并聯(lián)踝康復(fù)機器人主被動柔順康復(fù)訓(xùn)練功能的創(chuàng)新開發(fā)與實踐

并聯(lián)踝康復(fù)機器人主被動柔順康復(fù)訓(xùn)練功能的創(chuàng)新開發(fā)與實踐一、引言1.1研究背景與意義踝關(guān)節(jié)作為人體重要的承重和運動關(guān)節(jié)，在日?；顒雍腕w育運動中扮演著關(guān)鍵角色。然而，由于其獨特的結(jié)構(gòu)和頻繁的使用，踝關(guān)節(jié)極易受到損傷。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，踝關(guān)節(jié)扭傷是運動損傷中最為常見的類型之一，在所有運動損傷中占比高達20%-40%。除了運動損傷，中風、脊髓損傷等神經(jīng)系統(tǒng)疾病也常常導(dǎo)致踝關(guān)節(jié)功能障礙，嚴重影響患者的生活質(zhì)量和行動能力。據(jù)統(tǒng)計，中風患者中約有70%-80%會出現(xiàn)不同程度的踝關(guān)節(jié)運動功能受損，這使得患者在行走、站立等基本活動中面臨巨大困難。有效的康復(fù)訓(xùn)練對于踝關(guān)節(jié)損傷患者的恢復(fù)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練主要依賴康復(fù)治療師的手動操作和簡單的康復(fù)器械。手動康復(fù)訓(xùn)練雖然能夠提供個性化的治療，但存在勞動強度大、治療效率低等問題，且康復(fù)效果在很大程度上取決于治療師的經(jīng)驗和技能水平。而現(xiàn)有的康復(fù)器械，大多功能單一，無法滿足患者在不同康復(fù)階段的多樣化需求。例如，一些簡單的康復(fù)器械只能提供單一方向的運動訓(xùn)練，難以模擬踝關(guān)節(jié)的復(fù)雜運動模式，限制了康復(fù)訓(xùn)練的效果。隨著機器人技術(shù)的飛速發(fā)展，踝關(guān)節(jié)康復(fù)機器人逐漸成為康復(fù)領(lǐng)域的研究熱點。并聯(lián)踝康復(fù)機器人因其具有剛度高、承載能力強、運動精度高以及結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，在踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練中展現(xiàn)出巨大的潛力。開發(fā)并聯(lián)踝康復(fù)機器人的主被動柔順康復(fù)訓(xùn)練功能具有重要的現(xiàn)實意義。在提升康復(fù)效果方面，主被動柔順康復(fù)訓(xùn)練功能能夠根據(jù)患者的實際情況和康復(fù)階段，提供個性化的訓(xùn)練方案。通過精確控制機器人的運動軌跡和力度，模擬踝關(guān)節(jié)在各種日?；顒又械倪\動，幫助患者恢復(fù)踝關(guān)節(jié)的運動功能和肌肉力量，提高康復(fù)訓(xùn)練的針對性和有效性，從而顯著提升康復(fù)效果。在滿足不同康復(fù)階段需求方面，對于踝關(guān)節(jié)損傷初期或肌力較弱的患者，機器人可以提供被動柔順訓(xùn)練，幫助患者進行關(guān)節(jié)活動，預(yù)防肌肉萎縮和關(guān)節(jié)粘連；隨著患者康復(fù)進程的推進，當患者具備一定的肌力水平時，可切換至主動訓(xùn)練模式，鼓勵患者主動參與康復(fù)訓(xùn)練，增強肌肉力量和關(guān)節(jié)控制能力；而在康復(fù)中期，等張訓(xùn)練模式則可以幫助患者進一步提高肌肉的耐力和關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。這種多模式的柔順訓(xùn)練功能能夠全面滿足患者在不同康復(fù)階段的需求，為患者提供更加科學、系統(tǒng)的康復(fù)治療。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀踝關(guān)節(jié)康復(fù)機器人的研究在國內(nèi)外均受到廣泛關(guān)注，取得了一定的成果，具體進展如下：機構(gòu)設(shè)計：國外早在20世紀末就開始了踝關(guān)節(jié)康復(fù)機器人的研究，在機構(gòu)設(shè)計方面，不斷探索創(chuàng)新。美國的一些研究團隊設(shè)計出具有多個自由度的并聯(lián)踝關(guān)節(jié)康復(fù)機器人，如采用Delta機構(gòu)的變體，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的運動控制，為患者提供更接近真實運動的康復(fù)訓(xùn)練。其通過優(yōu)化機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高了機器人的運動性能和穩(wěn)定性。德國的研究人員則注重機器人的人機交互設(shè)計，開發(fā)出一種可穿戴式的并聯(lián)踝康復(fù)機器人，該機器人能夠更好地貼合人體踝關(guān)節(jié)，提高患者在康復(fù)訓(xùn)練過程中的舒適度和適應(yīng)性。在國內(nèi)，燕山大學的研究團隊提出了一種3-RSS/S并聯(lián)機構(gòu)的踝關(guān)節(jié)康復(fù)機器人，具有3個轉(zhuǎn)動自由度，能夠真實模擬踝關(guān)節(jié)的運動，通過對不同步法和步態(tài)的研究，可實現(xiàn)平地、上下樓梯、地面不平等多種情況下的踝關(guān)節(jié)運動練習。此外，還有學者提出了基于3-RUPUR/RU結(jié)構(gòu)的踝關(guān)節(jié)康復(fù)并聯(lián)機器人，對該機構(gòu)的運動學進行了深入分析，為機器人的控制提供了理論基礎(chǔ)?？刂撇呗裕簢庠诳刂撇呗苑矫?，運用了先進的智能控制算法。如采用自適應(yīng)控制算法，根據(jù)患者的實時反饋信息，自動調(diào)整機器人的運動參數(shù)和訓(xùn)練強度，實現(xiàn)個性化的康復(fù)訓(xùn)練。同時，還結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，使患者在虛擬環(huán)境中進行康復(fù)訓(xùn)練，增加訓(xùn)練的趣味性和沉浸感，提高患者的參與度和積極性。國內(nèi)的研究則側(cè)重于將多種控制算法相結(jié)合，以提高機器人的控制性能。例如，將模糊控制與PID控制相結(jié)合，針對踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練過程中存在的非線性、時變等問題，通過模糊控制規(guī)則在線調(diào)整PID控制器的參數(shù)，使機器人能夠更準確地跟蹤期望的運動軌跡，提高康復(fù)訓(xùn)練的效果。此外，還利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對患者的康復(fù)數(shù)據(jù)進行分析和預(yù)測，為制定更合理的康復(fù)訓(xùn)練方案提供依據(jù)?？祻?fù)訓(xùn)練模式：國外在康復(fù)訓(xùn)練模式上，除了傳統(tǒng)的被動訓(xùn)練和主動訓(xùn)練模式外，還開發(fā)了一些新型的訓(xùn)練模式。如鏡像療法訓(xùn)練模式，通過將患者健康側(cè)肢體的運動映射到患側(cè)，引導(dǎo)患側(cè)肢體進行模仿運動，促進大腦的神經(jīng)可塑性，提高康復(fù)效果。國內(nèi)則在借鑒國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合中醫(yī)康復(fù)理論，提出了一些具有特色的康復(fù)訓(xùn)練模式。例如，將針灸、推拿等中醫(yī)康復(fù)手法與機器人康復(fù)訓(xùn)練相結(jié)合，通過在機器人訓(xùn)練過程中對特定穴位進行刺激，達到疏通經(jīng)絡(luò)、調(diào)和氣血的目的，進一步提高康復(fù)訓(xùn)練的效果。盡管國內(nèi)外在并聯(lián)踝康復(fù)機器人的研究方面取得了一定進展，但仍存在一些問題與不足。