外骨骼式步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機器人構(gòu)型研究

摘

要：設(shè)計了一種面向偏癱患者的外骨骼式步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機器人機構(gòu)。該機構(gòu)包括腋下支撐機構(gòu)、患肢側(cè)外骨骼機構(gòu)以及健肢側(cè)機構(gòu)。左腋下支撐機構(gòu)與右腋下支撐機構(gòu)結(jié)構(gòu)相同，腋下支撐部可以在水平方向和垂直方向進行調(diào)整?；贾珎?cè)外骨骼機構(gòu)可驅(qū)動患者患肢髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)運動，其大腿和小腿部分采用了兩根連桿，增加了強度，提高了安全性。健肢側(cè)機構(gòu)包括三自由度外骨骼式健肢關(guān)節(jié)運動參數(shù)檢測裝置和具有平面四桿結(jié)構(gòu)的原地步行機構(gòu)。所設(shè)計的康復(fù)訓(xùn)練機器人能夠使患者患肢發(fā)揮殘存的運動能力，并且當(dāng)運動能力不足時，可使患肢根據(jù)健肢的運動參數(shù)進行康復(fù)訓(xùn)練。關(guān)鍵詞：機器人；外骨骼；康復(fù)訓(xùn)練；步態(tài)0

引言人體下肢支撐著人的身體，擔(dān)負著行走的功能，在日常生活中發(fā)揮著重要的作用，人體下肢康復(fù)訓(xùn)練機器人的研究具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值，已成為康復(fù)機器人領(lǐng)域的研究熱點。目前，下肢步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機器人大多采用機械外骨骼結(jié)構(gòu)或者踏板結(jié)構(gòu)實現(xiàn)康復(fù)運動，或者通過驅(qū)動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)機器人如Lokomat步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機器人，其主要由步態(tài)矯正器、體重支持系統(tǒng)和步行臺組成。其步態(tài)矯正器為外骨骼結(jié)構(gòu)，每條外骨骼具有兩個自由度，可實現(xiàn)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的運動。設(shè)計的踏板式步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機器人，左右兩套踏板采用同一臺電機驅(qū)動，可實現(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)動人體盆骨進行步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練的方式，此系統(tǒng)由體重支撐系統(tǒng)、盆骨運動系統(tǒng)和步行臺構(gòu)成，盆骨運動系統(tǒng)在人體左右兩側(cè)各有一個運動單元，每個運動單元由兩個相互垂直的滑軌構(gòu)成，機器人通過臀部連接支架與患者相連，應(yīng)用線性電機作為執(zhí)行元件，可對盆骨的異常運動產(chǎn)生作用力。機械外骨骼可以直接驅(qū)動人體下肢的各個關(guān)節(jié)，且結(jié)構(gòu)相對簡單，但是通常需要與步行臺配合使用實現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練，并且康復(fù)訓(xùn)練過程中步行臺會對人體的步態(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，但由于其不能直接驅(qū)動下肢關(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)進行康復(fù)訓(xùn)練。通過驅(qū)動人體盆骨來校正人體步態(tài)可以達到一定的康復(fù)訓(xùn)練效果，但是需要步行臺配合進行康復(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)計了一種能夠支撐患者體重，并且不需要步行臺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檢測患者健肢的運動參數(shù)，生成步態(tài)模型，并以該模型作為患肢運動的參考，當(dāng)患者患肢能夠自主運動時，患肢側(cè)外骨骼系統(tǒng)跟隨患者患肢運動，不對患肢運動產(chǎn)生影響。當(dāng)患肢的運動參數(shù)與健肢相關(guān)參數(shù)產(chǎn)生的誤差超出許可值時，患肢側(cè)外骨骼系統(tǒng)帶動患肢運動，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參與程度。1

步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機器人結(jié)構(gòu)本文所設(shè)計的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機器人機構(gòu)包括腋下支撐機構(gòu)、患肢側(cè)外骨骼機構(gòu)以及健肢側(cè)機構(gòu)，如圖1所示。康復(fù)訓(xùn)練時，腋下支撐機構(gòu)支撐于患者的腋下，支撐人體部分體重，以減輕下肢的負擔(dān)?；贾珎?cè)外骨骼機構(gòu)安裝有伺服電機，能夠帶動人體患肢運動，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)機構(gòu)能夠檢測人體步態(tài)參數(shù)，以健肢的各關(guān)節(jié)的運動參數(shù)作為患肢運動的參考，并能模擬地面，為健肢的步行運動提供足底反力。康復(fù)機器人的整體結(jié)構(gòu)采用對稱結(jié)構(gòu)，進行康復(fù)訓(xùn)練時，患肢為左腿的偏癱患者進行康復(fù)訓(xùn)練時面向A向，而B向可為患肢為右腿的偏癱患者進行康復(fù)訓(xùn)練，只需要更換腳部部件，患者從不同的方向進入，康復(fù)訓(xùn)練機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

腋下支撐機構(gòu)腋下支撐結(jié)構(gòu)用以承擔(dān)患者部分體重，同時起到固定人體軀干的作用，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。腋下支撐機構(gòu)具有兩個自由度，可以在水平方向和垂直方向進行手動調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的患者。水平方向調(diào)節(jié)機構(gòu)采用了絲杠螺母傳動機構(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)合的傳動機構(gòu)，以實現(xiàn)自鎖。2.2

患肢側(cè)外骨骼機構(gòu)患肢側(cè)外骨骼機構(gòu)要能夠帶動患者患肢實現(xiàn)矢狀面內(nèi)的運動，患肢側(cè)外骨骼結(jié)構(gòu)如圖3所示。1—踝關(guān)節(jié)軸

