基于仿生運動的康復機器人結構設計與優化

黎蘭豪崎 嚴榮 潘楠

（昆明理工大學民航與航空學院 云南省昆明市 650500）

雖然我國的康復醫學水平正處于快速發展的過程中，但是康復醫學大部分的情況都是治療師一對一對患者進行治療和指導，這種方式不僅僅效率較低，同時治療質量也將會直接取決于康復師的技能水平。而康復機器人屬于在近些年來出現的全新機器人，需要進行更深層次的研究。本文主要針對于人體的關節運動特性進行了分析，提出了康復理論對于康復機器人康復活動起到的影響，闡述了未來康復機器人的結構設計方式以及優化方法。

1 人體仿生關節的設計基礎

康復機器人在設計的過程中，大部分的情況都是針對于人體的下肢來進行設計，并且康復機器人將會直接與人體進行接觸。因此，在設計的過程中需要考慮到康復機器人的舒適性，這將會直接與康復機器人擬人化結構的狀態起到掛鉤的關系。因此，在研究結構的過程中，首先需要明確人體下肢的生理結構、運動特性、康復利潤。在充分研究了之后，可以進行合理的配置，從而選擇更加合適的康復機器人類型。而在結構設計的過程中，主要的依據就是盡量簡單輕便，搭配合理[1]。

1.1 人體下肢康復理論

在對人體功能恢復的過程中，對于這方面的研究成為了一個全新的領域，那就是康復醫學。與治療醫學不同之處在于，康復醫學的主要目的就是幫助暫時性、永久性殘疾人實現功能恢復，克服障礙，搭建出與常人相似或相同的功能[2]。

對于正常人來說，下肢運動主要依靠骨、骨連接、骨骼肌三部分組成，大腦通過神經來控制人體下肢，同時也是神經的存在，讓人體下肢能夠規避一些危險的傷害。骨骼與骨骼之間的連接部分就是骨連接，也被稱為關節。下肢的所有骨骼通過骨連接進行連接，再通過骨骼肌來進行驅動，最終構成了人體下肢。因此可以說，骨骼是支柱，骨骼肌是動力，骨連接是齒輪。而想要讓人體實現康復，恢復正常人的行走功能，這三者缺一不可。如果由于意外或者傷害，比如說截肢等等導致缺少了其中的一樣或者幾樣，那么就需要使用外力來頂替原有的缺少部分，從而達成運動結構，這就是人體下肢康復理論[3]。

1.2 人體下肢運動特性

人體下肢機器人的主要服務對象就是行動不便人群，因此未來在保證能夠針對于實際情況進行自由配置之前，還需要考慮到配置對象的關節特性以及關節情況。可以說關節的重要性要遠遠超過骨骼肌，關節是連接不同骨骼的橋梁，失去了關節也就失去了運動能力。在人體的下肢當中，關節包括有髖關節、膝關節、足關節、踝關節以及一些小關節，這些關節對于人體的行走有著不同的意義和作用。髖關節的內收外展運動就是人體行走時的主要動力，同時也將會起到平衡作用，具體來說就是通過不斷的屈伸來驅動下肢。髖關節相比較其他的關節更加穩定，主要的原因就是髖關節的運動范圍和運動幅度比較小。而膝關節則是人體最大也是最復雜的關節，其中包括了非常多的不同部分，能夠開展屈伸運動，還能夠進行微小的旋轉運動。而足關節當中，距小腿關節就是我們常提到的踝關節，這一關節對于人體行走有著非常關鍵的意義[4]。

1.3 人體步行序列

只有在充分的了解了人體的運動規律，才能夠設計出符合人體下肢運動狀態的康復機器人。本文這里提出的步行序列，就是人體步行的主要基礎。步行是人體運行的關鍵方式，同時也是一種較為復雜，運動難度較高的運動，未來設計康復機器人的過程中，這也是主要的測評目標。步行運動是一種循環式的運動，從足跟接觸地面開始，到同一足跟再次接觸地面結束。想要使用康復機器人，首先需要分析病人的步長、步幅、步速等等參數，這些參數是設計機器人的關鍵基礎[5]。