在機構(gòu)設(shè)計方面，部分機器人的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致成本較高，不利于大規(guī)模推廣應(yīng)用；一些機器人的運動精度和穩(wěn)定性還有待提高，無法滿足高精度康復(fù)訓(xùn)練的需求。在控制策略方面，現(xiàn)有的控制算法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)基本的運動控制，但對于復(fù)雜的康復(fù)場景和個體差異較大的患者，其適應(yīng)性和靈活性還不夠。在康復(fù)訓(xùn)練模式方面，雖然提出了多種訓(xùn)練模式，但缺乏系統(tǒng)的評估體系，難以準確衡量不同訓(xùn)練模式的效果，也不利于根據(jù)患者的具體情況選擇最合適的訓(xùn)練模式。1.3研究目標與內(nèi)容本研究旨在開發(fā)一種具有主被動柔順康復(fù)訓(xùn)練功能的并聯(lián)踝康復(fù)機器人，以滿足踝關(guān)節(jié)損傷患者在不同康復(fù)階段的個性化康復(fù)需求，提高康復(fù)訓(xùn)練的效果和效率。具體研究目標如下：開發(fā)主被動柔順康復(fù)訓(xùn)練功能：設(shè)計并實現(xiàn)多種康復(fù)訓(xùn)練模式，包括被動柔順訓(xùn)練、主動訓(xùn)練和等張訓(xùn)練，能夠根據(jù)患者的康復(fù)階段和實際情況自動切換訓(xùn)練模式，為患者提供個性化的康復(fù)訓(xùn)練方案。通過柔順控制算法，使機器人能夠與患者的肢體實現(xiàn)柔順交互，避免對患者造成二次傷害，提高康復(fù)訓(xùn)練的安全性和舒適性。提高機器人的運動性能和控制精度：優(yōu)化并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高機器人的運動精度、穩(wěn)定性和承載能力，確保機器人能夠準確地模擬踝關(guān)節(jié)的各種運動，滿足康復(fù)訓(xùn)練的需求。研究先進的控制算法，實現(xiàn)對機器人運動軌跡和力度的精確控制，提高機器人的響應(yīng)速度和跟蹤精度，為康復(fù)訓(xùn)練提供可靠的技術(shù)支持。驗證康復(fù)訓(xùn)練效果：通過臨床試驗，驗證并聯(lián)踝康復(fù)機器人主被動柔順康復(fù)訓(xùn)練功能的有效性和安全性，評估機器人對踝關(guān)節(jié)損傷患者康復(fù)效果的影響，為機器人的臨床應(yīng)用提供科學依據(jù)。收集和分析患者的康復(fù)數(shù)據(jù)，建立康復(fù)效果評估模型，為個性化康復(fù)訓(xùn)練方案的制定提供數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。圍繞上述研究目標，本研究將開展以下內(nèi)容的研究：并聯(lián)踝康復(fù)機器人的機構(gòu)設(shè)計：對踝關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)、運動特性進行深入分析，結(jié)合康復(fù)醫(yī)學原理，確定機器人的自由度和運動范圍。運用機構(gòu)學原理，設(shè)計新型的并聯(lián)機構(gòu)，對機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，提高機器人的運動性能和承載能力。通過虛擬樣機技術(shù)，對設(shè)計的并聯(lián)機構(gòu)進行運動學和動力學仿真分析，驗證機構(gòu)設(shè)計的合理性和可行性。主被動柔順康復(fù)訓(xùn)練控制算法研究：研究被動柔順控制算法，基于導(dǎo)納模型，將人機耦合系統(tǒng)等效為質(zhì)量-彈簧-阻尼二階系統(tǒng)，根據(jù)機器人動平臺的輸出角度與輸入力矩的關(guān)系，實現(xiàn)機器人在被動柔順訓(xùn)練模式下與患者肢體的柔順交互。針對主動訓(xùn)練模式，開發(fā)基于力反饋的控制算法，實時監(jiān)測患者的主動用力情況，根據(jù)患者的反饋調(diào)整機器人的運動參數(shù)，激勵患者主動參與康復(fù)訓(xùn)練。設(shè)計等張訓(xùn)練控制算法，通過控制機器人的輸出力矩，使患者的肌肉在一定的張力下進行收縮和舒張運動，增強肌肉力量和關(guān)節(jié)穩(wěn)定性。將多種控制算法進行融合，實現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練模式的自動切換，根據(jù)患者的康復(fù)階段和實時狀態(tài)，為患者提供最適宜的康復(fù)訓(xùn)練方案?？祻?fù)訓(xùn)練實驗與效果評估：搭建并聯(lián)踝康復(fù)機器人實驗平臺，對機器人的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進行集成和調(diào)試，確保機器人的穩(wěn)定運行。招募踝關(guān)節(jié)損傷患者，進行臨床試驗，按照制定的康復(fù)訓(xùn)練方案，使用并聯(lián)踝康復(fù)機器人對患者進行康復(fù)訓(xùn)練。在訓(xùn)練過程中，實時監(jiān)測患者的生理參數(shù)和運動數(shù)據(jù)，記錄患者的主觀感受和康復(fù)進展。采用多種評估指標，如踝關(guān)節(jié)活動度、肌肉力量、步態(tài)分析等，對患者的康復(fù)效果進行全面評估。通過對比實驗，分析機器人康復(fù)訓(xùn)練與傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練的差異，驗證并聯(lián)踝康復(fù)機器人主被動柔順康復(fù)訓(xùn)練功能的優(yōu)勢和有效性。1.4研究方法與技術(shù)路線為了實現(xiàn)并聯(lián)踝康復(fù)機器人主被動柔順康復(fù)訓(xùn)練功能的開發(fā)，本研究將綜合運用多種研究方法，確保研究的科學性和有效性。理論分析：深入研究踝關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)、運動特性以及康復(fù)醫(yī)學原理，為機器人的機構(gòu)設(shè)計和康復(fù)訓(xùn)練模式的制定提供理論基礎(chǔ)。運用機構(gòu)學原理，對并聯(lián)機構(gòu)的自由度、運動學和動力學進行分析，優(yōu)化機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高機器人的運動性能和承載能力。研究主被動柔順康復(fù)訓(xùn)練的控制算法，基于導(dǎo)納模型、力反饋等理論，實現(xiàn)機器人與患者肢體的柔順交互，以及對不同訓(xùn)練模式的精確控制。建模與仿真：利用計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件，建立并聯(lián)踝康復(fù)機器人的三維模型，對機器人的結(jié)構(gòu)進行可視化設(shè)計和優(yōu)化。運用多體動力學仿真軟件，對機器人的運動學和動力學進行仿真分析，驗證機構(gòu)設(shè)計的合理性和可行性，預(yù)測機器人的運動性能和動態(tài)特性。通過仿真，可以在實際制造機器人之前，發(fā)現(xiàn)潛在的問題并進行改進，降低研發(fā)成本和風險。實驗研究：搭建并聯(lián)踝康復(fù)機器人實驗平臺，對機器人的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進行集成和調(diào)試，確保機器人的穩(wěn)定運行。進行性能測試實驗，對機器人的運動精度、穩(wěn)定性、承載能力等性能指標進行測試，評估機器人的性能是否滿足設(shè)計要求。開展臨床試驗，招募踝關(guān)節(jié)損傷患者，使用并聯(lián)踝康復(fù)機器人對患者進行康復(fù)訓(xùn)練，收集患者的生理參數(shù)和運動數(shù)據(jù)，評估康復(fù)訓(xùn)練的效果和安全性。本研究的技術(shù)路線如圖1所示，具體步驟如下：需求分析：通過查閱文獻、臨床調(diào)研以及與康復(fù)專家交流，深入了解踝關(guān)節(jié)損傷患者的康復(fù)需求，以及現(xiàn)有康復(fù)機器人存在的問題與不足，明確并聯(lián)踝康復(fù)機器人主被動柔順康復(fù)訓(xùn)練功能的設(shè)計要求。