基于Blender醫(yī)療康復機器人設計與仿真

摘 要：針對3D人體模型，基于Blender設計了一款外骨骼運動下肢康復機器人，并采用面向?qū)ο蟮姆椒▽δK化的可拆卸和可組裝設計進行了研究。通過該設計，實現(xiàn)了無線可穿戴設備的多功能一體化，以及髖、膝、踝等多關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)配合訓練。仿真測試驗證了其可行性：該機器人能夠改善下肢關(guān)節(jié)周圍骨折患者的關(guān)節(jié)功能和屈曲度，并有效緩解疼痛，其療效顯著優(yōu)于單一手術(shù)后早期康復訓練的效果，為康復器械產(chǎn)品的創(chuàng)新提供了新的理論參考。

關(guān)鍵詞：下骨骼康復機器人；Blender；三維建模；術(shù)后康復；協(xié)調(diào)聯(lián)合訓練；關(guān)節(jié)自由度

中圖分類號：TP242.3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）08-00-04

0 引 言

下肢康復機器人根據(jù)患者訓練姿態(tài)的不同可分為站立式、多體式和坐臥式三種；按其訓練原理可分為外骨骼式和末端牽引式兩種。

國外在下肢康復機器人的開發(fā)與應用方面已較為成熟。懸掛式下肢康復機器人采用基于腳踏板的末端執(zhí)行器式結(jié)構(gòu)，最早的樣機是德國柏林自由大學開發(fā)的Gait Trainer（GT）下肢康復機器人。該機器人結(jié)構(gòu)相對簡單，但步態(tài)訓練的多樣性受到一定限制。Haptic Walker康復訓練機器人通過機械臂端部控制兩塊腳踏板的位置，從而完成相應的康復訓練動作。以色列的ReWalk外骨骼則能夠?qū)y關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)進行移動供電，并通過內(nèi)置傳感器探測重心前移量，將探測結(jié)果反饋給控制系統(tǒng)以模擬正常步態(tài)。

國內(nèi)醫(yī)療康復產(chǎn)業(yè)起步較晚但發(fā)展迅速，為社會帶來了機遇與挑戰(zhàn)。上海璟和技創(chuàng)公司開發(fā)的智能多體位下肢康復機器人Flexbot，將多體式機器人與外骨骼機器人相結(jié)合，支持多體位步態(tài)訓練。該機器人采用虛擬現(xiàn)實與多傳感器系統(tǒng)相結(jié)合的方法，通過實時反饋患者信息并安排適當?shù)目祻陀柧?，對患者步態(tài)重塑和系統(tǒng)再學習具有顯著效果。燕山大學研制的下肢康復機器人LRR-Ro可實現(xiàn)患者在坐臥姿態(tài)下進行髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)訓練。該機器人利用外骨骼式機械腿結(jié)構(gòu)驅(qū)動患者康復訓練，并結(jié)合仰角可調(diào)節(jié)座椅機構(gòu)，支持坐姿和臥姿訓練。臨床數(shù)據(jù)顯示其效果顯著，且具有較高的舒適性和安全性。

然而，現(xiàn)有市場產(chǎn)品普遍存在機器人體積大、操作復雜、安全性不足等問題，研發(fā)成本和難度也相對較高。

基于此背景，本文研究設計了一款無線可穿戴、多功能一體化的下肢康復機器人。該機器人結(jié)合了康復訓練器的外觀優(yōu)勢與康復機器人的功能優(yōu)勢，使其更加個性化和人性化，能夠?qū)崿F(xiàn)髖、膝、踝多關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)聯(lián)合訓練，增強患者的自主性和適應性。其結(jié)構(gòu)簡單、易于操作，由機身、減重系統(tǒng)和運動系統(tǒng)裝置組成。該機器人在控制系統(tǒng)的支持下，能夠幫助患者回歸自然承重式的站立及邁步，為患者提供更加及時、高效、便利的康復醫(yī)療服務。