2 康復機器人仿生關節的設計

顧名思義，仿生關節的設計目標就是能夠達到正常人的關節水平，更加關注擬人性的水平。因此，在設計仿生關節的過程中，需要盡量考慮到仿生性的實際需求，下文將從康復機器人仿生關節的型號選擇、自由度分配、驅動等等方面進行分步驟分析[6]。

2.1 關節型號選擇

站在擬人化思想上進行設計的康復機器人，關節將會使用仿生學的角度進行設計，具體來說就是模仿人類的下肢關節。一般來說，在設計的過程中空間機構有著非常多的選擇，比如說移動副、轉動副、虎克鉸、螺旋副、圓柱副、球面副、平面副等等。下文將會針對于不同的設計方式來進行分析，從而更好的進行選擇。

首先是移動副，這種設計方式在運動過程中較為常見，屬于平面運動的協助方式，能夠保證基礎運動狀態[7]。

第二則是轉動副，這一設計方式是將兩個構建進行連接，保證兩個構建可以發生相對轉動，也是屬于平面級別的協助方式。

第三則是圓柱副，圓柱副的結構相對來說更加復雜，可以看作為一個移動副與一個轉動副進行組合，主要的目的就是在使用的過程中應對一些較為復雜的運動情況，總體來說依舊屬于平面級別運動方式。

第四則是螺旋副，這種運動方式并不常見，約束住一邊，讓另一邊進行運動，同時主要的運動方式為螺旋轉動，屬于平面級別運動方式。

第五則是虎克鉸，這種運動方式兩邊來說都較為自由，由于虎克鉸的獨特特點，在運動的過程中軸線將會正面相交。因此效果上來講屬于將兩個軸線進行正面相交，從而約束剛體，因此虎克鉸需要看作為空間級別運動方式。

第六則是球面副，這種運動方式就是使用一個構件圍繞另一個構件在三維空間內部對于任意一點進行旋轉運動。站在效果上來講，可以看作為三個轉動副，但是這種方式的三個轉動副軸線匯聚一個點，讓轉動副的剛體失去自由，因此球面副屬于空間級別運動方式[8]。

未來設計康復機器人仿生關節的過程中，為了更好的檢測所有自由度水平，需要使用不同的轉動副來應對不同的運動狀態。比如說可以將螺旋副、圓柱副、球面副進行動效結合，保證更好的運動水平。一方面擁有了移動副的靈活性，另一方面擁有了轉動副的自由性。

2.2 自由度分配

在本文研究的過程中，提出康復機器人屬于基于擬人化思想來進行設計，主要的目的就是能夠讓下肢受傷害或者受疾病困擾的患者順利恢復健康。因此在設計的過程中就需要著重關注病人下肢的運行狀態以及需求方向。經過前文的分析之后可以發現，如果病人的下肢看作為一種機電系統，那么就需要針對于“齒輪”、“液壓”、“杠桿”多個部分來進行補充，保證能夠實現解密結合，多個部分共同運行。對于環境來說，這種方式將會可以自我調節，因此可以看作為一種高智能化系統。對于正常人來說，可能行走較為簡單，但是對于機電系統來說，運行的方式較為復雜，需要經過詳細的分析[9]。