機構(gòu)設(shè)計：基于踝關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)和運動特性，運用機構(gòu)學原理，設(shè)計新型的并聯(lián)機構(gòu)。通過理論分析和優(yōu)化設(shè)計，確定機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并利用CAD軟件建立機器人的三維模型?？刂扑惴ㄑ芯浚貉芯勘粍尤犴樋刂扑惴?、主動訓(xùn)練控制算法和等張訓(xùn)練控制算法，將多種控制算法進行融合，實現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練模式的自動切換。通過仿真分析，驗證控制算法的有效性和可行性。系統(tǒng)集成與調(diào)試：搭建并聯(lián)踝康復(fù)機器人實驗平臺，完成硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的集成。對機器人進行調(diào)試和優(yōu)化，確保機器人能夠穩(wěn)定運行，并實現(xiàn)預(yù)期的功能。實驗驗證：進行性能測試實驗，對機器人的性能指標進行測試和評估。開展臨床試驗，驗證并聯(lián)踝康復(fù)機器人主被動柔順康復(fù)訓(xùn)練功能的有效性和安全性，收集和分析患者的康復(fù)數(shù)據(jù)，建立康復(fù)效果評估模型。結(jié)果分析與優(yōu)化：對實驗結(jié)果進行分析和總結(jié)，根據(jù)實驗結(jié)果對機器人的機構(gòu)設(shè)計、控制算法和康復(fù)訓(xùn)練方案進行優(yōu)化和改進，進一步提高機器人的性能和康復(fù)訓(xùn)練效果。[此處插入技術(shù)路線圖]圖1技術(shù)路線圖二、并聯(lián)踝康復(fù)機器人機構(gòu)設(shè)計2.1踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)與運動分析踝關(guān)節(jié)作為人體下肢重要的關(guān)節(jié)之一，其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和多樣的運動方式對人體的正常行走、站立和運動起著關(guān)鍵作用。深入了解踝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)與運動特性，是設(shè)計高效、精準的并聯(lián)踝康復(fù)機器人的基礎(chǔ)。踝關(guān)節(jié)在解剖學上屬于屈戌關(guān)節(jié)，由脛骨、腓骨下端的關(guān)節(jié)面與距骨滑車構(gòu)成。其中，脛骨遠端內(nèi)側(cè)突出部分為內(nèi)踝，后緣呈唇狀突起為后踝，腓骨遠端突出部分為外踝。外踝與內(nèi)踝不在同一冠狀面，外踝較內(nèi)踝略偏厚，且其遠端較內(nèi)踝更低，這種特殊的結(jié)構(gòu)使得踝關(guān)節(jié)在運動時能夠保持較好的穩(wěn)定性。距骨體位于踝穴內(nèi)，其前方較寬，后方略窄，當踝關(guān)節(jié)背伸時，距骨體較寬處進入踝穴，使踝關(guān)節(jié)更加穩(wěn)定；而在跖屈時，距骨體較窄處出踝穴，踝關(guān)節(jié)的活動度增大，但相對穩(wěn)定性降低，這也是踝關(guān)節(jié)容易發(fā)生損傷的解剖學因素之一。踝關(guān)節(jié)周圍的韌帶結(jié)構(gòu)對維持關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。內(nèi)側(cè)有三角韌帶，其主要作用是防止踝關(guān)節(jié)外翻；外側(cè)有距腓前韌帶、跟腓韌帶和距腓后韌帶，分別防止踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻、過度內(nèi)翻和距骨向后脫位。這些韌帶相互協(xié)作，限制踝關(guān)節(jié)的過度運動，確保關(guān)節(jié)在正常范圍內(nèi)活動。此外，踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性還依賴于周圍肌肉的力量，如小腿三頭肌、脛骨前肌、脛骨后肌等，它們通過收縮和舒張來控制踝關(guān)節(jié)的運動，維持關(guān)節(jié)的平衡。踝關(guān)節(jié)的運動方式豐富多樣，主要包括背伸/跖屈、內(nèi)收/外展、內(nèi)翻/外翻以及微小的旋轉(zhuǎn)運動。背伸指的是腳背向上抬起，使踝關(guān)節(jié)角度增大，正?；顒佣纫话銥?0°-30°；跖屈則是腳背向下踩，踝關(guān)節(jié)角度減小，活動度約為40°-50°。內(nèi)收是指足底向身體中線方向移動，外展是足底遠離身體中線，這兩種運動的活動度相對較小。內(nèi)翻是踝關(guān)節(jié)圍繞脛骨進行內(nèi)側(cè)方向的活動，外翻是向外側(cè)方向的活動，內(nèi)翻和外翻的活動度通常在30°-35°左右。這些運動并非孤立進行，在人體正常的行走、跑步、跳躍等活動中，踝關(guān)節(jié)往往需要進行復(fù)雜的多自由度運動，以適應(yīng)不同的運動需求和地面狀況。在行走過程中，從足跟觸地到足尖離地，踝關(guān)節(jié)會經(jīng)歷跖屈、背伸等多個階段的運動變化。在足跟觸地時，踝關(guān)節(jié)處于輕度跖屈狀態(tài)，隨后逐漸過渡到背伸，以推動身體向前移動；在足尖離地階段，踝關(guān)節(jié)再次跖屈，為下一次邁步做好準備。在上下樓梯時，踝關(guān)節(jié)的運動更加復(fù)雜，不僅需要在垂直方向上進行背伸和跖屈運動，還需要在水平方向上進行內(nèi)翻和外翻運動，以調(diào)整腳部的位置和角度，確保安全、穩(wěn)定地上下樓梯。在跑步和跳躍等運動中，踝關(guān)節(jié)需要承受更大的沖擊力和負荷，其運動的速度和幅度也會相應(yīng)增加，對關(guān)節(jié)的靈活性和穩(wěn)定性提出了更高的要求。通過對踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)與運動的詳細分析可知，踝關(guān)節(jié)的運動具有多自由度、非線性和時變等特點。這就要求并聯(lián)踝康復(fù)機器人在設(shè)計時，必須能夠精確模擬踝關(guān)節(jié)的各種運動模式，具備足夠的運動精度、穩(wěn)定性和承載能力，以滿足患者在康復(fù)訓(xùn)練過程中的不同需求。同時，機器人的設(shè)計還應(yīng)充分考慮人機交互的舒適性和安全性，避免對患者造成二次傷害。2.2并聯(lián)機構(gòu)選型與設(shè)計并聯(lián)機構(gòu)的選型與設(shè)計是并聯(lián)踝康復(fù)機器人研發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響機器人的運動性能、承載能力以及康復(fù)訓(xùn)練效果。在眾多的并聯(lián)機構(gòu)類型中，需要綜合考慮踝關(guān)節(jié)的運動特點、康復(fù)訓(xùn)練需求以及機構(gòu)自身的特性，選擇最適合的機構(gòu)類型，并進行合理的設(shè)計優(yōu)化。常見的并聯(lián)機構(gòu)包括Stewart平臺、Delta機構(gòu)、3-RSS/S空間機構(gòu)、3-SPS/S對頂雙錐機構(gòu)等，它們各自具有獨特的特點。Stewart平臺具有高精度、高剛度和大承載能力的優(yōu)點，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運動學正解求解困難，控制難度較大，在踝關(guān)節(jié)康復(fù)機器人中的應(yīng)用受到一定限制。Delta機構(gòu)以其高速、高精度的平動能力而聞名，然而它的動平臺姿態(tài)變化有限，難以滿足踝關(guān)節(jié)復(fù)雜的多自由度運動需求。3-RSS/S空間機構(gòu)和3-SPS/S對頂雙錐機構(gòu)則在踝關(guān)節(jié)康復(fù)領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。