cè)）如圖6所示，小腿的長(zhǎng)度LCD=396 mm，大腿的長(zhǎng)度LDF=496 mm，當(dāng)訓(xùn)練處于屈膝極限狀態(tài)時(shí)，膝關(guān)節(jié)活動(dòng)的最小角度β=35°。

圖6 康復(fù)訓(xùn)練結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

由余弦定理有：

當(dāng)訓(xùn)練處于伸膝極限狀態(tài)時(shí)，β=180°，此時(shí)LCF=892 mm，在伸膝與屈膝狀態(tài)下LCF的差值等于606 mm。設(shè)初始角度β=60°，故訓(xùn)練時(shí)要達(dá)到膝關(guān)節(jié)的極限位置，則轉(zhuǎn)動(dòng)臂的設(shè)計(jì)尺寸不應(yīng)小于606 mm。此時(shí)機(jī)構(gòu)執(zhí)行末端在水平方向上的位移為606 mm。將轉(zhuǎn)動(dòng)臂的尺寸L設(shè)計(jì)為606 mm。在實(shí)際的康復(fù)訓(xùn)練中，很少對(duì)膝關(guān)節(jié)的極限位置進(jìn)行訓(xùn)練，即伸膝極限狀態(tài)的訓(xùn)練，可適當(dāng)調(diào)節(jié)初始角度β的角度值，即可實(shí)現(xiàn)在膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意角度的訓(xùn)練。

2.3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

床邊下肢康復(fù)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)如圖7所示。主要由小車、升降柱、絲杠調(diào)節(jié)組件和相同的左、右訓(xùn)練機(jī)構(gòu)組成。此設(shè)計(jì)能使患者通過左訓(xùn)練機(jī)構(gòu)和右訓(xùn)練機(jī)構(gòu)對(duì)患者下肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，而且還能夠根據(jù)設(shè)置在腳踏板上的壓力傳感器采集到的受力狀況，及時(shí)優(yōu)化訓(xùn)練過程。進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，由治療師推動(dòng)該機(jī)器人置于病床床尾處與病床固定，并將患者的足部置于腳踏板上由綁帶綁緊。

圖7 下肢康復(fù)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

該下肢康復(fù)機(jī)器人具有主動(dòng)、被動(dòng)兩種訓(xùn)練模式，可根據(jù)下肢肌力的大小選擇不同的訓(xùn)練模式[12]，腦卒中前期的患者，下肢大多沒有運(yùn)動(dòng)能力，需進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)患者下肢運(yùn)動(dòng)?？祻?fù)訓(xùn)練中后期，下肢的運(yùn)動(dòng)能力有所恢復(fù)，可采取主動(dòng)訓(xùn)練，通過患者下肢肌力克服電機(jī)阻力運(yùn)動(dòng)，達(dá)到訓(xùn)練的目的。也可以采取健患側(cè)結(jié)合訓(xùn)練。

康復(fù)機(jī)器人（單側(cè)）具有3個(gè)自由度：電機(jī)驅(qū)動(dòng)使得腳踏板沿X軸水平方向的往返運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)患者的伸屈膝訓(xùn)練；搖動(dòng)手輪可沿著Y軸水平方向運(yùn)動(dòng)，可調(diào)節(jié)距離以適應(yīng)患者不同寬度的骨盆，且對(duì)于腦卒中早期不宜移動(dòng)的臥床患者，也可適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)距離使其能在正確的位置做康復(fù)訓(xùn)練；升降柱可沿著Z軸豎直方向升高或降低，可用于患者康復(fù)后期加大對(duì)髖關(guān)節(jié)的訓(xùn)練力度和適當(dāng)?shù)卣{(diào)整患者足部的高度。

2.4 轉(zhuǎn)動(dòng)臂設(shè)計(jì)

在康復(fù)訓(xùn)練過程中，為了避免轉(zhuǎn)動(dòng)臂之間產(chǎn)生干涉，將靠近床一端的轉(zhuǎn)動(dòng)臂設(shè)計(jì)成L型，其三維模型如圖8（a）所示，L型轉(zhuǎn)動(dòng)臂的兩端分別與U型轉(zhuǎn)動(dòng)臂和腳踏板連接。轉(zhuǎn)動(dòng)臂之間可相對(duì)旋轉(zhuǎn)。

