膝關節智能康復機器人機構設計及分析

趙艷芳 李鵬 曹曉田

江蘇理工學院 機械工程學院 江蘇 常州 213001

引言

隨著人口老齡化和運動產生的損傷，膝關節損傷的比例逐年增大，膝關節康復受到越來越多的關注。同時隨著機器人技術和康復醫學理論的發展，康復機器人成為研究的熱點。與此同時，可穿戴式[1]的康復市場規模逐年雖在不斷擴大，但針對專業性的器材仍有短缺。高度集成和低功耗并不是醫療可穿戴設備的唯一挑戰。無論是機構還是個人，都對器械的安全性要求很高。醫療可穿戴設備如何創新，了解真正的病理，滿足患者舒適性、病情參數監測的要求，讓患者更健康等需求也是需要行業內不斷思考的問題。

目前國內外單關節康復輔助設備相對較少，開發自己的醫療器械、形成自主知識產權并形成產品投入使用具有相當大的戰略意義。根據部分家庭會因各種因素而難以在康復機構康復，此器械為在家自主進行康復訓練的一款機器，并針對因運動不當、意外事故、關節硬化等膝關節損傷群體進行研究設計[2]，以人體膝關節結構為分析對象的膝關節智能康復機器人。以左腿為例，初期根據設計理念，通過輔導老師指導設計一款自由度為1，以液壓驅動為工作原理的一款器械。但在后期討論中，發現其占地面積和潔凈程度達不到我們預想，因而重新選擇傳動方案。為了實現膝關節的屈伸運動，我們先后設計了3種驅動機構：液壓驅動機構、凸輪驅動機構、舵機驅動機構。最終結合運動特點得出舵機驅動機構是最合理的驅動機構。此器械同時借鑒了健身器材大腿伸展訓練器，設計出U形桿組，使得受力點在腳踝處，避免產生術后韌帶重建的二次損傷[3-4]的切應力。進一步，為了增加舒適性，在U形桿組的內側改為弧面接觸，增大受力面積。

為了適用更廣泛人群，查閱國家標準GB 10000—1988的中國成年人人體尺寸，又鑒于人體尺寸差異，為了滿足大多數人訓練的需求，大腿長度a∈[438，523]，小腿長度b∈[344，419]（a、b單位為毫米），和人體腿圍的差異性這三方面考慮。最終確定圓周分布孔的調節范圍在-15°～+15°（向上為+，向下為-），采用三角形穩定性，選擇三枚螺栓固定，每一次調節角度最小誤差為3.75°；長度調節板最小調節誤差為12.1毫米。經過實驗仿真發現，人體實際尺寸與理論尺寸不能一一對應，故在椅子上表面加入氣囊，以彌補上述情況可能帶來的不適性。為了確保角度調節板和長度調節板可使舵機軸護具轉軸與膝關節在同一直線上，通過調節屈伸桿的長度和手動給腳踏板氣囊充放氣可以使腳與腳踏板氣囊更好貼合。

為了確保安全，在椅子扶手旁裝有急停按鈕。急停按鈕與強電盒為電性連接，電盒中裝有空氣開關，緊急時手動或通過手機App觸屏控制實現制動，從而關閉器械上所有線路保證用電安全。進一步，考慮到患者體位姿勢的正確性，在長度調節板上安裝紅外探測報警器,限位彈簧以及束腹帶與椅座靠背連接,在視覺和觸覺上提醒患者在康復期間因疼痛使膝蓋前后移動的最大位置。

控制機構在App上實時調控模式、速度、角度與“急停”。模式即為自動與手動兩種。雖然近年來，隨著機器人、生物工程及控制等技術的發展，康復訓練機器人已經成為多學科融合的熱門研究領域，被廣泛應用到臨床上[5]。但針對不同的運動系統功能障礙患者，采取不同的康復訓練機器人可以達到更加有效的康復效果[6]。與國外相比，由于我國現代醫用機械技術和康復醫學知識正處于興起階段，發展水平相對落后水平。因此從事該方面的研究有著重要的理論價值。本文設計了一款從患者角度出發的屈伸裝置，該裝置在結構上可以避免一些有害力造成的二次損傷，并且在功能上達到可控、智能化及操作界面可視化的效果。

1 機構設計

結構總體含有四個模塊，分別為支撐機構、支具機構、運動機構、控制機構。

能夠滿足膝關節康復運動的需要，這是膝關節智能康復機器人機構設計的最基本要求。即要求膝關節康復機能按照設計要求完成指定的運動，包括運動的角度、速度以及運動中心的平面位置，而且能夠適合不同身高的患者，并能根據患者小腿長度進行相應的調整，以及對結構進行優化設計，安全上設計一些硬性保護措施。

1.1 支撐機構

支撐機構在康復訓練中為患者提供支撐、安全保護和貼合肢體的作用，主要由升降椅（1）、扶手（2）、束縛帶（3）、大腿氣囊（4）、急停按鈕（5）等部件組成。如圖1所示。

圖1 膝關節康復器械支撐機構組成

患者可通過調節椅子升降桿的高度和氣囊的充氣程度使腿部與機構更加貼合。急停按鈕與扶手連接，又與強電盒為電性連接，電盒中裝有空氣開關，緊急時可通過手動或通過手機App觸屏控制實現制動，從而關閉器械上所有線路保證用電安全。

1.2 支具機構

支具機構是由綁帶、鉸鏈、襯墊、支架組成。其中綁帶襯墊與肢體接觸，綁帶、襯墊采用尼龍制成；綁帶上具有粘條，可根據不同患者的腿圍調節。鉸鏈可以進行檔外的角度調節，當確定某一角度時可采用卡扣將其卡死，且所有材料均符合運動時的強度要求。其次，支具上設有理療儀，冷/熱療能夠消腫止痛、通絡舒筋、活血化瘀，促進膝關節周圍血液循環，還具有輕微的麻醉效果，緩解其膝關節疼痛。