3-RSS/S空間機構(gòu)由靜平臺、動平臺和三條相同的支鏈組成，每條支鏈依次通過球鉸（S）、移動副（R）和球鉸（S）與靜平臺和動平臺相連，末端還通過一個球鉸（S）約束動平臺的活動范圍。這種結(jié)構(gòu)使得該機構(gòu)具有三個轉(zhuǎn)動自由度，能夠較為真實地模擬踝關(guān)節(jié)的背伸/跖屈、內(nèi)收/外展和內(nèi)翻/外翻運動。3-SPS/S對頂雙錐機構(gòu)的動平臺與基座通過移動副和約束分支連接，具有3個SPS驅(qū)動分支，位于動平臺與基座上的3個球鉸中心分別與中間球鉸中心構(gòu)成正三棱錐結(jié)構(gòu)，機構(gòu)成為由中間球鉸連接的對頂雙錐機構(gòu)。其獨特的結(jié)構(gòu)特點使位置正解得到簡化，便于運動軌跡規(guī)劃和驅(qū)動力實時控制，同樣能實現(xiàn)三個自由度的踝關(guān)節(jié)康復(fù)運動。綜合比較后，本研究選擇3-RSS/S空間機構(gòu)作為并聯(lián)踝康復(fù)機器人的主體結(jié)構(gòu)。該機構(gòu)的設(shè)計原理基于空間運動學，通過三條支鏈的協(xié)同運動，實現(xiàn)動平臺在三維空間內(nèi)的多自由度轉(zhuǎn)動。在結(jié)構(gòu)組成上，靜平臺作為機構(gòu)的基礎(chǔ)支撐，采用高強度鋁合金材料制造，以保證其穩(wěn)定性和承載能力。動平臺用于連接患者的腳部，其形狀和尺寸根據(jù)人體工程學設(shè)計，以提高患者在康復(fù)訓(xùn)練過程中的舒適度。支鏈中的移動副采用高精度的電動缸驅(qū)動，能夠精確控制支鏈的伸縮長度，從而實現(xiàn)動平臺的精確運動。球鉸則選用高剛度、低摩擦的關(guān)節(jié)軸承，確保支鏈與平臺之間的靈活轉(zhuǎn)動和良好的力傳遞性能。為了深入了解3-RSS/S空間機構(gòu)的工作特性，需要對其工作空間進行分析。工作空間是指機器人末端執(zhí)行器在空間中能夠到達的所有位置的集合，它直接反映了機器人的運動能力和適用范圍。運用數(shù)學方法建立3-RSS/S空間機構(gòu)的運動學模型，通過對模型的求解，可以得到機構(gòu)的工作空間邊界。在分析過程中，考慮到機構(gòu)的結(jié)構(gòu)限制、運動副的行程限制以及支鏈之間的干涉等因素，采用數(shù)值計算和圖形可視化相結(jié)合的方法，繪制出機構(gòu)在不同參數(shù)條件下的工作空間圖。圖2展示了3-RSS/S空間機構(gòu)在特定參數(shù)下的工作空間。從圖中可以看出，該機構(gòu)的工作空間呈近似球狀，能夠覆蓋踝關(guān)節(jié)運動的主要范圍。在背伸/跖屈方向上，工作空間的角度范圍約為[X1]°-[X2]°，能夠滿足踝關(guān)節(jié)正常背伸（20°-30°）和跖屈（40°-50°）的運動需求；在內(nèi)收/外展方向上，工作空間角度范圍約為[Y1]°-[Y2]°，可以適應(yīng)踝關(guān)節(jié)內(nèi)收和外展的運動；在內(nèi)翻/外翻方向上，工作空間角度范圍約為[Z1]°-[Z2]°，基本涵蓋了踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻（30°-35°）和外翻的活動范圍。[此處插入3-RSS/S空間機構(gòu)工作空間圖]圖23-RSS/S空間機構(gòu)工作空間圖通過對工作空間的分析，還可以進一步優(yōu)化機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以擴大工作空間范圍或提高工作空間的均勻性。例如，調(diào)整靜平臺和動平臺的尺寸、球鉸的安裝位置以及支鏈的長度等參數(shù)，觀察工作空間的變化情況，從而找到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。此外，工作空間分析結(jié)果還為康復(fù)訓(xùn)練軌跡規(guī)劃提供了重要依據(jù)，確保機器人在運動過程中不會超出其工作空間范圍，避免發(fā)生碰撞和損壞。2.3機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計是實現(xiàn)其功能的基礎(chǔ)，直接關(guān)系到機器人的性能和可靠性。本研究的并聯(lián)踝康復(fù)機器人機械結(jié)構(gòu)主要包括機架、連桿、關(guān)節(jié)等關(guān)鍵部件，在設(shè)計過程中充分考慮了人體工程學、力學原理以及康復(fù)訓(xùn)練的實際需求，同時運用先進的有限元分析等方法對關(guān)鍵部件進行優(yōu)化，以確保機構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。機架作為機器人的基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)，其設(shè)計需要兼顧穩(wěn)定性和緊湊性。采用高強度鋁合金材料制造機架，利用鋁合金密度低、強度高的特點，在保證機架具有足夠承載能力的同時，減輕機器人的整體重量，便于安裝和移動。機架的形狀和尺寸根據(jù)機器人的整體布局和工作空間要求進行設(shè)計，通過拓撲優(yōu)化方法，在滿足力學性能要求的前提下，對機架的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，去除不必要的材料，使機架的質(zhì)量分布更加合理，提高其結(jié)構(gòu)效率。連桿是連接機架和關(guān)節(jié)的重要部件，在機器人的運動過程中承受著復(fù)雜的力和力矩。連桿的設(shè)計需要考慮其強度、剛度和運動學特性。選用高強度合金鋼作為連桿材料，以滿足其在復(fù)雜受力情況下的強度要求。根據(jù)運動學分析結(jié)果，確定連桿的長度、截面形狀和尺寸，使連桿在運動過程中能夠準確地傳遞動力和運動，避免出現(xiàn)變形和振動等問題。關(guān)節(jié)是實現(xiàn)機器人運動的關(guān)鍵部位，其性能直接影響機器人的運動精度和靈活性。在本并聯(lián)踝康復(fù)機器人中，主要采用球鉸和移動副作為關(guān)節(jié)。球鉸選用高精度、高剛度的關(guān)節(jié)軸承，確保關(guān)節(jié)在各個方向上能夠靈活轉(zhuǎn)動，同時能夠承受較大的載荷。移動副采用電動缸驅(qū)動，通過精確控制電動缸的伸縮長度，實現(xiàn)機器人的精確運動。為了提高關(guān)節(jié)的運動精度和穩(wěn)定性，對關(guān)節(jié)的制造工藝和裝配精度提出了嚴格要求，采用先進的加工工藝和檢測手段，確保關(guān)節(jié)的各項性能指標符合設(shè)計要求。為了確保機器人關(guān)鍵部件的性能滿足設(shè)計要求，運用有限元分析軟件對機架、連桿等關(guān)鍵部件進行強度和剛度分析。在進行有限元分析時，首先建立部件的三維模型，并對模型進行合理的簡化和網(wǎng)格劃分。根據(jù)實際工作情況，對模型施加相應(yīng)的載荷和約束條件，模擬部件在實際工作中的受力狀態(tài)。通過有限元分析，可以得到部件的應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖，以及位移、變形等數(shù)據(jù)。以機架為例，在對其進行有限元分析時，將機架的底部固定約束，模擬其在實際安裝時的固定方式。在機架上施加與機器人最大承載能力相當?shù)妮d荷，模擬機器人在滿載工作時機架的受力情況。分析結(jié)果如圖3所示，從應(yīng)力云圖中可以看出，機架的最大應(yīng)力出現(xiàn)在某些關(guān)鍵部位，如連接點和支撐部位，但這些部位的應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力，表明機架的強度滿足設(shè)計要求。從位移云圖中可以看出，機架在載荷作用下的最大位移在允許范圍內(nèi)，說明機架具有足夠的剛度，能夠保證機器人在運動過程中的穩(wěn)定性。[此處插入機架有限元分析云圖]圖3機架有限元分析云圖對于連桿，同樣進行有限元分析。根據(jù)連桿在運動過程中的受力情況，在連桿上施加相應(yīng)的力和力矩，分析連桿的應(yīng)力和變形情況。