下肢運動康復輔助訓練裝置的機械化研究

喻行濤，張 珣

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

0 引言

下肢運動康復輔助訓練機器人是工業機器人的另一類型。經濟的快速發展，科技的日益進步，市場需求的多樣化，不同專業領域的融合交叉越來越大，康復醫學、生物力學、計算機學及材料學等諸多領域互相貫穿，醫用康復機器人由此應運而生[1]。

據中國殘聯最新統計的數據顯示，目前，中國各類殘疾人總數已達8500萬人，其中仍有1500萬人以上殘疾人生活在國家級貧困線以下，占貧困人口總數的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事件造成的損傷等，而且面對國內眾多的殘障人士，康復醫療也就顯得格外重要，相對于已有的許多康復醫療手段，專門針對下肢康復訓練的專業設備顯然是有些不足的[2-3]。人體行走本身就是一個復雜的過程，行走過程中各關節處的阻尼非恒定不變，參考人體水中康復訓練，主要設計的康復訓練機器人是一種可以在主動訓練中實現阻力非線性變化的訓練方式。其可以將患者的體重重量減少或者直接忽略，并且訓練中施加的阻力與患者自身運動有關，為了調節阻抗的大小也設計了調節阻抗結構；在被動訓練中各關節處也通過添加阻尼模塊實現運動時的舒適性、柔順性。

1 下肢康復機器人總設計

1.1 總體設計

下肢運動康復輔助訓練裝置的整體結構由仿生雙腿模塊、柔性模塊、減重懸掛模塊和跑步機模塊組成。當中的仿生腿有3個自由度，帶動病人移動；柔性模塊安裝在仿生腿模塊上，可為被動康復訓練提供靈活性；減重懸掛模塊的作用是減輕患者的體重，根據患者自身的恢復情況選擇合適的模式；跑步機模塊考慮到患者行走的難度和訓練場地的空間限制，將患者安排在跑步機上模擬地面行走[4]。

1.2 下肢康復機器人的設計指標

下肢運動康復輔助訓練裝置的整體設計應符合以下要求[5]：

（1）需要仿生兩腿模塊的自由度。考慮到人體運動所涉及的自由度主要存在于矢狀面，雙腿行走機構在左右腿上分別有3個自由度，即髖部的屈/伸關節，膝關節的內部屈曲/伸展以及踝關節的伸展、背屈/跖屈。

（2）仿生腿模塊的可調節長度和承載力。患者人群的身高存在差異，不可能為每個患者量身定制一套康復訓練機構。這是不科學的，不經濟的，不現實的。因此，康復訓練機器人的仿生腿模塊對應大腿和小腿的長度應該是可調的，康復訓練機器人可以覆蓋85%以上的患者人群。因此，所提出的下肢康復機器人適用于身高160～179 cm，體重不超過90 kg的人群。

（3）對關節靈活性的需求。據相關研究表明，人體行走時下肢關節處存在阻尼，阻尼呈非線性變化。為了在患者主動康復訓練中增加關節阻尼變化要求，訓練中的行走更貼近現實。同時，在被動訓練中，讓仿生腿的驅動更加靈活。設計了柔性模塊，安裝在仿生腿模塊的關節處，實現主動訓練中關節阻尼的非線性變化，增加被動訓練中驅動力的柔順性。

1.3 雙腿仿生模塊設計方案

1.3.1 下肢運動的參數確定

通過分析人體下肢的解剖結構，人直線行走時下肢關節所涉及的自由度主要存在于矢狀面。因此，下肢康復機器人仿生雙腿模塊的運動自由度選自矢狀面的三個自由度，即髖關節屈/伸、膝關節屈/外展、踝關節跖屈/背屈。

仿生腿模塊各部分的長度和關節的旋轉角度應與人體實際一致，提高對人體的適應性。通過了解人體下肢關節的醫學知識，參考相關文獻，確定人體行走時下肢關節的活動范圍。1.3.2仿生雙腿模塊設計方案

患者使用下肢康復機器人進行訓練時，下肢與仿生腿用綁帶綁在一起，仿生腿帶動人體進行被動康復訓練。將仿生雙腿簡化為連桿機構。

考慮到仿生腿適用人群的身高差異，相應尺寸的仿生腿模塊應該能夠調節腿的長度，身高在160～179 cm之間的中國成年人約占總人口的85%，因此，杠的長度上限為178 cm，下限為160 cm。

1.4 柔性模塊設計

柔性模塊主要有兩個功能：一是保證患者主動步行訓練過程中關節阻尼的非線性變化，實現“變阻抗模式”，也就是說訓練過程中產生的阻尼與患者的跑步速度是正相關；二是將仿生腿關節處伺服電機的剛性輸入轉化為相對的柔性輸出，驅動患者下肢運動，確保運動的靈活性。整個模塊的柔性主要通過彈簧和阻尼器的組合來實現，如果伺服電機有扭矩，則通過可變阻尼器傳遞給彈簧，彈簧的變形帶動部件轉動，保證了運動的靈活性。