1 外骨骼機器人設計

為幫助腦卒中術(shù)后患者進行早期康復，本文設計了一款外骨骼運動下肢康復機器人。通過組合創(chuàng)新，結(jié)合康復訓練器外觀與康復機器人的優(yōu)勢，實現(xiàn)模塊化拼接，方便拆卸和組裝，使得機器人結(jié)構(gòu)相對簡單、易于操作，且成本較低。結(jié)合外骨骼機器人-踏板式（Exoskeleton type）髖、膝關(guān)節(jié)訓練以及末端執(zhí)行器型-階梯式（End Effector type）踝關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)訓練，實現(xiàn)髖、膝、踝多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)聯(lián)合訓練，提高訓練關(guān)節(jié)的自由度。采用懸掛式系統(tǒng)可以減輕重量，幫助病人訓練下肢步態(tài)，同時降低擠壓傷害。優(yōu)化大腿小腿外殼和腿部繃帶，使其更加人性化，實現(xiàn)讓患者回歸自然承重式的站立及邁步[1]。

對于肢體功能障礙較為嚴重的患者，應同時穿戴上肢穿戴懸吊減重裝置和下肢外骨骼式機器人，依托康復機器人的基座進行真實行走訓練。治療師可坐在跑臺旁，協(xié)助病人適當調(diào)整步態(tài)。對于肢體功能障礙較輕的患者，可只穿戴上肢穿戴懸吊減重裝置，雙手緊握扶手，即可進行簡單的日?？祻陀柧殹?/p>

2 設計過程

2.1 機身

斜坡式基座設計便于患者乘坐輪椅直達訓練器中心，操作簡便。在創(chuàng)建立方體模型后，通過編輯模式對一條邊進行倒角處理，形成斜坡效果。在物體模式下應用平滑著色，并在物體數(shù)據(jù)屬性中啟用自動光滑功能，以增強模型的真實感。該訓練器采用下肢非懸吊式設計，使患者能夠以自然承重方式進行站立和邁步訓練。在物體編輯模式下，為模型添加Solidify實體化修改器，對各組件的形狀和空間關(guān)系進行合理調(diào)整，以達到最佳效果。訓練器配備承靠桌和雙扶手，其中扶手具有尺寸調(diào)節(jié)功能，以適應不同患者的下肢條件，確保使用的舒適性和安全性。緊急停止按鈕的設置進一步保障了患者的安全。這些設計充分考慮了安全性、有效性和舒適性要求，為患者提供全面的支持和保障。此外，訓練器還配備了液晶顯示屏，用于實時監(jiān)測和評估訓練數(shù)據(jù)。這些直觀的數(shù)據(jù)為制定各階段康復訓練計劃提供了有效的參考依據(jù)。機身模型如圖1所示。

2.2 減重系統(tǒng)

采用半懸掛式平衡系統(tǒng)作為減重方案，通過懸吊上肢的方式實現(xiàn)減重效果。新建一個立方體模型，在編輯模式下使用多邊形建模工具進行拓撲優(yōu)化，并添加Cloth Physics布料修改器以模擬真實布料效果。懸吊式減重系統(tǒng)采用高位鋼架結(jié)構(gòu)，結(jié)合專門設計的減重背心，為患者提供減重支持，同時在下肢非懸吊式訓練中起到防護作用，幫助患者回歸自然承重式的站立和邁步訓練[2-3]。

基于實物圖導入建模的方式，使模型更具實操性和準確性。在編輯模式下，利用拓撲工具和多邊形建模技術(shù)，結(jié)合Solidify實體化工具對大腿、小腿外殼以及腿部繃帶、腳墊和腳繃帶進行優(yōu)化設計，使其更符合人體工程學原理，提升舒適性和對人體的保護效果[4]。改良后的模型如圖2所示。

2.3 運動機構(gòu)