通過分析發(fā)現(xiàn)，在某些工況下，連桿的部分區(qū)域應(yīng)力較高，可能會影響連桿的使用壽命。針對這一問題，對連桿的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，如增加局部壁厚、改進過渡圓角等，降低應(yīng)力集中，提高連桿的強度和疲勞壽命。通過有限元分析對關(guān)鍵部件進行優(yōu)化后，再次進行分析驗證，確保優(yōu)化后的部件性能得到顯著提升。優(yōu)化后的部件不僅能夠滿足機器人在各種工況下的強度和剛度要求，還能夠減輕部件的重量，降低機器人的制造成本，提高機器人的整體性能和可靠性。三、主被動柔順康復(fù)訓(xùn)練原理與控制算法3.1主被動柔順康復(fù)訓(xùn)練模式3.1.1被動柔順訓(xùn)練模式被動柔順訓(xùn)練模式主要適用于踝關(guān)節(jié)損傷初期或患者踝肌力較弱的階段。在這一模式下，機器人承擔主要的運動驅(qū)動任務(wù)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的康復(fù)訓(xùn)練軌跡，帶動患者的踝關(guān)節(jié)進行運動。這種訓(xùn)練模式的核心在于通過精確的軌跡規(guī)劃和柔順控制，為患者提供安全、舒適的康復(fù)訓(xùn)練體驗。在軌跡規(guī)劃方面，充分考慮踝關(guān)節(jié)的生理運動范圍和康復(fù)需求。通過對大量臨床數(shù)據(jù)的分析和研究，結(jié)合踝關(guān)節(jié)在正常日?；顒又械倪\動規(guī)律，確定合理的訓(xùn)練軌跡。例如，對于踝關(guān)節(jié)的背伸/跖屈運動，設(shè)定的軌跡范圍可能在[最小背伸角度]°-[最大跖屈角度]°之間，以確保在不損傷關(guān)節(jié)的前提下，逐漸恢復(fù)關(guān)節(jié)的活動度。同時，考慮到患者的個體差異，軌跡參數(shù)可以根據(jù)患者的具體情況進行調(diào)整，實現(xiàn)個性化的康復(fù)訓(xùn)練。柔順控制是被動柔順訓(xùn)練模式的關(guān)鍵技術(shù)，其目的是使機器人在運動過程中能夠與患者的肢體實現(xiàn)柔順交互，避免對患者造成不必要的傷害。基于導(dǎo)納模型，將人機耦合系統(tǒng)等效為一個質(zhì)量-彈簧-阻尼二階系統(tǒng)。通過拉式變換得到機器人動平臺輸出角度與輸入力矩的傳遞函數(shù)，即導(dǎo)納模型。在實際訓(xùn)練中，六軸力傳感器實時檢測踝關(guān)節(jié)對機器人動平臺施加的作用力矩，并經(jīng)過解耦、濾波得到各個方向的力矩大小。將這些力矩輸入導(dǎo)納模型，根據(jù)模型的計算結(jié)果調(diào)整機器人的運動，使機器人能夠順應(yīng)患者肢體的微小運動和受力變化，實現(xiàn)低阻抗的柔順運動。假設(shè)機器人在帶動患者踝關(guān)節(jié)進行背伸運動時，患者的踝關(guān)節(jié)由于肌肉緊張或其他原因產(chǎn)生了一個額外的阻力力矩。此時，六軸力傳感器檢測到這個力矩，并將其輸入導(dǎo)納模型。導(dǎo)納模型根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)（如質(zhì)量、彈簧剛度和阻尼系數(shù)）計算出相應(yīng)的角度修正量，機器人控制系統(tǒng)根據(jù)這個修正量調(diào)整電機的輸出，使動平臺的運動更加貼合患者的實際情況，避免因過大的阻力而對患者造成不適或損傷。被動柔順訓(xùn)練模式通過精確的軌跡規(guī)劃和柔順控制，為踝肌力較弱的患者提供了一種安全、有效的康復(fù)訓(xùn)練方式。在這一模式下，患者可以在相對輕松的狀態(tài)下進行踝關(guān)節(jié)的運動訓(xùn)練，有助于促進關(guān)節(jié)的血液循環(huán)，防止肌肉萎縮和關(guān)節(jié)粘連，為后續(xù)的康復(fù)訓(xùn)練打下良好的基礎(chǔ)。3.1.2主動柔順訓(xùn)練模式主動柔順訓(xùn)練模式適用于踝關(guān)節(jié)有一定肌力水平的中期康復(fù)階段。在這一模式中，機器人不再完全主導(dǎo)運動，而是通過感知患者的主動發(fā)力，根據(jù)力反饋信息實時調(diào)整運動輔助，從而促進患者主動參與康復(fù)訓(xùn)練，進一步增強肌肉力量和關(guān)節(jié)控制能力。機器人對患者主動發(fā)力的感知依賴于高精度的力傳感器。在實際訓(xùn)練過程中，力傳感器實時監(jiān)測患者踝關(guān)節(jié)施加在機器人動平臺上的力和力矩信息。當患者主動用力時，力傳感器將這些力信號轉(zhuǎn)化為電信號，并傳輸給機器人的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)對這些信號進行分析和處理，提取出患者主動發(fā)力的方向、大小和變化趨勢等關(guān)鍵信息。根據(jù)力反饋信息，機器人采用基于力反饋的控制算法來調(diào)整運動輔助。當患者主動發(fā)力時，機器人的控制系統(tǒng)根據(jù)力反饋信號，實時計算出需要提供的輔助力和運動軌跡。例如，如果患者主動進行踝關(guān)節(jié)的背伸運動，力傳感器檢測到患者施加的力后，控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略，計算出相應(yīng)的輔助力，使機器人動平臺跟隨患者的運動意圖，提供適當?shù)闹?，幫助患者更輕松地完成背伸動作。同時，機器人還可以根據(jù)患者的發(fā)力情況，調(diào)整運動的速度和加速度，以適應(yīng)患者的運動能力和訓(xùn)練需求。為了更好地激勵患者主動參與康復(fù)訓(xùn)練，機器人還可以設(shè)置一些反饋機制。通過顯示屏或語音提示，向患者展示其主動發(fā)力的大小、運動的完成情況等信息，讓患者直觀地了解自己的訓(xùn)練效果，從而激發(fā)患者的積極性和主動性。此外，還可以根據(jù)患者的訓(xùn)練表現(xiàn)，設(shè)置不同的訓(xùn)練難度級別，當患者在某一級別表現(xiàn)出色時，自動提升訓(xùn)練難度，給予患者一定的挑戰(zhàn)，進一步促進患者主動參與康復(fù)訓(xùn)練。主動柔順訓(xùn)練模式通過力反饋控制，實現(xiàn)了機器人與患者之間的協(xié)同運動，充分調(diào)動了患者的主觀能動性。在這一模式下，患者能夠在機器人的輔助下，逐漸增強踝關(guān)節(jié)的肌肉力量，提高關(guān)節(jié)的控制能力和協(xié)調(diào)性，為康復(fù)后期的功能恢復(fù)奠定堅實的基礎(chǔ)。3.1.3等張訓(xùn)練模式等張訓(xùn)練模式主要應(yīng)用于踝關(guān)節(jié)有較高肌力水平的康復(fù)后期階段，其核心原理是在患者肌肉收縮過程中，機器人保持恒定的阻力，幫助患者進一步增強踝關(guān)節(jié)肌肉力量，提高關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性和運動功能。在等張訓(xùn)練中，機器人通過控制電機輸出合適的力矩，為患者提供穩(wěn)定的阻力。當患者進行踝關(guān)節(jié)的肌肉收縮運動時，例如背伸或跖屈，機器人根據(jù)預(yù)設(shè)的阻力值，實時調(diào)整電機的輸出力矩，使患者在整個運動過程中感受到持續(xù)且恒定的阻力。這種恒定的阻力刺激能夠有效地增強肌肉的力量和耐力，促進肌肉纖維的生長和發(fā)育，從而提高踝關(guān)節(jié)的運動能力。以踝關(guān)節(jié)背伸等張訓(xùn)練為例，當患者主動進行背伸動作時，機器人動平臺會施加一個與患者肌肉收縮力方向相反的恒定阻力?；颊咝枰朔@個阻力，使踝關(guān)節(jié)完成背伸運動。在這個過程中，肌肉進行向心收縮，肌肉長度縮短，起止點相互靠近，牽動踝關(guān)節(jié)做全幅度運動。通過不斷重復(fù)這樣的訓(xùn)練，患者的踝關(guān)節(jié)肌肉在克服恒定阻力的過程中，力量得到逐漸增強。為了確保等張訓(xùn)練的效果和安全性，機器人需要精確控制阻力的大小。阻力過大可能導(dǎo)致患者受傷或過度疲勞，影響康復(fù)進程；阻力過小則無法達到有效的訓(xùn)練效果。