2—膝關(guān)節(jié)軸

3—髖關(guān)節(jié)軸

4—髖關(guān)節(jié)電機

5—膝關(guān)節(jié)電機

6—大腿連接裝置7—踝關(guān)節(jié)電機

8—小腿連接裝置

9—腳部支撐及檢測裝置患肢側(cè)外骨骼包括三個關(guān)節(jié)：髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。髖關(guān)節(jié)通過支撐機構(gòu)和連接機構(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4與減速器連接，減速器經(jīng)聯(lián)軸器帶動錐齒輪傳動，錐齒輪帶動髖關(guān)節(jié)軸3運動，進而帶動外骨骼大腿部分運動。膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)原理類似，伺服電機和減速器分別固定于機器人大腿和小腿上，通過錐齒輪傳動帶動各關(guān)節(jié)運動。大腿和小腿部分采用了兩根連桿，伺服電機、減速器以及傳動機構(gòu)位于兩個連桿中間，既增加了結(jié)構(gòu)的強度，又提高了安全性。患肢側(cè)外骨骼設(shè)計中，不僅要考慮將患者腿部與外骨骼進行連接，還要考慮到康復(fù)過程中對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?；贾奈恢每捎筛麝P(guān)節(jié)伺服電機中的編碼器進行檢測。為了獲得患肢與外骨骼間的相互作用力，設(shè)計了具有力檢測功能的患肢腿部連接裝置?；颊咴诖笸群托⊥燃澳_部與機器人相連，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。接裝置前后方向各設(shè)計內(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，用來測量患者腿部與康復(fù)機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，還要能夠檢測腳面以及腳背與外骨骼之間的相互作用力，所設(shè)計的腳部連接裝置如圖5所示。在踏板中后部設(shè)計了一個中空的腳部墊塊，用來支撐人體的重量。腳部連接裝置上下各有一個壓力傳感器，進行康復(fù)訓(xùn)練時，患者腳的前部放在檢測機構(gòu)中間。這樣，可以實現(xiàn)支撐患肢及檢測腳部與外骨骼間相互作用力的目的。2.3

健肢側(cè)機構(gòu)健肢側(cè)機構(gòu)包括三自由度外骨骼式關(guān)節(jié)運動參數(shù)檢測裝置、具有平面四桿結(jié)構(gòu)的原地步行機構(gòu)，以及安裝于其間的力檢測裝置，如圖6所示。三自由度外骨骼式關(guān)節(jié)運動參數(shù)檢測裝置結(jié)構(gòu)如圖7所示，該結(jié)構(gòu)具有3個自由度，髖、膝、踝關(guān)節(jié)各有1個旋轉(zhuǎn)自由度。每個關(guān)節(jié)各裝有1個角位移傳感器，測量各個關(guān)節(jié)的運動參數(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)練時的參考依據(jù)，另一方面為原地步行機構(gòu)足底反力的控制提供位置信息。偏癱患者健肢具有運動能力，以患者健肢的運動參數(shù)作為患肢的運動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。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→B1→C1）的運動如圖8所示。腳部的運動軌跡為弧線，而在地面上行走時，腳部與地面接觸，其軌跡為直線。

為了使患者在進行康復(fù)訓(xùn)練時，感覺如地面上行走一樣，設(shè)計了具有平行四邊形結(jié)構(gòu)的原地步行機構(gòu)，其運動簡圖如圖9所示。A軸為平行四邊形機構(gòu)的驅(qū)動軸，進行康復(fù)訓(xùn)練時，A軸與健肢髖關(guān)節(jié)軸線重合，AB為機架，AD的長度與人體髖關(guān)節(jié)到腳底部的長度相等，在支撐相，腳部與桿CD接觸，在θ取值范圍內(nèi)，桿CD始終與地面平行?？刂扑臈U機構(gòu)的運動，在整個步態(tài)周期內(nèi)，使踝關(guān)節(jié)的運動軌跡始終處于AD桿上，在擺動相及支撐相前半段，由伺服電機帶動四桿機構(gòu)跟隨患者健肢運動，在支撐相后半段，四桿機構(gòu)為健肢提供足底反力，這樣可以有效模擬地面，實現(xiàn)原地步行。本文所設(shè)計的原地步行機構(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，伺服電機與旋轉(zhuǎn)式磁流變阻尼器聯(lián)合使用，可為平面四桿機構(gòu)的運動提供驅(qū)動力矩或阻尼力矩，驅(qū)動力矩用以驅(qū)動原地步行機構(gòu)跟隨健肢運動，阻尼力矩用以模擬人體腳部與地面的水平作用力。運動過程中，腳部支撐始終與地面保持平行?？祻?fù)訓(xùn)練過程中，在健肢擺動相以及支撐相的前半段，原地步行機構(gòu)隨患者健肢一起運動，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，伺服電機根據(jù)下肢關(guān)節(jié)運動參數(shù)機構(gòu)與原地步行機構(gòu)間相互作用力，驅(qū)動原地步行機構(gòu)跟隨患者健肢一起運動。在支撐相后半段，伺服電機保持靜止，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。為了檢測健肢關(guān)節(jié)運動參數(shù)裝置與原地步行機構(gòu)間相互作用力，在其間設(shè)置了力檢測裝置，如圖11所示。

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。運動過程中，鍵肢帶動踝關(guān)節(jié)運動的同時，也帶動外框運動，彈簧受到壓縮，壓力傳感器產(chǎn)生壓力信號，數(shù)據(jù)采集卡采集壓力信號，工控機獲得壓力信息后，發(fā)送指令驅(qū)動伺服電機運動，使原地步行機構(gòu)跟隨健肢運動。3

結(jié)語本文設(shè)計了具有原地步行功能的下肢步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機器人機構(gòu)，患肢側(cè)外骨骼三個自由度可以實現(xiàn)人體下肢的髖