針對于康復機器人來說，主要的方式就是通過機電運動來模擬下肢運動，而人類不會僅僅只有行走一種下肢運動，那么這就要求康復機器人可以具有更多的擬人化狀態，自由度需要盡量接近人體下肢。自由度一旦增加，那么結構的復雜性也會隨著提升。因此，本文主要針對于結構設計角度來進行討論和分析，盡量做出更多的運動預測原則。而自由度分配就是主要的研究方向，人體下肢有著非常多的關節，每個關節除了屈伸之外，還將會具有細微轉動等等運動方向，為了更好的進行分析，同時也為了保證研究質量，本文不考慮輕微轉動的情況，這不會影響康復機器人的最終運行效果。自由度的分配意味著康復機器人的主要管理方向，比如說髖關節可以屈伸，那么此時有了兩個運動方式，而在髖關節屈伸的過程中膝關節也可以做出屈伸，那么就有了四個可能，比如說髖關節彎曲，膝關節也彎曲或者伸直。當來到踝關節時，再加上左右腿的考慮，可以說人體行走單側有了八個自由度[10]。

2.3 驅動系統的設計

驅動系統屬于系統運行的關鍵基礎，由于主要的目的是進行行走，那么康復機器人就需要具有可攜帶性與穿戴方便兩種要求，詳細來講需要達成：體積小、質量輕、反應速度快、便于控制、可靠性強幾方面的特點。對于當下的康復機器人來說，常用的驅動方式包括三方面：電機驅動、液壓驅動、氣動驅動三種類型。

液壓驅動屬于一種輸出量較大，可遠程控制的方式。在同等的體積下，液壓驅動輸出的動力更大，性能更好。但是液壓驅動的問題就在于液壓系統過于龐大，成本較高，很多時候液體介質還會出現泄露，同時精度較差，無法實現定比傳動。同時液壓對于溫度的要求較高，很多時候溫度出現變化，液壓的精度也會受到影響。

氣壓傳動主要的工作方式就是通過壓縮氣體來進行傳播，通過氣體壓力來傳輸動力，工作原理與液壓顯示，但是成本更低，使用無污染，不用擔心出現泄露問題。但是氣體的壓縮性一般較大，因此，很多時候都無法對氣壓傳動實現精確的控制。同時這種傳動方式非常容易出現噪音，可靠性較差。

電機傳統的類型主要有四種，分別是交流電機、直流電機、步進電機、伺服電機。電機驅動這種方式的響應速度較快，控制較為方便，并且運動的精讀較高。可以說信號的提取、傳遞、處理都達到了相應的要求，成本較低并且穩定性較高，屬于無污染的一種傳動方式。康復機器人在選擇驅動方式的過程中，需要根據實際情況來進行選擇，比如病人使用的環境、病人的需求、病人的病情等等，都是需要考慮的范圍，詳細列舉之后再選擇更加合適的驅動方式。

2.4 仿生關節的設計

在本文的研究過程中，主要的研究依據就是仿生學的理論，只有在考慮了下肢生理結構的基礎上，才能夠更好的設計仿生關節。正如前文中提出，髖關節和踝關節的旋轉有著一定的自由度選擇，但是一些細微的轉動對于人體走動的影響不大，因此需要將之進行忽略。人體行走的主要運動關節就是踝關節，髖關節和膝關節主要起到屈伸的作用，因此在設計康復機器人時，針對于不能行走的病人，需要在仿生踝關節位置進行重點加強。之所以這樣設計，除了行走需求之外，踝關節也是人體承受重量的主要位置，加強這一位置，能夠更好的減輕病人負擔，在人體可承受的范圍之內進行逐漸鍛煉。對于一些自身機理沒有遭受到永久性損害的病人來說，這種訓練方式能夠更好的幫助病人早日自行行走，恢復健康。

3 結束語

本文的主要研究內容就是對于康復機器人的運行狀態以及運行效果進行了討論，首先分析了人體下肢康復理論以及下肢相關骨骼。基于康復利潤以及下肢骨骼，本文對于使用的康復機器人進行了自由度配置、關節選擇、驅動方式選擇、仿生關節設計五個部分的討論和闡述。最終得出結論，康復機器人的設計需要給予康復理論和人體骨骼情況來選擇驅動方式、配置方式，而康復機器人的優化方式則是盡量加強踝關節，重視行走的基礎部分，只有這樣才能夠達到最佳的效果。