上肢穿戴懸吊裝置，患者雙手緊握兩側(cè)扶手，下肢采用外骨骼式設計，為運動提供輔助并增強力量。將實際人體尺寸導入人體模型，在Blender中進行設計，并應用鏡像修改器優(yōu)化對稱性[5]。與人體接觸的依靠部位（如背部和腰部）設計軟包件，通過在編輯模式下選中目標并使用縮放工具調(diào)整至理想效果。利用插件Look Tools進行布爾運算，結(jié)合切刀工具進行切割操作。使用Bevel倒角修改器，將限定方式改為權(quán)重，選中相應邊并調(diào)節(jié)平均倒角權(quán)重以使邊線更加硬朗，同時通過內(nèi)插面解決了表面突起的問題[6]。

前后擺動機構(gòu)在膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)處分別設計轉(zhuǎn)軸，確保腿部及足部能夠充分活動，從而更好地模擬人體運動，促進受損部位的修復[7]。下骨骼運動機構(gòu)模型如圖3所示。

3 渲 染

在完成模型創(chuàng)建后，為模型添加“UV展開”修改器并進行UV編輯。首先進入UV工作流程，在UV編輯面板中選擇邊選模式，根據(jù)需要將模型的相應面展開并斷開，選中相應邊標記為縫合邊。全選UV并進行擴展，通過編輯面和頂點，將貼圖顯示在窗口內(nèi)，使擴展后的UV充分匹配貼圖。為了使貼圖效果更自然、逼真，需要將模型拆解，并盡可能使每個拆解部分近似為一個平面，然后為這些平面賦予貼圖。

接下來，進入著色器編輯器，選擇環(huán)境紋理并導入HDR環(huán)境貼圖文件作為場景照明。切換到視圖著色的渲染模式，并在Blender中設置良好的燈光、攝影機和材質(zhì)。

為模型賦予材質(zhì)并加載高分辨率環(huán)境貼圖，打開用戶偏好設置中的插件欄，使用Node Wrangler插件按照UV貼圖-映射-紋理-著色器-輸出的流程進行無縫貼圖控制，完成映射和變換以實現(xiàn)渲染著色。對于鋼架懸吊裝置，通過調(diào)整高光、金屬度、漫射等基礎著色屬性來模擬鋼架效果。其他部分則通過組合使用Diffuse（顏色）、Emissive（自發(fā)光）、Normal（法向）、Opacity（不透明）、Specular（高光）、Roughness（粗糙度）等不同類型的貼圖和技巧，最終達到所需的視覺效果，如圖4所示。

采用Cycles實時渲染時，能夠快速查看當前燈光設置的效果，并根據(jù)顯示效果及時進行調(diào)整?？梢試L試多種燈光角度、燈光色彩組合，攝影機角度以及不同材質(zhì)質(zhì)感，直至獲得滿意的結(jié)果。完成各項調(diào)試后，使用Blender自帶的Cycles渲染引擎實時渲染動畫。為了在動畫輸出效果和渲染時間之間取得平衡，經(jīng)過多次測試發(fā)現(xiàn)，開啟測試特性并選擇GPU計算，同時將渲染采樣調(diào)整為128位、視圖采樣調(diào)整為32位，設置四次最小光反彈和0.01閾值，能夠達到較好的效果。

在“輸出”選項中，可以選擇渲染輸出的保存路徑和文件類型。完成設置后，點擊頂部菜單中的“渲染”選項，或使用快捷鍵“Ctrl+F12”進行渲染，最終輸出場景效果。

4 仿真測試

三維建模對參數(shù)有較高要求，選用Blender軟件可以通過對參考圖的重塑，較為容易地完成零部件建模。當設定動畫軌跡和播放速度后，能夠更生動、直觀地展現(xiàn)工藝過程。利用Blender三維設計軟件，可以建立等比例縮放的零部件模型，使空間仿真更加精確；在Blender軟件中，還可以通過創(chuàng)建虛擬人物實現(xiàn)交互漫游操作，并賦予其行為動作[8]。