圖8 轉(zhuǎn)動(dòng)臂總體設(shè)計(jì)

在與L型轉(zhuǎn)動(dòng)臂連接的另一端設(shè)計(jì)有U型轉(zhuǎn)動(dòng)臂，在U型槽內(nèi)安裝有同步帶輪。U型轉(zhuǎn)動(dòng)臂的一端與固定座連接，可繞著固定座做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)U型轉(zhuǎn)動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使得同步帶輪帶動(dòng)L型轉(zhuǎn)動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練時(shí)（由屈膝到伸膝），具體傳動(dòng)關(guān)系如圖8（b）所示。

在U型槽中安裝同步帶輪處自上而下標(biāo)記為傳動(dòng)軸Ⅰ、傳動(dòng)軸Ⅱ、傳動(dòng)軸Ⅲ，下面將對(duì)其進(jìn)行討論。

（1）傳動(dòng)軸Ⅰ

傳動(dòng)軸Ⅰ安裝有同步帶輪Ⅰ，通過鍵將扭矩傳遞到L型轉(zhuǎn)動(dòng)臂，兩端加工有螺紋孔，由螺釘固定端蓋防止L型轉(zhuǎn)動(dòng)臂軸向竄動(dòng)，其剖視圖如圖9所示。

圖9 傳動(dòng)軸Ⅰ

（2）傳動(dòng)軸Ⅱ

傳動(dòng)軸Ⅱ的剖視圖如圖10所示，同步帶輪Ⅱ和同步帶輪Ⅲ由螺栓連接同步轉(zhuǎn)動(dòng)，軸的兩端加工有螺紋孔，由螺釘固定在U型槽內(nèi)。

圖10 傳動(dòng)軸Ⅱ剖視圖

（3）傳動(dòng)軸Ⅲ

傳動(dòng)軸Ⅲ與同步帶輪Ⅳ通過螺釘固定，傳動(dòng)軸Ⅲ在右端由螺釘連到在固定座上。電機(jī)輸出軸通過鍵傳遞扭矩到U型轉(zhuǎn)動(dòng)臂，從而帶動(dòng)同步帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系如圖11。

圖11 傳動(dòng)軸Ⅲ

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

下肢二連桿運(yùn)動(dòng)模型如圖12所示，L1、L2分別U型轉(zhuǎn)動(dòng)臂、L型轉(zhuǎn)動(dòng)臂長(zhǎng)度。s為OB的長(zhǎng)度。θi（i=1，2）為桿OA與桿AB與水平方向的夾角。

由圖12所示封閉的矢量三角形OAB可寫出其矢量方程：

圖12 下肢二連桿運(yùn)動(dòng)模型

其復(fù)數(shù)形式表示為：

由歐拉公式eix=cos（x）+isin（x）得

將式（5）關(guān)于時(shí)間求導(dǎo)，得：

式中：ω1、ω2、ν分別為桿OA的角速度、桿AB的角速度和末端的速度。

由式（6）再對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，整理可得：

式中：a2、a1、a2分別為桿OA的角加速度、桿AB的角加速度和機(jī)構(gòu)末端的加速度。

4 信息采集與仿真分析

4.1 試驗(yàn)對(duì)象信息采集

本研究隨機(jī)選取10名腦卒中患者作為研究對(duì)象，其基本信息如表3所示，這些試驗(yàn)者均是自愿參加試驗(yàn)，且了解試驗(yàn)?zāi)康募霸囼?yàn)方法。

表3 受試者基本信息

圖13所示為腦卒中患者模擬下肢康復(fù)訓(xùn)練過程（患側(cè)），由于大腦損傷，腦卒中患者下肢的運(yùn)動(dòng)能力遠(yuǎn)不如健康者。

圖13 患者試驗(yàn)過程

試驗(yàn)采集以下患者數(shù)據(jù)如表4所示，即患者完成一次屈膝∕伸膝所需要的時(shí)間，患者做6次伸膝∕屈膝，分別記錄所需要的時(shí)間，取平均數(shù)。由表可知，腦卒中患者下肢屈膝∕伸膝的頻率大約為6 s∕次，其中患者E和患者G為高度偏癱且肌張力過高，下肢主動(dòng)訓(xùn)練無法完成。

