康復訓練裝置結構設計及運動學仿真分析

陳岱民，孟令洋，史堯臣

(長春大學 機械與車輛工程學院，長春 130022)

隨著老齡化問題的加速，國民健康問題引起了社會和國家的關注。偏癱患者、脊髓受損患者、中風患者和下肢肌肉力量不足患者，平衡能力下降、站立行走困難，統稱為下肢功能障礙患者。傳統的康復訓練方法無法保證患者每次都能按照設定好的運動軌跡完成康復訓練，不僅效率低、量化性差，而且在無保護措施下容易造成患者的二次傷害[1]。國外對下肢康復醫療器械領域的研究比較早，2010年，日本筑波大學的Atsushi Tsukahara研制的robot suit HAL能夠幫助完全截癱患者實現下肢的坐-站轉換以達到康復訓練效果[2]，2015年，吉林大學劉坤等研制的懸吊式下肢康復訓練系統用于輔助患者的站起康復訓練[3]。本文設計了一種能夠替代人工護理的裝置，使下肢功能障礙患者能夠按照期望的運動軌跡進行坐-站轉換康復訓練。

1 康復訓練裝置設計及工作原理

康復訓練裝置通過機械結構傳遞運動提供輔助力，支撐患者臀部按照期望的軌跡完成坐-站轉換康復訓練，逐漸恢復下肢關節和肌肉力量。本文設計的康復訓練裝置由步進電機、蝸輪蝸桿減速器、同步帶傳動、護欄架、立柱、橫梁、座椅等組成，如圖1所示。具有3個自由度，分別是在矢狀面的水平運動、垂直運動和旋轉運動。初始狀態訓練時，下肢功能障礙患者坐在裝置平臺護欄架內的座椅上，由步進電機驅動經蝸輪蝸桿減速器和同步帶傳動控制橫梁作旋轉運動，步進電機通過滾珠絲杠驅動移動平臺上的座椅沿著橫梁的方向移動，滾珠絲杠尾端的編碼器用于測量移動平臺的位移量，通過協調控制兩步進電機使座椅處的運動軌跡和患者坐-站轉換過程中臀部質心處的運動軌跡重合，以達到輔助下肢功能障礙患者坐-站轉換康復訓練的目的。

2 康復訓練裝置運動學逆解分析

在坐-站轉換過程中，下肢功能障礙患者以矢狀面為對稱，左右兩部分的運動狀態是一致的。因此，可以在平面內研究患者的坐-站轉換過程。某年齡24歲，身高178cm，體重70kg的健康男子在坐-站轉換過程中，臀部質心處的運動軌跡如圖2所示[4]，坐姿時，臀部質心在點A全站立后臀部的質心隨軌跡曲線移動到點B，以此作為康復訓練裝置的參考運動軌跡。為了將該軌跡分解為兩步進電機的運動控制，需要通過運動學逆分解將如圖2所示的運動軌跡分解為坐-站轉換運動時裝置的旋轉角速度和移動位移量。以康復訓練裝置底部為坐標原點，水平方向為x軸，垂直方向為z軸，對人體坐-站轉換運動軌跡進行運動學逆解分析，如圖3所示，則人體坐-站轉換過程的合成速度為：

(1)

設橫梁在徑向平面內轉動的線速度為v3，根據平行四邊形法則得：

v3(t)=v(t)sin[θ1(t)+θ2(t)]，

(2)

式中，θ1為橫梁與水平方向的角度，θ2為v1與v之間的夾角。則橫梁以回轉軸心旋轉的角速度為：

(3)

由圖3分析得移動平臺沿滾珠絲杠滑動的速度為v4：

v4(t)=v(t)cos[θ1(t)+θ2(t)]，

(4)

則移動平臺上座椅移動的位移量為：

x=v4·Δt。

(5)

按照式(3)和(5)通過Matlab計算得到角速度ω與時間t的關系曲線如圖4所示，位移量x與時間t的關系曲線如圖5所示。

3 康復訓練裝置運動學仿真分析

為了驗證運動學逆分解結果的準確性，對康復訓練裝置進行運動學仿真分析。為了減小計算量、提高計算速度，將康復訓練裝置簡化為由護欄架、立柱、橫梁和移動平臺組成的4個剛體。根據康復訓練裝置各構件間的裝配連接關系，在整個護欄架上添加固定副，在立柱和橫梁之間添加旋轉副，在橫梁和移動平臺之間添加移動副，將計算得到的角速度和位移量利用樣條插值函數(Spline AKISPL函數)控制旋轉角速度驅動和直線位移驅動。

依據人體坐-站轉換所需時間，設置仿真時間長為3s，步長為200進行仿真分析，仿真完成后繪制模型移動平臺質心運動軌跡曲線與實際運動軌跡對比如圖6所示。由圖可以看出，人體坐-站轉換運動軌跡與仿真運動軌跡近似重合，最大偏差小于2%。仿真過程運動軌跡如圖7所示。移動平臺質心水平方向x、豎直方向z的位移、速度、加速度隨時間變化曲線如圖8至10所示。圖8表明臀部質心從坐姿處到站立處位移逐漸增大，站立點坐標為(615,900)，圖9表明臀部質心處x方向速度逐漸增大，最大速度達到123mm/s，z方向速度先增大后減小，最大速度達到70 mm/s后逐漸減小到0mm/s；圖10表明該裝置的運動過程是比較平穩的，x方向最大加速度是204mm/s2，z方向最大加速度是77mm/s2，即人體坐-站轉換過程是相對較平穩的運動過程。

4 結語

本文基于康復訓練裝置的三維設計，通過參考人體坐-站轉換運動軌跡，對其進行運動學逆解分析，得到裝置的旋轉角速度和移動位移量，運用RecurDyn多體動力學仿真分析，驗證了此裝置可以追蹤人體坐-站轉換運動軌跡，最大偏差小于2%，能夠實現下肢功能障礙患者按照期望的運動軌跡進行坐-站轉換康復訓練。