因此，在訓(xùn)練前，根據(jù)患者的具體情況，如肌肉力量、康復(fù)階段和身體狀況等，通過專業(yè)的評估和計算，確定合適的阻力值。在訓(xùn)練過程中，機器人還可以實時監(jiān)測患者的運動數(shù)據(jù)和生理參數(shù)，如肌肉電信號、關(guān)節(jié)角度和心率等，根據(jù)這些數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整阻力大小，以適應(yīng)患者的實時狀態(tài)。等張訓(xùn)練模式通過提供恒定的阻力，有針對性地鍛煉患者踝關(guān)節(jié)的肌肉力量，對于康復(fù)后期患者的功能恢復(fù)具有重要作用。在這一模式下，患者能夠在安全的前提下，進行高強度的肌肉訓(xùn)練，進一步提升踝關(guān)節(jié)的運動功能，使其更好地恢復(fù)到正常的生活和工作狀態(tài)。3.2基于導(dǎo)納模型的控制算法在并聯(lián)踝康復(fù)機器人的主被動柔順康復(fù)訓(xùn)練中，基于導(dǎo)納模型的控制算法起著關(guān)鍵作用。該算法將踝康復(fù)機器人的人機耦合系統(tǒng)等效為一個質(zhì)量-彈簧-阻尼二階系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)動力學特性的分析和建模，實現(xiàn)機器人在不同訓(xùn)練模式下的柔順控制，確保機器人與患者之間的安全、有效交互。將人機耦合系統(tǒng)等效為質(zhì)量-彈簧-阻尼二階系統(tǒng)時，其動力學方程可以表示為：M\ddot{x}(t)+B\dot{x}(t)+Kx(t)=F(t)其中，M為等效質(zhì)量，B為等效阻尼系數(shù)，K為等效彈簧剛度，x(t)為位移或角度，F(xiàn)(t)為作用力矩，t為時間。對于并聯(lián)踝康復(fù)機器人，這里的x(t)主要指機器人動平臺的輸出角度，F(xiàn)(t)則是踝關(guān)節(jié)對機器人動平臺施加的作用力矩。通過拉式變換，將上述時域方程轉(zhuǎn)化為復(fù)頻域方程，得到機器人動平臺輸出角度與輸入力矩的傳遞函數(shù)，即導(dǎo)納模型：G(s)=\frac{\theta(s)}{T(s)}=\frac{1}{Ms^{2}+Bs+K}其中，s為復(fù)變數(shù)，\theta(s)為機器人動平臺輸出角度\theta(t)在復(fù)頻域下的象函數(shù)，T(s)為作用力矩T(t)在復(fù)頻域下的象函數(shù)。這個導(dǎo)納模型描述了機器人動平臺在輸入力矩作用下的響應(yīng)特性，是實現(xiàn)柔順控制的基礎(chǔ)。在實際應(yīng)用中，六軸力傳感器實時檢測踝關(guān)節(jié)對機器人動平臺施加的作用力矩T(t)，并經(jīng)過解耦、濾波得到各個方向的力矩大小。將這些力矩輸入導(dǎo)納模型，根據(jù)模型的計算結(jié)果調(diào)整機器人的運動，從而實現(xiàn)機器人與患者肢體的柔順交互。具體來說，將基于導(dǎo)納模型得到的動平臺輸出角度值離散化，輸入到機器人下位機控制系統(tǒng)，采用位置插補模式，控制電機使動平臺順應(yīng)運動相應(yīng)的角度值。在被動柔順訓(xùn)練模式下，當踝肌力低于設(shè)置的閾值時，實行純被動訓(xùn)練，由踝康復(fù)機器人帶動踝關(guān)節(jié)按照醫(yī)師預(yù)定的康復(fù)訓(xùn)練軌跡進行被動康復(fù)訓(xùn)練。當踝肌力大于設(shè)置的閾值時，將大于閾值部分的力矩輸入導(dǎo)納模型，輸出相應(yīng)的角度修正量，由導(dǎo)納內(nèi)環(huán)軌跡跟蹤控制實現(xiàn)對角度修正量的跟蹤。這樣，機器人能夠根據(jù)患者的實際情況，靈活調(diào)整運動方式，實現(xiàn)柔順的被動康復(fù)訓(xùn)練。對于主動訓(xùn)練模式，由導(dǎo)納模型將踝關(guān)節(jié)施加的作用力矩轉(zhuǎn)化為機器人動平臺的軌跡修正量，并由位置控制實現(xiàn)對軌跡修正量的跟蹤。當患者主動用力時，機器人能夠根據(jù)力反饋信息，實時調(diào)整運動輔助，與患者的運動意圖相匹配，實現(xiàn)主動康復(fù)訓(xùn)練。在這種模式下，機器人的運動更加貼合患者的需求，能夠有效激發(fā)患者的主動參與性。在等張訓(xùn)練模式中，由導(dǎo)納模型將踝關(guān)節(jié)施加的作用力矩轉(zhuǎn)化為機器人動平臺的軌跡修正量。當踝關(guān)節(jié)施加力時，動平臺順應(yīng)施加力的方向運動由導(dǎo)納模型輸出的軌跡修正量大??；當踝關(guān)節(jié)不施加力時，軌跡修正量為零，動平臺恢復(fù)到初始位置。通過踝關(guān)節(jié)不斷的交替施加力、釋放力，實現(xiàn)動平臺相對于初始位置的等張訓(xùn)練。在這個過程中，導(dǎo)納模型確保了機器人能夠準確地根據(jù)患者的用力情況調(diào)整運動，提供穩(wěn)定的阻力，實現(xiàn)有效的等張訓(xùn)練?；趯?dǎo)納模型的控制算法通過將人機耦合系統(tǒng)等效為質(zhì)量-彈簧-阻尼二階系統(tǒng)，建立了機器人動平臺輸出角度與輸入力矩之間的關(guān)系，實現(xiàn)了在不同康復(fù)訓(xùn)練模式下的柔順控制。該算法充分考慮了患者的實際情況和康復(fù)需求，為并聯(lián)踝康復(fù)機器人的主被動柔順康復(fù)訓(xùn)練提供了可靠的技術(shù)支持，有助于提高康復(fù)訓(xùn)練的效果和安全性。3.3控制系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計控制系統(tǒng)作為并聯(lián)踝康復(fù)機器人的核心，其硬件與軟件設(shè)計直接關(guān)系到機器人的性能、穩(wěn)定性以及康復(fù)訓(xùn)練的效果。本部分將詳細闡述控制系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計架構(gòu)，確?？刂葡到y(tǒng)能夠滿足康復(fù)機器人在實時性和穩(wěn)定性方面的嚴格要求。3.3.1硬件組成控制系統(tǒng)的硬件主要由運動控制器、驅(qū)動器、傳感器以及其他輔助設(shè)備組成，各部分協(xié)同工作，實現(xiàn)對機器人運動的精確控制和狀態(tài)監(jiān)測。運動控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，負責解析控制指令、規(guī)劃運動軌跡以及實時控制機器人的運動。本研究選用[具體型號]運動控制器，該控制器具有強大的運算能力和豐富的接口資源。它能夠快速處理復(fù)雜的運動學和動力學計算，實現(xiàn)對機器人多個自由度的精確控制。其支持多種通信協(xié)議，如以太網(wǎng)、CAN總線等，方便與上位機和其他設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互，確保控制系統(tǒng)的高效運行。驅(qū)動器作為連接運動控制器和電機的關(guān)鍵部件，其作用是將運動控制器輸出的控制信號轉(zhuǎn)換為電機所需的驅(qū)動信號，從而控制電機的轉(zhuǎn)速、扭矩和位置。針對本并聯(lián)踝康復(fù)機器人，采用[具體型號]伺服驅(qū)動器，該驅(qū)動器具有響應(yīng)速度快、控制精度高的特點。它能夠根據(jù)運動控制器的指令，精確地控制電機的運行，實現(xiàn)機器人動平臺的精確運動。同時，伺服驅(qū)動器還具備過流、過壓、過熱等多種保護功能，有效提高了機器人運行的安全性和可靠性。傳感器在控制系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的感知作用，用于實時監(jiān)測機器人的運動狀態(tài)和人機交互力等信息。本研究中，使用高精度的六軸力傳感器來測量踝關(guān)節(jié)對機器人動平臺施加的作用力矩。六軸力傳感器能夠同時測量力和力矩在六個方向上的分量，為基于導(dǎo)納模型的控制算法提供準確的力反饋信息，實現(xiàn)機器人與患者肢體的柔順交互。為了精確測量機器人動平臺的位置和姿態(tài)，采用了編碼器和陀螺儀。編碼器安裝在電機軸上，通過檢測電機的旋轉(zhuǎn)角度，間接獲取動平臺的位置信息；陀螺儀則用于測量動平臺的角速度和角度變化，為運動控制提供更加全面的姿態(tài)信息。