下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)輔助訓(xùn)練裝置的機(jī)械化研究

喻行濤，張 珣

（1.安川首鋼機(jī)器人有限公司，北京 100176；2.北京萬東醫(yī)療科技股份有限公司，北京 100020）

0 引言

下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)輔助訓(xùn)練機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人的另一類型。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科技的日益進(jìn)步，市場(chǎng)需求的多樣化，不同專業(yè)領(lǐng)域的融合交叉越來越大，康復(fù)醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)及材料學(xué)等諸多領(lǐng)域互相貫穿，醫(yī)用康復(fù)機(jī)器人由此應(yīng)運(yùn)而生[1]。

據(jù)中國(guó)殘聯(lián)最新統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，目前，中國(guó)各類殘疾人總數(shù)已達(dá)8500萬人，其中仍有1500萬人以上殘疾人生活在國(guó)家級(jí)貧困線以下，占貧困人口總數(shù)的12%以上。而這些殘疾人中有一部分是由于疾病或者遺傳因素造成的，另一部分則是由于意外事故或突發(fā)事件造成的損傷等，而且面對(duì)國(guó)內(nèi)眾多的殘障人士，康復(fù)醫(yī)療也就顯得格外重要，相對(duì)于已有的許多康復(fù)醫(yī)療手段，專門針對(duì)下肢康復(fù)訓(xùn)練的專業(yè)設(shè)備顯然是有些不足的[2-3]。人體行走本身就是一個(gè)復(fù)雜的過程，行走過程中各關(guān)節(jié)處的阻尼非恒定不變，參考人體水中康復(fù)訓(xùn)練，主要設(shè)計(jì)的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人是一種可以在主動(dòng)訓(xùn)練中實(shí)現(xiàn)阻力非線性變化的訓(xùn)練方式。其可以將患者的體重重量減少或者直接忽略，并且訓(xùn)練中施加的阻力與患者自身運(yùn)動(dòng)有關(guān)，為了調(diào)節(jié)阻抗的大小也設(shè)計(jì)了調(diào)節(jié)阻抗結(jié)構(gòu)；在被動(dòng)訓(xùn)練中各關(guān)節(jié)處也通過添加阻尼模塊實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的舒適性、柔順性。

1 下肢康復(fù)機(jī)器人總設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)輔助訓(xùn)練裝置的整體結(jié)構(gòu)由仿生雙腿模塊、柔性模塊、減重懸掛模塊和跑步機(jī)模塊組成。當(dāng)中的仿生腿有3個(gè)自由度，帶動(dòng)病人移動(dòng)；柔性模塊安裝在仿生腿模塊上，可為被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練提供靈活性；減重懸掛模塊的作用是減輕患者的體重，根據(jù)患者自身的恢復(fù)情況選擇合適的模式；跑步機(jī)模塊考慮到患者行走的難度和訓(xùn)練場(chǎng)地的空間限制，將患者安排在跑步機(jī)上模擬地面行走[4]。

1.2 下肢康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)指標(biāo)

下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)輔助訓(xùn)練裝置的整體設(shè)計(jì)應(yīng)符合以下要求[5]：

（1）需要仿生兩腿模塊的自由度?？紤]到人體運(yùn)動(dòng)所涉及的自由度主要存在于矢狀面，雙腿行走機(jī)構(gòu)在左右腿上分別有3個(gè)自由度，即髖部的屈/伸關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)的內(nèi)部屈曲/伸展以及踝關(guān)節(jié)的伸展、背屈/跖屈。

（2）仿生腿模塊的可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度和承載力。患者人群的身高存在差異，不可能為每個(gè)患者量身定制一套康復(fù)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)。這是不科學(xué)的，不經(jīng)濟(jì)的，不現(xiàn)實(shí)的。因此，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的仿生腿模塊對(duì)應(yīng)大腿和小腿的長(zhǎng)度應(yīng)該是可調(diào)的，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人可以覆蓋85%以上的患者人群。因此，所提出的下肢康復(fù)機(jī)器人適用于身高160～179 cm，體重不超過90 kg的人群。

（3）對(duì)關(guān)節(jié)靈活性的需求。據(jù)相關(guān)研究表明，人體行走時(shí)下肢關(guān)節(jié)處存在阻尼，阻尼呈非線性變化。為了在患者主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練中增加關(guān)節(jié)阻尼變化要求，訓(xùn)練中的行走更貼近現(xiàn)實(shí)。同時(shí)，在被動(dòng)訓(xùn)練中，讓仿生腿的驅(qū)動(dòng)更加靈活。設(shè)計(jì)了柔性模塊，安裝在仿生腿模塊的關(guān)節(jié)處，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)訓(xùn)練中關(guān)節(jié)阻尼的非線性變化，增加被動(dòng)訓(xùn)練中驅(qū)動(dòng)力的柔順性。

