引言

人體下肢支撐著人的身體,擔(dān)負(fù)著行走的功能,在日常生活中發(fā)揮著重要的作用,人體下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,已成為康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

目前,下肢步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人大多采用機(jī)械外骨骼結(jié)構(gòu)或者踏板結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)康復(fù)運(yùn)動(dòng),或者通過驅(qū)動(dòng)人體盆骨來校正人體步態(tài)。采用外骨骼結(jié)構(gòu)的步態(tài)康復(fù)機(jī)器人如Lokomat步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人,其主要由步態(tài)矯正器、體重支持系統(tǒng)和步行臺(tái)組成。其步態(tài)矯正器為外骨骼結(jié)構(gòu),每條外骨骼具有兩個(gè)自由度,可實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。秦濤等設(shè)計(jì)的踏板式步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人,左右兩套踏板采用同一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng),可實(shí)現(xiàn)步態(tài)控制、踝關(guān)節(jié)姿態(tài)控制以及跖趾關(guān)節(jié)姿態(tài)控制。RGR(RoboticGaitRehabilitation)系統(tǒng)則采用了驅(qū)動(dòng)人體盆骨進(jìn)行步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練的方式,此系統(tǒng)由體重支撐系統(tǒng)、盆骨運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和步行臺(tái)構(gòu)成,盆骨運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在人體左右兩側(cè)各有一個(gè)運(yùn)動(dòng)單元,每個(gè)運(yùn)動(dòng)單元由兩個(gè)相互垂直的滑軌構(gòu)成,機(jī)器人通過臀部連接支架與患者相連,應(yīng)用線性電機(jī)作為執(zhí)行元件,可對(duì)盆骨的異常運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生作用力。

機(jī)械外骨骼可以直接驅(qū)動(dòng)人體下肢的各個(gè)關(guān)節(jié),且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,但是通常需要與步行臺(tái)配合使用實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練,并且康復(fù)訓(xùn)練過程中步行臺(tái)會(huì)對(duì)人體的步態(tài)產(chǎn)生一定的影響。踏板結(jié)構(gòu)雖然不需要使用步行臺(tái),但由于其不能直接驅(qū)動(dòng)下肢關(guān)節(jié),所以使用中難以使患者下肢各關(guān)節(jié)按一定的步態(tài)參數(shù)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。通過驅(qū)動(dòng)人體盆骨來校正人體步態(tài)可以達(dá)到一定的康復(fù)訓(xùn)練效果,但是需要步行臺(tái)配合進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,并且與踏板結(jié)構(gòu)類似,此種方式也不能直接驅(qū)動(dòng)下肢關(guān)節(jié)。

根據(jù)偏癱患者步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練的需要,現(xiàn)設(shè)計(jì)了一種能夠支撐患者體重,并且不需要步行臺(tái)的下肢外骨骼式步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練裝置,該裝置能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)患者健肢的運(yùn)動(dòng)參數(shù),生成步態(tài)模型,并以該模型作為患肢運(yùn)動(dòng)的參考,當(dāng)患者患肢能夠自主運(yùn)動(dòng)時(shí),患肢側(cè)外骨骼系統(tǒng)跟隨患者患肢運(yùn)動(dòng),不對(duì)患肢運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。當(dāng)患肢的運(yùn)動(dòng)參數(shù)與健肢相關(guān)參數(shù)產(chǎn)生的誤差超出許可值時(shí),患肢側(cè)外骨骼系統(tǒng)帶動(dòng)患肢運(yùn)動(dòng),幫助患者完成康復(fù)訓(xùn)練。這樣,既使患者的步態(tài)更加自然,又增加了患者的主動(dòng)參與程度。

1步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人機(jī)構(gòu)包括腋下支撐機(jī)構(gòu)、患肢側(cè)外骨骼機(jī)構(gòu)以及健肢側(cè)機(jī)構(gòu),如圖l所示。

康復(fù)訓(xùn)練時(shí),腋下支撐機(jī)構(gòu)支撐于患者的腋下,支撐人體部分體重,以減輕下肢的負(fù)擔(dān)?；贾珎?cè)外骨骼機(jī)構(gòu)安裝有伺服電機(jī),能夠帶動(dòng)人體患肢運(yùn)動(dòng),并安裝有壓力傳感器,用以感知患者患肢與患肢側(cè)外骨骼間的相互作用力。健肢側(cè)機(jī)構(gòu)能夠檢測(cè)人體步態(tài)參數(shù),以健肢的各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)作為患肢運(yùn)動(dòng)的參考,并能模擬地面,為健肢的步行運(yùn)動(dòng)提供足底反力。

康復(fù)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)采用對(duì)稱結(jié)構(gòu),進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí),患肢為左腿的偏癱患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)面向A向,而B向可為患肢為右腿的偏癱患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,只需要更換腳部部件,患者從不同的方向進(jìn)入,康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人就可為具有不同患肢的患者提供康復(fù)訓(xùn)練。