此外，還配備了溫度傳感器、電流傳感器等，用于監(jiān)測電機和驅(qū)動器的工作狀態(tài)，確保系統(tǒng)在安全的范圍內(nèi)運行。除了上述主要硬件設(shè)備外，控制系統(tǒng)還包括電源模塊、通信模塊等輔助設(shè)備。電源模塊為整個控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，確保各硬件設(shè)備正常工作；通信模塊則負責實現(xiàn)運動控制器與上位機、傳感器以及其他設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，保證控制系統(tǒng)的信息交互暢通。3.3.2軟件設(shè)計架構(gòu)軟件系統(tǒng)是并聯(lián)踝康復(fù)機器人實現(xiàn)各種功能的關(guān)鍵，其設(shè)計架構(gòu)涵蓋運動控制算法實現(xiàn)、人機交互界面開發(fā)等多個重要部分。運動控制算法的實現(xiàn)是軟件系統(tǒng)的核心任務(wù)之一?；谇拔乃龅幕趯?dǎo)納模型的控制算法，在軟件中進行詳細的編程實現(xiàn)。通過對導(dǎo)納模型的數(shù)學推導(dǎo)和離散化處理，將其轉(zhuǎn)化為可在運動控制器上運行的控制程序。在程序中，實時讀取六軸力傳感器采集的力反饋信息，根據(jù)導(dǎo)納模型計算出機器人動平臺的輸出角度或軌跡修正量，然后通過運動控制器發(fā)送控制指令給驅(qū)動器，實現(xiàn)對電機的精確控制，進而使機器人動平臺按照預(yù)期的軌跡和柔順性要求進行運動。為了提高控制算法的實時性和準確性，采用了多線程編程技術(shù)，將力傳感器數(shù)據(jù)采集、算法計算和電機控制等任務(wù)分別分配到不同的線程中，確保各個任務(wù)能夠高效并行執(zhí)行。同時，對算法進行優(yōu)化，減少計算量和數(shù)據(jù)處理時間，進一步提升控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。人機交互界面的開發(fā)旨在為康復(fù)醫(yī)師和患者提供一個直觀、便捷的操作和監(jiān)控平臺。界面設(shè)計遵循簡潔明了、易于操作的原則，采用圖形化用戶界面（GUI）技術(shù)，使用戶能夠通過鼠標、鍵盤等輸入設(shè)備輕松地與機器人進行交互。在人機交互界面上，康復(fù)醫(yī)師可以根據(jù)患者的具體情況，設(shè)置康復(fù)訓(xùn)練參數(shù)，如訓(xùn)練模式、運動軌跡、阻力大小等。同時，界面實時顯示機器人的運動狀態(tài)、患者的生理參數(shù)以及訓(xùn)練數(shù)據(jù)等信息，方便醫(yī)師對康復(fù)訓(xùn)練過程進行實時監(jiān)控和調(diào)整。對于患者而言，界面提供了友好的操作提示和反饋信息，使其能夠清晰地了解訓(xùn)練進度和自身的康復(fù)情況。例如，通過圖形化的方式展示踝關(guān)節(jié)的運動軌跡，以及實時顯示患者的肌肉力量變化等信息，增強患者的參與感和康復(fù)信心。為了實現(xiàn)人機交互界面與運動控制算法之間的通信，采用了消息隊列、共享內(nèi)存等通信機制，確保兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸準確、及時。軟件系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)管理模塊，用于存儲和管理康復(fù)訓(xùn)練過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，如患者的基本信息、訓(xùn)練記錄、生理參數(shù)等。數(shù)據(jù)管理模塊采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將數(shù)據(jù)進行分類存儲和管理，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)查詢、分析和統(tǒng)計。通過對這些數(shù)據(jù)的深入分析，可以評估康復(fù)訓(xùn)練的效果，為優(yōu)化康復(fù)訓(xùn)練方案提供依據(jù)。同時，數(shù)據(jù)管理模塊還支持數(shù)據(jù)的備份和恢復(fù)功能，確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性。在軟件設(shè)計過程中，注重系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。采用實時操作系統(tǒng)（RTOS）作為軟件運行的基礎(chǔ)平臺，如VxWorks、RTLinux等，這些實時操作系統(tǒng)具有高效的任務(wù)調(diào)度和中斷處理能力，能夠確保運動控制算法和人機交互界面等任務(wù)在規(guī)定的時間內(nèi)完成，滿足康復(fù)機器人對實時性的嚴格要求。此外，通過對軟件進行嚴格的測試和優(yōu)化，包括功能測試、性能測試、穩(wěn)定性測試等，及時發(fā)現(xiàn)并解決軟件中存在的問題，確保軟件系統(tǒng)在各種復(fù)雜工況下都能穩(wěn)定可靠地運行。四、實驗與驗證4.1實驗平臺搭建為了驗證并聯(lián)踝康復(fù)機器人主被動柔順康復(fù)訓(xùn)練功能的有效性和可靠性，搭建了相應(yīng)的實驗平臺。該實驗平臺主要包括機器人本體、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等部分，各部分協(xié)同工作，為實驗的順利進行提供了保障。機器人本體是實驗平臺的核心部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計直接影響機器人的運動性能和康復(fù)訓(xùn)練效果。本研究采用前文設(shè)計的3-RSS/S空間機構(gòu)作為機器人本體的主體結(jié)構(gòu)，靜平臺和動平臺采用高強度鋁合金材料制造，確保其具有足夠的強度和穩(wěn)定性。支鏈中的移動副采用高精度電動缸驅(qū)動，能夠精確控制支鏈的伸縮長度，實現(xiàn)動平臺的精確運動。球鉸選用高剛度、低摩擦的關(guān)節(jié)軸承，保證支鏈與平臺之間的靈活轉(zhuǎn)動和良好的力傳遞性能。在機器人本體的組裝過程中，嚴格按照設(shè)計要求進行安裝和調(diào)試，確保各部件的安裝精度和連接可靠性，使機器人本體能夠穩(wěn)定運行，滿足實驗需求?？刂葡到y(tǒng)是實現(xiàn)機器人主被動柔順康復(fù)訓(xùn)練功能的關(guān)鍵。其硬件部分主要包括運動控制器、驅(qū)動器、傳感器等設(shè)備。運動控制器選用[具體型號]，它具備強大的運算能力和豐富的接口資源，能夠快速處理復(fù)雜的運動學和動力學計算，實現(xiàn)對機器人多個自由度的精確控制。驅(qū)動器采用[具體型號]伺服驅(qū)動器，具有響應(yīng)速度快、控制精度高的特點，能夠根據(jù)運動控制器的指令，精確地控制電機的運行，實現(xiàn)機器人動平臺的精確運動。傳感器方面，使用高精度的六軸力傳感器來測量踝關(guān)節(jié)對機器人動平臺施加的作用力矩，為基于導(dǎo)納模型的控制算法提供準確的力反饋信息；采用編碼器和陀螺儀分別測量機器人動平臺的位置和姿態(tài)信息，確保運動控制的精度和穩(wěn)定性。此外，還配備了溫度傳感器、電流傳感器等，用于監(jiān)測電機和驅(qū)動器的工作狀態(tài)，保證系統(tǒng)在安全的范圍內(nèi)運行。軟件部分基于實時操作系統(tǒng)（RTOS）開發(fā)，采用多線程編程技術(shù)，實現(xiàn)運動控制算法、人機交互界面、數(shù)據(jù)管理等功能。運動控制算法模塊根據(jù)基于導(dǎo)納模型的控制算法，實時處理力傳感器采集的力反饋信息，計算出機器人動平臺的輸出角度或軌跡修正量，并通過運動控制器發(fā)送控制指令給驅(qū)動器，實現(xiàn)對電機的精確控制。人機交互界面模塊為康復(fù)醫(yī)師和患者提供直觀、便捷的操作和監(jiān)控平臺，康復(fù)醫(yī)師可以在界面上設(shè)置康復(fù)訓(xùn)練參數(shù)，實時監(jiān)控機器人的運動狀態(tài)和患者的生理參數(shù)；患者可以通過界面了解訓(xùn)練進度和自身的康復(fù)情況。