1.3 雙腿仿生模塊設(shè)計(jì)方案

1.3.1 下肢運(yùn)動(dòng)的參數(shù)確定

通過分析人體下肢的解剖結(jié)構(gòu)，人直線行走時(shí)下肢關(guān)節(jié)所涉及的自由度主要存在于矢狀面。因此，下肢康復(fù)機(jī)器人仿生雙腿模塊的運(yùn)動(dòng)自由度選自矢狀面的三個(gè)自由度，即髖關(guān)節(jié)屈/伸、膝關(guān)節(jié)屈/外展、踝關(guān)節(jié)跖屈/背屈。

仿生腿模塊各部分的長(zhǎng)度和關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)與人體實(shí)際一致，提高對(duì)人體的適應(yīng)性。通過了解人體下肢關(guān)節(jié)的醫(yī)學(xué)知識(shí)，參考相關(guān)文獻(xiàn)，確定人體行走時(shí)下肢關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍。1.3.2仿生雙腿模塊設(shè)計(jì)方案

患者使用下肢康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，下肢與仿生腿用綁帶綁在一起，仿生腿帶動(dòng)人體進(jìn)行被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練。將仿生雙腿簡(jiǎn)化為連桿機(jī)構(gòu)。

考慮到仿生腿適用人群的身高差異，相應(yīng)尺寸的仿生腿模塊應(yīng)該能夠調(diào)節(jié)腿的長(zhǎng)度，身高在160～179 cm之間的中國(guó)成年人約占總?cè)丝诘?5%，因此，杠的長(zhǎng)度上限為178 cm，下限為160 cm。

1.4 柔性模塊設(shè)計(jì)

柔性模塊主要有兩個(gè)功能：一是保證患者主動(dòng)步行訓(xùn)練過程中關(guān)節(jié)阻尼的非線性變化，實(shí)現(xiàn)“變阻抗模式”，也就是說訓(xùn)練過程中產(chǎn)生的阻尼與患者的跑步速度是正相關(guān)；二是將仿生腿關(guān)節(jié)處伺服電機(jī)的剛性輸入轉(zhuǎn)化為相對(duì)的柔性輸出，驅(qū)動(dòng)患者下肢運(yùn)動(dòng)，確保運(yùn)動(dòng)的靈活性。整個(gè)模塊的柔性主要通過彈簧和阻尼器的組合來實(shí)現(xiàn)，如果伺服電機(jī)有扭矩，則通過可變阻尼器傳遞給彈簧，彈簧的變形帶動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)，保證了運(yùn)動(dòng)的靈活性。

1.5 下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)輔助訓(xùn)練裝置整體設(shè)計(jì)

目前，下肢康復(fù)訓(xùn)練的方法和設(shè)備很多，為使患者在進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練時(shí)方便，降低行走難度，我們決定采用懸掛式踏板的康復(fù)方案，機(jī)構(gòu)主要由仿生腿模塊、柔性模塊、雙腿行走模塊，帶動(dòng)患者下肢的運(yùn)動(dòng)，柔性模塊提供運(yùn)動(dòng)時(shí)的靈活性柔順性，懸掛模塊減輕患者體重，并利用跑步機(jī)模塊在模型地板上行走。

2 下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)輔助訓(xùn)練裝置整體設(shè)計(jì)

2.1 柔性仿生腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 仿生腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先，將仿生腿的設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體模型，確定具體參數(shù)。其次，設(shè)計(jì)柔性模塊的安裝，防止柔性模塊阻礙仿生腿模塊的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)功能。同時(shí)為仿生腿模塊設(shè)置保險(xiǎn)裝置，防止患者遭受二次傷害；最后給出了下肢康復(fù)機(jī)器人的三維結(jié)構(gòu)。仿生腿模塊的長(zhǎng)度和寬度應(yīng)與人體下肢的各個(gè)部位相對(duì)應(yīng)。同時(shí)，必須具備可調(diào)整大小腿的長(zhǎng)度。仿生腿模塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)在Solidworks軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)。

雙腿行走機(jī)構(gòu)主要由大腿、小腿和腳踏組成。大腿和小腿各分為兩部分。大腿下和小腿下加工有滑槽。大腿上和小腿上加工有向上凸的滑軌。槽與軌構(gòu)成可相對(duì)移動(dòng)的移動(dòng)副；大腿下和小腿下分別加工有銷孔。根據(jù)大腿和小腿的調(diào)節(jié)范圍，確定針孔數(shù)量為10個(gè)，銷孔間距為10 mm，可在0～100 mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。圓柱銷可插入銷孔為各零件之間進(jìn)行固定。

髖、膝、踝關(guān)節(jié)相應(yīng)部位裝有軸承。軸承選用深溝球軸承。相應(yīng)的軸承體積小，安裝方便，安裝后結(jié)構(gòu)輕便。仿生腿選用鋁合金作為材料，滿足減輕重量的前提是強(qiáng)度達(dá)標(biāo)。

2.1.2 仿生腿保護(hù)措施設(shè)計(jì)