2各部分結(jié)構(gòu)與功能

2.1腋下支撐機(jī)構(gòu)

腋下支撐結(jié)構(gòu)用以承擔(dān)患者部分體重,同時(shí)起到固定人體軀干的作用,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2腋下支撐機(jī)構(gòu)

腋下支撐機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)自由度,可以在水平方向和垂直方向進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié),以適應(yīng)不同的患者。水平方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用了絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu),垂直方向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)采用了絲杠螺母與渦輪蝸桿相結(jié)合的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)自鎖。

2.2患肢側(cè)外骨骼機(jī)構(gòu)

患肢側(cè)外骨骼機(jī)構(gòu)要能夠帶動(dòng)患者患肢實(shí)現(xiàn)矢狀面內(nèi)的運(yùn)動(dòng),患肢側(cè)外骨骼結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3康復(fù)機(jī)器人患肢側(cè)外骨骼結(jié)構(gòu)

1一踝關(guān)節(jié)軸2一膝關(guān)節(jié)軸3一髖關(guān)節(jié)軸4一髖關(guān)節(jié)電機(jī)

5一膝關(guān)節(jié)電機(jī)6一大腿連接裝置7一踝關(guān)節(jié)電機(jī)

8一小腿連接裝置9一腳部支撐及檢測(cè)裝置

患肢側(cè)外骨骼包括三個(gè)關(guān)節(jié):髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。髖關(guān)節(jié)通過支撐機(jī)構(gòu)和連接機(jī)構(gòu)固定于架體上。髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)為:髖關(guān)節(jié)伺服電機(jī)4與減速器連接,減速器經(jīng)聯(lián)軸器帶動(dòng)錐齒輪傳動(dòng),錐齒輪帶動(dòng)髖關(guān)節(jié)軸3運(yùn)動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)外骨骼大腿部分運(yùn)動(dòng)。膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)原理類似,伺服電機(jī)和減速器分別固定于機(jī)器人大腿和小腿上,通過錐齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。大腿和小腿部分采用了兩根連桿,伺服電機(jī)、減速器以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)位于兩個(gè)連桿中間,既增加了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,又提高了安全性。

患肢側(cè)外骨骼設(shè)計(jì)中,不僅要考慮將患者腿部與外骨骼進(jìn)行連接,還要考慮到康復(fù)過程中對(duì)患肢與外骨骼間的相互作用力的感知,以及患肢位置的檢測(cè)?；贾奈恢每捎筛麝P(guān)節(jié)伺服電機(jī)中的編碼器進(jìn)行檢測(cè)。為了獲得患肢與外骨骼間的相互作用力,設(shè)計(jì)了具有力檢測(cè)功能的患肢腿部連接裝置?；颊咴诖笸群托⊥燃澳_部與機(jī)器人相連,大腿和小腿的連接裝置結(jié)構(gòu)相同,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4腿部連接裝置

連接裝置前后方向各設(shè)計(jì)內(nèi)板和外板,外板起固定患者腿部的作用,內(nèi)板與外板之間裝有彈簧,外板內(nèi)側(cè)裝有壓力傳感器,用來測(cè)量患者腿部與康復(fù)機(jī)器人外骨骼之間的作用力,彈簧可以起到緩沖的作用。

腳部連接裝置不但要支撐患者部分體重,還要能夠檢測(cè)腳面以及腳背與外骨骼之間的相互作用力,所設(shè)計(jì)的腳部連接裝置如圖5所示。

圖5腳步支撐及檢測(cè)裝置

在踏板中后部設(shè)計(jì)了一個(gè)中空的腳部墊塊,用來支撐人體的重量。腳部連接裝置上下各有一個(gè)壓力傳感器,進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí),患者腳的前部放在檢測(cè)機(jī)構(gòu)中間。這樣,可以實(shí)現(xiàn)支撐患肢及檢測(cè)腳部與外骨骼間相互作用力的目的。

2.3健肢側(cè)機(jī)構(gòu)

健肢側(cè)機(jī)構(gòu)包括三自由度外骨骼式關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)裝置、具有平面四桿結(jié)構(gòu)的原地步行機(jī)構(gòu),以及安裝于其間的力檢測(cè)裝置,如圖6所示。

三自由度外骨骼式關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)如圖7所示,該結(jié)構(gòu)具有3個(gè)自由度,髖、膝、踝關(guān)節(jié)各有1個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。每個(gè)關(guān)節(jié)各裝有1個(gè)角位移傳感器,測(cè)量各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù),用以建立步態(tài)模型。該步態(tài)模型,一方面作為患者患肢康復(fù)訓(xùn)練時(shí)的參考依據(jù),另一方面為原地步行機(jī)構(gòu)足底反力的控制提供位置信息。