1.3 運動機構

本器械具體運動機構組成包括活動板1（與扶手處連接）（1）、活動板2（外伸端）（1）、Arduino控制板（2）、屈伸桿（2）、舵機(1）、強電盒、限位彈簧（3）、紅外探測報警器（3）、腳踏板氣囊（5）、壓力傳感器。

首先，在工作過程中設有最大屈伸角度范圍（0o～130o），保證器械本身不會運動到極端角度對患者造成危害，保證安全性。

其次，活動板1與活動板2之間具有周向角度與軸向的長度調節，周向的角度調節誤差控制在0°～3.75°之間，軸向長度調節根據不同使用者的大腿長度確定。調節范圍在（438，523）之間。

又通過調節活動板1和活動板2可使舵機軸護具轉軸與膝關節在同一直線上，調節屈伸桿的長度和手動給腳踏板氣囊充放氣可以使腳與腳踏板氣囊更好貼合。

限位彈簧以及在長度調節板上裝有紅外探測報警，在視覺和觸覺上提醒患者在康復期間因疼痛使膝蓋前后移動的最大位置。

第五，對比市場普遍存在的康復儀器CPM關節儀（膝關節術后康復訓練運動基于連續被動運動（Continuous passive motion, CPM）理念，SALTER教授首次提出了 CPM 理念，研制了第一代膝關節 術后康復訓練機器人，并進行了臨床試驗研究）。經過患者實際使用情況的反饋，發現可能在損傷膝蓋處產生剪切應力，產生不可逆的二次損傷。因此將受力點設計在腳踝處，由此只產生垂直的力，避免剪切分力，腳踝通過U形桿組產生運動。壓力傳感器安裝在U形桿內前側，即與腳踝接觸位置，可以精確的感應腳踝處的受力并且在App界面上顯示。

1.4 控制機構

控制機構是器械實現各功能的核心，實現方式是Arduino控制板中的編碼程序與智能手機的藍牙連接實現通訊。其安全高效，操作簡單，成本低廉，制作方便，能夠滿足患者對康復訓練的需求。

首先，在App上實時調控模式、速度、角度與“急停”。模式即為自動與手動。手動模式（1）中，速度有3個擋位按鈕（均可根據不同情況改變數值大小）；由于膝蓋康復過程中屈膝角度進程呈階段性，因此設有三個角度調節按鈕，前兩種角度數值可調，小角度不可調（為1o），避免韌帶大角度連續拉伸，造成韌帶不可逆的松弛。

第二，自動模式（2）中，運動角度范圍、運動次數及運動速度均可調、可視；并且壓力用動態圖實時顯示數值。

2 運動學分析

2.1 膝關節結構和屈伸角度

膝關節（1）是人體最大、最復雜的關節，屬于屈戍關節。由股骨下端、脛骨上端和髕骨構成。髕骨與股骨的髕面相接，股骨的內、外側髁分別與脛骨的內、外側髁相對。脛骨內外側髁的上關節面甚淺，它們與股骨關節頭的曲面不相適應，但由于半月板的楔形填充，擴大了股骨與脛骨的接觸面。膝關節的穩定性有賴于關節囊內外韌帶的堅韌性，主要有髕韌帶、脛側副韌帶、腓側副韌帶、關節囊后方的腘斜韌帶以及關節囊內的前交叉韌帶和后交叉韌帶，這些韌帶對膝關節的穩定性起到至關重要的作用。

小腿與大腿延長線的夾角α為膝關節的屈伸角度（2）。膝關節運動范圍能夠達到的正常運動范圍為0°～130°。膝關節主要有屈伸運動和內外旋轉運動，但是由于旋轉轉動角度較小，因此可將膝關節運動看作只有1個自由度。

2.2 運動軌跡設計

機器運動軌跡為圓周運動（3），采用的方式是舵機運動傳送力，腳腕處受到一個垂直于小腿的恒力F。通過受力分析，將（3）訓練結構簡化為（4），膝關節類比為鉸支座，小腿為桿。康復路徑為以膝關節為圓心，小腿為半徑的圓弧。力F在圓弧的切線上，與小腿始終保持垂直。避免前十字韌帶受到剪切力，造成二次傷害。

3 結束語

本篇論文以運動不當、意外事故、關節硬化等膝關節損傷群體作為研究對象，通過對運動學的分析發現了在機構外形設計、3D建模以及功能設置及其轉換等問題。根據研究時的是實際情況，本論文提出了一系列的應對措施。首先在確定動力源階段，基于液壓機構造價高、體積大、液壓油容易外溢，這與我們輕量化、簡潔化的設計理念相悖及凸輪傳動機構占用空間大、運動不穩定、加工復雜，本文采用舵機作為動力源，舵機體積小、價格合理、動力大且運動穩定，符合設計成本及需求。其次，由于膝關節損傷患者的傷病程度不一致，且承受的屈伸力度也不盡相同，本器械采用智能編程實現不同擋位的速度與角度，解決了因個體差異帶來的又一數值問題。第三，安全性問題上采用急停按鈕、彈性限位、紅外探測報警器、空氣開關、軟性束腹帶等多重保護。

總的來說，本文闡述了器械設計過程與這一器械較其他設備在某一方面的優勢及創新點。如手動與自動模式間的切換、在不損傷膝蓋組織的前提下精準實現膝關節屈伸運動、操作簡單但實用性高等，具有實際的價值意義。