1.5 下肢運動康復輔助訓練裝置整體設計

目前，下肢康復訓練的方法和設備很多，為使患者在進行下肢康復訓練時方便，降低行走難度，我們決定采用懸掛式踏板的康復方案，機構主要由仿生腿模塊、柔性模塊、雙腿行走模塊，帶動患者下肢的運動，柔性模塊提供運動時的靈活性柔順性，懸掛模塊減輕患者體重，并利用跑步機模塊在模型地板上行走。

2 下肢運動康復輔助訓練裝置整體設計

2.1 柔性仿生腿結構設計

2.1.1 仿生腿結構設計

首先，將仿生腿的設計方案轉化為三維實體模型，確定具體參數。其次，設計柔性模塊的安裝，防止柔性模塊阻礙仿生腿模塊的長度調節功能。同時為仿生腿模塊設置保險裝置，防止患者遭受二次傷害；最后給出了下肢康復機器人的三維結構。仿生腿模塊的長度和寬度應與人體下肢的各個部位相對應。同時，必須具備可調整大小腿的長度。仿生腿模塊的機械結構在Solidworks軟件中進行設計。

雙腿行走機構主要由大腿、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。槽與軌構成可相對移動的移動副；大腿下和小腿下分別加工有銷孔。根據大腿和小腿的調節范圍，確定針孔數量為10個，銷孔間距為10 mm，可在0～100 mm范圍內調節。圓柱銷可插入銷孔為各零件之間進行固定。

髖、膝、踝關節相應部位裝有軸承。軸承選用深溝球軸承。相應的軸承體積小，安裝方便，安裝后結構輕便。仿生腿選用鋁合金作為材料，滿足減輕重量的前提是強度達標。

2.1.2 仿生腿保護措施設計

由于人體下肢關節在行走時有一定的角度范圍，超出活動范圍會使患者受到二次傷害。因此，為了消除安全隱患，仿生腿的關節處設計一個可以限位的小裝置，對關節活動范圍進行限制，避免在康復訓練過程中超過人體關節活動范圍的損傷。可以通過以下機制將膝關節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節的最大運動范圍超過人體關節的最大運動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、可變阻尼器、彈性元件等部分組成，全長400 mm。柔性模塊沿大小腿安裝，但必須考慮腿的長度調整。并且柔性模塊不會妨礙仿生腿的長度調節功能。因此，需要為柔性模塊設計一個特定的安裝座，如圖1所示。柔性模塊安裝座要求安裝在結構緊湊的仿生腿上，其長度和寬度不應超過仿生腿大小腿的長度和寬度。滑板的直線運動距離不小于100 mm，所以確定可變阻尼安裝座長寬410 mm/150 mm，滑板滑動范圍100 mm，采用合金鋼制作，保證一定的工作強度。

圖1 柔性模塊安裝

2.1.4 仿生雙腿整體結構

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

圖2 仿生腿結構

2.2 仿生腿整體結構

不同身高的患者大腿和小腿的長度不同。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動的協調性，需要設計腰部調節機構。根據成年人下肢主要尺寸分布統計，身高160～179 cm，臀寬在288～334 mm之間，所以334 mm是腰圍調節的最大值，288 mm是最小值腰部調整。腰圍調節機構按上述參數范圍進行的設計。

2.3 減重懸掛模塊

減重懸掛系統由支架、鋼絲繩、滑輪、力傳感器、電動推桿和吊帶組成。電動推桿安裝在支架兩側的電箱內。電箱左右各一個。電動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，另一端連接電動推桿。鋼絲繩上安裝張力傳感器，測量鋼絲繩的拉力；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 跑步機模塊

考慮到患者自身情況和訓練場合空間限制，下肢運動康復輔助訓練裝置底部安裝了跑步機模塊。跑步機模塊總長160 cm，寬77 cm，高120 cm。調速范圍0～1 m/s，可實現無級調速。跑帶長122 cm，寬77 cm。患者在跑步機上進行康復訓練時，調整跑道速度，使其與仿生腿的前進速度相同；兩側扶手間距為65 cm，扶手為中空貫穿兩側。管子由鋁合金制成。跑步機由表盤、扶手、軌道、電機和相應的減速器組成。跑帶的運行速度可以通過表盤的屏幕進行調節。

3 結語

以下肢運動康復輔助訓練裝置為研究對象，根據人體各部位的長度與高度的比例、關節的運動范圍進行仿生腿的結構設計；根據液壓可變阻尼的工作原理，設計了可變阻尼器，在Solidworks中建立設計模型。設計的下肢運動康復輔助訓練裝置適應更多患者，仿生雙腿模塊長度可調，雙腿關節處有保護措施，避免超出人正常關節活動范圍對患者造成二次傷害。