偏癱患者健肢具有運(yùn)動(dòng)能力,以患者健肢的運(yùn)動(dòng)參數(shù)作為患肢的運(yùn)動(dòng)參考是較為理想的康復(fù)訓(xùn)練模式。固定式康復(fù)訓(xùn)練裝置在康復(fù)訓(xùn)練中,需要為患者健肢提供模擬地面的平臺(tái)。

外骨骼式康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備,其髖關(guān)節(jié)固定,人體下肢支撐相(A1一B1一C1)的運(yùn)動(dòng)如圖8所示。腳部的運(yùn)動(dòng)軌跡為弧線,而在地面上行走時(shí),腳部與地面接觸,其軌跡為直線。

為了使患者在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí),感覺如地面上行走一樣,設(shè)計(jì)了具有平行四邊形結(jié)構(gòu)的原地步行機(jī)構(gòu),其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖9所示。A軸為平行四邊形機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)軸,進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí),A軸與健肢髖關(guān)節(jié)軸線重合,AB為機(jī)架,AD的長(zhǎng)度與人體髖關(guān)節(jié)到腳底部的長(zhǎng)度相等,在支撐相,腳部與桿CD接觸,在9取值范圍內(nèi),桿CD始終與地面平行?？刂扑臈U機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),在整個(gè)步態(tài)周期內(nèi),使踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡始終處于AD桿上,在擺動(dòng)相及支撐相前半段,由伺服電機(jī)帶動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)跟隨患者健肢運(yùn)動(dòng),在支撐相后半段,四桿機(jī)構(gòu)為健肢提供足底反力,這樣可以有效模擬地面,實(shí)現(xiàn)原地步行。

圖9原地步行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

本文所設(shè)計(jì)的原地步行機(jī)構(gòu)如圖10所示。腳部支撐用以支撐患者的踩踏力,伺服電機(jī)與減速器相連,減速器的輸出端與旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器外殼相連,阻尼器內(nèi)軸與錐齒輪相連,伺服電機(jī)與旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器聯(lián)合使用,可為平面四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力矩或阻尼力矩,驅(qū)動(dòng)力矩用以驅(qū)動(dòng)原地步行機(jī)構(gòu)跟隨健肢運(yùn)動(dòng),阻尼力矩用以模擬人體腳部與地面的水平作用力。運(yùn)動(dòng)過程中,腳部支撐始終與地面保持平行。

圖10原地步行機(jī)構(gòu)

康復(fù)訓(xùn)練過程中,在健肢擺動(dòng)相以及支撐相的前半段,原地步行機(jī)構(gòu)隨患者健肢一起運(yùn)動(dòng),這一過程中,阻尼器輸出最大阻尼力矩,其作用相當(dāng)于聯(lián)軸器,伺服電機(jī)根據(jù)下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)機(jī)構(gòu)與原地步行機(jī)構(gòu)間相互作用力,驅(qū)動(dòng)原地步行機(jī)構(gòu)跟隨患者健肢一起運(yùn)動(dòng)。

在支撐相后半段,伺服電機(jī)保持靜止,阻尼器根據(jù)人體足底反力變化規(guī)律輸出變化的阻尼力矩,為患者健肢提供足底反力。

為了檢測(cè)健肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)裝置與原地步行機(jī)構(gòu)間相互作用力,在其間設(shè)置了力檢測(cè)裝置,如圖11所示。

圖11力檢測(cè)裝置

該裝置主要由外框、彈簧、導(dǎo)桿以及壓力傳感器等部件組成。運(yùn)動(dòng)過程中,鍵肢帶動(dòng)踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的同時(shí),也帶動(dòng)外框運(yùn)動(dòng),彈簧受到壓縮,壓力傳感器產(chǎn)生壓力信號(hào),數(shù)據(jù)采集卡采集壓力信號(hào),工控機(jī)獲得壓力信息后,發(fā)送指令驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng),使原地步行機(jī)構(gòu)跟隨健肢運(yùn)動(dòng)。

3結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了具有原地步行功能的下肢步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人機(jī)構(gòu),患肢側(cè)外骨骼三個(gè)自由度可以實(shí)現(xiàn)人體下肢的髖關(guān)節(jié)的屈/伸、膝關(guān)節(jié)的屈/伸、踝關(guān)節(jié)的屈/伸運(yùn)動(dòng),與人體連接裝置中的壓力傳感器可以感知人體與機(jī)器人間的相互作用力。健肢側(cè)機(jī)構(gòu)中的健肢運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢測(cè)裝置可以檢測(cè)患者健肢髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng),建立步態(tài)模型后可以作為患肢運(yùn)動(dòng)的參考,原地步行機(jī)構(gòu)具有平行四邊形結(jié)構(gòu),能夠較好地模擬地面,并能夠?yàn)榛颊呓≈峁┳愕追戳ΑＫO(shè)計(jì)的外骨骼式步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人可以較好地為偏癱患者提供康復(fù)訓(xùn)練功能。