表4 被測(cè)對(duì)象完成一次屈膝/伸膝所需時(shí)間s

4.2 被動(dòng)訓(xùn)練時(shí)的人機(jī)學(xué)模型仿真分析

在腦卒中患者的被動(dòng)訓(xùn)練中，調(diào)整U型轉(zhuǎn)動(dòng)臂角度α=60°，患者處于屈膝狀態(tài)。患者康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，由屈膝到伸膝。當(dāng)α=80°，患者完成伸膝訓(xùn)練，開始進(jìn)行屈膝訓(xùn)練，當(dāng)α=60°患者完成屈膝訓(xùn)練。利用SolidWorks建立人機(jī)學(xué)模型并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。選取百分位數(shù)最大的成年男性（身高1 754 mm，大腿長(zhǎng)度為496 mm，小腿長(zhǎng)度為396 mm）為研究對(duì)象。在SolidWorks中建立的人機(jī)學(xué)模型，如圖14所示。

圖14 被動(dòng)訓(xùn)練時(shí)人機(jī)學(xué)模型

當(dāng)患者進(jìn)行訓(xùn)練的頻率為10次∕min時(shí)，即患者做一次屈膝∕伸膝訓(xùn)練時(shí)間為6 s時(shí)，由傳動(dòng)關(guān)系添加驅(qū)動(dòng)，患者進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，設(shè)定電機(jī)的輸出角速度ω=10 sin（-πt/3），t∈（0~6）。仿真時(shí)間為6 s。

康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，患者的足部與腳踏板由綁帶固定，其速度與加速度曲線如圖15所示。從圖中可以看出，患者足部在水平方向上的運(yùn)動(dòng)平緩，加速度并無突變現(xiàn)象，速度的平均值132 mm∕s，峰值為198 mm∕s。正常成年人的步頻為90~120 steps∕min，步行時(shí)足部在垂直方向上的平均速度約為200 mm∕s，康復(fù)機(jī)器人訓(xùn)練速度峰值小于正常人步行時(shí)在豎直方向的平均速度，不會(huì)對(duì)患者的腿部造成不適。腦卒中患者下肢在康復(fù)初期普遍肌張力較高，可適當(dāng)將訓(xùn)練速度調(diào)小，隨著下肢運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)，康復(fù)中后期可將訓(xùn)練參數(shù)調(diào)整至正常人的步態(tài)參數(shù)訓(xùn)練。

圖15 機(jī)構(gòu)末端速度、加速度曲線

在訓(xùn)練過程中，患者的關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的角度變化如圖16所示。膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)角度變化范圍分別為（55°~134°）和（25°~51°），由表1所示的下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)角度可知，均在各關(guān)節(jié)活動(dòng)變化范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)患者造成二次損傷。

圖16 膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)活動(dòng)角度

為了讓患者在使用康復(fù)機(jī)器人時(shí)感到舒適，應(yīng)盡量減少對(duì)膝關(guān)節(jié)的沖擊力，如圖17所示。膝關(guān)節(jié)加速度與角加速度，角加速度的最小值為-36（°）∕s2，角加速度最大值為88（°）∕s2。角加速度連續(xù)變化，不存在突變的情況，由此表明，該康復(fù)機(jī)器人具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

圖17 膝關(guān)節(jié)角速度、角加速度曲線

5 結(jié)束語

本文研究了一種床邊下肢康復(fù)機(jī)器人。在保證對(duì)患者不會(huì)造成二次傷害的前提下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)患者的下肢進(jìn)行被動(dòng)訓(xùn)練、主動(dòng)訓(xùn)練和健患側(cè)結(jié)合訓(xùn)練等，解決了早期中風(fēng)患者由于臥床下肢無法得到有效訓(xùn)練的問題。對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。建立人機(jī)學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了該康復(fù)機(jī)器人可靠性與平穩(wěn)性，更加符合人體下肢關(guān)節(jié)訓(xùn)練康復(fù)的需求。未來的工作將完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)；此外，還將加工裝配該康復(fù)機(jī)器人并進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證該下肢康復(fù)機(jī)器人的有效性。