在物體模式下選中一個物體，進入屬性欄的物理屬性（藍色圓圈），為需要賦予剛體屬性的物體選擇“剛體”。若要取消剛體屬性，可再次點擊“剛體”按鈕。點擊物體標簽下的剛體選項中的“添加活動項”，設置完成后再次打開剛體選項并選擇效果網(wǎng)格（需根據(jù)實際情況選擇合適的碰撞體類型，其中網(wǎng)格是最消耗資源但效果最好的選項，但并非每次都需要高精度）。選擇其他物體，點擊物體標簽下的剛體選項中的“添加被動項”，設置完成后再次打開剛體選項并選擇效果網(wǎng)格。點擊“播放動畫”即可查看剛體效果，完成穿戴動畫。需要注意的是：活動項適用于會移動的物體，被動項適用于不會移動但會發(fā)生碰撞的物體（如地面）。需注意，剛體之間才能發(fā)生碰撞，剛體不會與物理屬性中的“碰撞”發(fā)生碰撞。與Unity不同，Blender沒有碰撞盒，需要將兩個物體都設置為剛體才能進行碰撞[9]。

通過仿真測試驗證了外骨骼運動下肢康復機器人的可行性[10]：在完成權(quán)重刷取后，對人物進行骨骼綁定。注意原點和游標都應位于游標中心，角色旋轉(zhuǎn)和變換值均為零，且模型應為封閉面。按下Shift+A新建骨骼，可通過切換視圖調(diào)整骨骼位置，使其位于圓柱模型中心。進入編輯模式，選中骨骼頂部，按下E鍵拖拽出另一段相連骨骼。在物體數(shù)據(jù)屬性中勾選顯示、名稱、形狀、組顏色，并將軸向位置調(diào)整為一。進入編輯模式，選中骨骼后按F2修改名稱，將變換軸心改為各自原點。根骨不勾選形變，按下Shift+D復制骨骼并勾選形變。在骨骼屬性變換中，將扭轉(zhuǎn)值設為零，子級骨骼跟隨父級旋轉(zhuǎn)。注意，只有沒有父級的骨骼可以移動，按下Alt+F可翻轉(zhuǎn)骨骼。在骨骼屬性中可調(diào)整扭轉(zhuǎn)值。選中右側(cè)的修改器，添加“骨架”修改器，在物體中選擇骨架并勾選右側(cè)的骨骼封套。點擊“骨架”，進入姿態(tài)模式，選擇骨骼進行旋轉(zhuǎn)等操作，圓柱模型會隨之旋轉(zhuǎn)。按下Ctrl+P組合鍵，在彈出菜單中選擇“Object”，將網(wǎng)格物體設為骨骼的子物體。按照Blender的邏輯關(guān)系，子物體會隨父物體運動，從而實現(xiàn)通過控制骨骼帶動實體運動的效果[11]。

最終實現(xiàn)了可控且符合人體生理特性的系統(tǒng)，能夠支持步態(tài)模式訓練與虛擬步行情景交互訓練，并提供智能實時生物反饋。下骨骼機器人仿真如圖5所示。整體模型如圖6所示。

5 結(jié) 語

本項研究基于Blender虛擬現(xiàn)實環(huán)境成功搭建了外骨骼機器人模型。得益于Blender的開源特性，該軟件無需額外的使用成本，更有利于推廣和應用，展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。該模型能夠通過運動控制實現(xiàn)機器人位姿的實時控制等功能。

外骨骼運動下肢康復機器人主要由機身、減重系統(tǒng)和運動系統(tǒng)裝置三大結(jié)構(gòu)組成。與現(xiàn)有康復器械相比，該康復器采用無線可穿戴設備進行多功能一體化設計，能夠協(xié)調(diào)下肢髖、膝、踝等多個關(guān)節(jié)的運動，實現(xiàn)全方位訓練，從而加速下肢各關(guān)節(jié)的恢復并提高運動效果。該設計具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、便于攜帶、制作成本低、安全實用等特點，患者接受度高，關(guān)節(jié)活動范圍大，更符合人體膝關(guān)節(jié)訓練和康復需求，適用于輔助患者術(shù)后關(guān)節(jié)快速恢復活動，促進康復進程。

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