由于人體下肢關(guān)節(jié)在行走時(shí)有一定的角度范圍，超出活動(dòng)范圍會(huì)使患者受到二次傷害。因此，為了消除安全隱患，仿生腿的關(guān)節(jié)處設(shè)計(jì)一個(gè)可以限位的小裝置，對(duì)關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍進(jìn)行限制，避免在康復(fù)訓(xùn)練過程中超過人體關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍的損傷?？梢酝ㄟ^以下機(jī)制將膝關(guān)節(jié)的屈曲范圍限制在之間，以防止在伺服不確定因素下人體關(guān)節(jié)的最大運(yùn)動(dòng)范圍超過人體關(guān)節(jié)的最大運(yùn)動(dòng)范圍而造成二次傷害。

2.1.3 柔性模塊的安裝

柔順模塊由伺服電機(jī)、可變阻尼器、彈性元件等部分組成，全長(zhǎng)400 mm。柔性模塊沿大小腿安裝，但必須考慮腿的長(zhǎng)度調(diào)整。并且柔性模塊不會(huì)妨礙仿生腿的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)功能。因此，需要為柔性模塊設(shè)計(jì)一個(gè)特定的安裝座，如圖1所示。柔性模塊安裝座要求安裝在結(jié)構(gòu)緊湊的仿生腿上，其長(zhǎng)度和寬度不應(yīng)超過仿生腿大小腿的長(zhǎng)度和寬度?；宓闹本€運(yùn)動(dòng)距離不小于100 mm，所以確定可變阻尼安裝座長(zhǎng)寬410 mm/150 mm，滑板滑動(dòng)范圍100 mm，采用合金鋼制作，保證一定的工作強(qiáng)度。

圖1 柔性模塊安裝

2.1.4 仿生雙腿整體結(jié)構(gòu)

整個(gè)柔性仿生腿由兩個(gè)模塊組成，一個(gè)仿生腿模塊和一個(gè)柔性模塊，如圖2所示。髖、膝關(guān)節(jié)處安裝柔性模塊，踝關(guān)節(jié)處僅安裝伺服電機(jī)；柔性模塊安裝模塊的輸出端與接頭通過錐齒輪傳動(dòng)；滑板通過圓柱銷和支撐板上的環(huán)與支架保持鎖緊狀態(tài)，支撐板和支架焊接在一起。

圖2 仿生腿結(jié)構(gòu)

2.2 仿生腿整體結(jié)構(gòu)

不同身高的患者大腿和小腿的長(zhǎng)度不同。同樣，考慮到不同身高、不同胖瘦的患者腰部寬度不同，為了提高患者佩戴的舒適度和運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性，需要設(shè)計(jì)腰部調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。根據(jù)成年人下肢主要尺寸分布統(tǒng)計(jì)，身高160～179 cm，臀寬在288～334 mm之間，所以334 mm是腰圍調(diào)節(jié)的最大值，288 mm是最小值腰部調(diào)整。腰圍調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)按上述參數(shù)范圍進(jìn)行的設(shè)計(jì)。

2.3 減重懸掛模塊

減重懸掛系統(tǒng)由支架、鋼絲繩、滑輪、力傳感器、電動(dòng)推桿和吊帶組成。電動(dòng)推桿安裝在支架兩側(cè)的電箱內(nèi)。電箱左右各一個(gè)。電動(dòng)推桿通過鋼絲繩提供拉力；滑輪安裝在支架上，支架兩端的滑輪對(duì)稱安裝，主要是改變鋼絲繩受力方向；一端連接線束，另一端連接電動(dòng)推桿。鋼絲繩上安裝張力傳感器，測(cè)量鋼絲繩的拉力；線束主要與人體相連，通過鋼絲繩的拉力減輕人體重量。整個(gè)減重懸掛支架高200 cm，寬80 cm。為了減輕支架的重量，支架采用鋁合金制成。

2.4 跑步機(jī)模塊

考慮到患者自身情況和訓(xùn)練場(chǎng)合空間限制，下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)輔助訓(xùn)練裝置底部安裝了跑步機(jī)模塊。跑步機(jī)模塊總長(zhǎng)160 cm，寬77 cm，高120 cm。調(diào)速范圍0～1 m/s，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。跑帶長(zhǎng)122 cm，寬77 cm?；颊咴谂懿綑C(jī)上進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，調(diào)整跑道速度，使其與仿生腿的前進(jìn)速度相同；兩側(cè)扶手間距為65 cm，扶手為中空貫穿兩側(cè)。管子由鋁合金制成。跑步機(jī)由表盤、扶手、軌道、電機(jī)和相應(yīng)的減速器組成。跑帶的運(yùn)行速度可以通過表盤的屏幕進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 結(jié)語

以下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)輔助訓(xùn)練裝置為研究對(duì)象，根據(jù)人體各部位的長(zhǎng)度與高度的比例、關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍進(jìn)行仿生腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；根據(jù)液壓可變阻尼的工作原理，設(shè)計(jì)了可變阻尼器，在Solidworks中建立設(shè)計(jì)模型。設(shè)計(jì)的下肢運(yùn)動(dòng)康復(fù)輔助訓(xùn)練裝置適應(yīng)更多患者，仿生雙腿模塊長(zhǎng)度可調(diào)，雙腿關(guān)節(jié)處有保護(hù)措施，避免超出人正常關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍對(duì)患者造成二次傷害。