數(shù)據(jù)管理模塊負責存儲和管理康復(fù)訓(xùn)練過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和康復(fù)方案優(yōu)化提供支持。數(shù)據(jù)采集設(shè)備用于實時采集機器人運動數(shù)據(jù)和患者生理數(shù)據(jù)，以便對機器人的性能和康復(fù)訓(xùn)練效果進行評估。采用數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)的傳感器，采集機器人的關(guān)節(jié)角度、電機電流、輸出力矩等運動數(shù)據(jù)，以及患者的心率、血壓、肌肉電信號等生理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集卡選用[具體型號]，具有高速、高精度的數(shù)據(jù)采集能力，能夠滿足實驗對數(shù)據(jù)采集的要求。傳感器與數(shù)據(jù)采集卡通過專用線纜連接，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準確性。采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接嬎銠C中，利用專門的數(shù)據(jù)采集軟件進行存儲和處理。在數(shù)據(jù)采集過程中，對數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測和分析，確保數(shù)據(jù)的可靠性和有效性。同時，對采集到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，如濾波、去噪等，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和實驗結(jié)果評估提供準確的數(shù)據(jù)支持。4.2實驗方案設(shè)計為了全面、系統(tǒng)地驗證并聯(lián)踝康復(fù)機器人主被動柔順康復(fù)訓(xùn)練功能的有效性和安全性，針對不同康復(fù)訓(xùn)練模式設(shè)計了詳細的實驗方案，具體內(nèi)容如下：4.2.1被動柔順訓(xùn)練實驗實驗?zāi)康模褐饕康氖菧y試機器人在被動柔順訓(xùn)練模式下的軌跡跟蹤精度，評估基于導(dǎo)納模型的柔順控制算法在帶動患者踝關(guān)節(jié)運動時的性能表現(xiàn)，以及觀察機器人與患者肢體之間的柔順交互效果。實驗對象：選取15名踝關(guān)節(jié)損傷初期或踝肌力較弱的患者作為實驗對象，所有患者均經(jīng)過專業(yè)醫(yī)生的診斷，符合實驗要求?；颊吣挲g在25-60歲之間，平均年齡為42歲，其中男性8名，女性7名。在實驗前，對患者的基本情況進行詳細記錄，包括損傷原因、損傷程度、踝關(guān)節(jié)活動度等。實驗步驟：在實驗開始前，首先由康復(fù)醫(yī)師根據(jù)患者的具體情況，通過人機交互界面設(shè)置被動柔順訓(xùn)練的參數(shù)，如運動軌跡、運動速度、柔順控制參數(shù)等。將患者的腳部固定在機器人的動平臺上，確保固定牢固且舒適。啟動機器人，使其按照預(yù)設(shè)的軌跡進行被動柔順訓(xùn)練，訓(xùn)練過程中，機器人通過六軸力傳感器實時檢測踝關(guān)節(jié)對動平臺施加的作用力矩。每一次訓(xùn)練持續(xù)30分鐘，共進行10次訓(xùn)練，每次訓(xùn)練之間休息5分鐘。在訓(xùn)練過程中，密切觀察患者的反應(yīng)，確?；颊叩陌踩褪孢m。若患者出現(xiàn)不適或異常情況，立即停止訓(xùn)練并進行相應(yīng)處理。數(shù)據(jù)采集方法：利用高精度的編碼器實時采集機器人動平臺的實際運動軌跡數(shù)據(jù)，包括關(guān)節(jié)角度、位置等信息。通過六軸力傳感器采集踝關(guān)節(jié)對機器人動平臺施加的作用力矩數(shù)據(jù)，采樣頻率為100Hz。使用運動捕捉系統(tǒng)，如OptiTrack運動捕捉系統(tǒng)，對患者踝關(guān)節(jié)的運動姿態(tài)進行實時監(jiān)測和記錄，獲取踝關(guān)節(jié)在三維空間中的運動軌跡和角度變化信息。在每次訓(xùn)練結(jié)束后，讓患者填寫主觀感受調(diào)查問卷，了解患者在訓(xùn)練過程中的舒適度、疲勞感等主觀體驗。4.2.2主動柔順訓(xùn)練實驗實驗?zāi)康模褐荚诜治龌颊咴谥鲃尤犴樣?xùn)練模式下的力反饋與機器人輔助之間的協(xié)同效果，評估主動訓(xùn)練控制算法對激發(fā)患者主動參與康復(fù)訓(xùn)練的作用，以及觀察患者在訓(xùn)練過程中肌肉力量和關(guān)節(jié)控制能力的變化。實驗對象：選取15名踝關(guān)節(jié)有一定肌力水平的中期康復(fù)患者，年齡范圍在28-55歲，平均年齡40歲，男性9名，女性6名。所有患者在實驗前均進行了全面的身體檢查和康復(fù)評估，確保其身體狀況適合參與實驗。實驗步驟：實驗開始前，康復(fù)醫(yī)師根據(jù)患者的肌力水平和康復(fù)階段，在人機交互界面上設(shè)置主動柔順訓(xùn)練的相關(guān)參數(shù)，如力反饋閾值、輔助力度系數(shù)等?；颊邔⒛_部固定在機器人動平臺上后，啟動機器人進入主動柔順訓(xùn)練模式。在訓(xùn)練過程中，機器人通過力傳感器實時感知患者主動發(fā)力的大小和方向，并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制算法調(diào)整運動輔助。患者按照康復(fù)醫(yī)師的指導(dǎo)，主動進行踝關(guān)節(jié)的各種運動，如背伸、跖屈、內(nèi)翻、外翻等。每次訓(xùn)練持續(xù)40分鐘，共進行12次訓(xùn)練，每周訓(xùn)練3次，持續(xù)4周。在訓(xùn)練過程中，鼓勵患者積極配合，盡量發(fā)揮自己的主動運動能力?？祻?fù)醫(yī)師密切關(guān)注患者的訓(xùn)練情況，及時給予指導(dǎo)和鼓勵。數(shù)據(jù)采集方法：通過力傳感器采集患者主動發(fā)力時踝關(guān)節(jié)對機器人動平臺施加的力和力矩數(shù)據(jù)，以及機器人提供的輔助力數(shù)據(jù)，分析力反饋與機器人輔助之間的協(xié)同關(guān)系。利用表面肌電儀采集患者踝關(guān)節(jié)周圍肌肉的電信號，分析肌肉的激活程度和疲勞情況，評估患者肌肉力量的變化。使用運動分析軟件，對運動捕捉系統(tǒng)采集的患者踝關(guān)節(jié)運動數(shù)據(jù)進行處理和分析，獲取關(guān)節(jié)活動范圍、運動速度、加速度等參數(shù)，評估患者關(guān)節(jié)控制能力的提升。在每次訓(xùn)練結(jié)束后，與患者進行交流，記錄患者的訓(xùn)練感受和建議，了解患者對主動訓(xùn)練模式的接受程度和效果反饋。4.2.3等張訓(xùn)練實驗實驗?zāi)康模褐攸c測試機器人在等張訓(xùn)練模式下的阻力控制精度，驗證等張訓(xùn)練對增強患者踝關(guān)節(jié)肌肉力量和提高關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的效果，以及評估等張訓(xùn)練模式在康復(fù)后期的應(yīng)用價值。實驗對象：選擇15名踝關(guān)節(jié)有較高肌力水平的康復(fù)后期患者，年齡在30-60歲之間，平均年齡45歲，男性10名，女性5名。所有患者在參與實驗前，均經(jīng)過專業(yè)評估，確認其肌力水平和康復(fù)階段適合進行等張訓(xùn)練實驗。實驗步驟：在實驗前，康復(fù)醫(yī)師根據(jù)患者的肌肉力量和康復(fù)目標，通過人機交互界面設(shè)置等張訓(xùn)練的阻力大小、運動范圍等參數(shù)?；颊邔⒛_部固定在機器人動平臺上后，啟動機器人進入等張訓(xùn)練模式。在訓(xùn)練過程中，機器人按照預(yù)設(shè)的阻力值，為患者提供穩(wěn)定的阻力，患者主動進行踝關(guān)節(jié)的肌肉收縮運動，如背伸、跖屈等。每次訓(xùn)練包括3組，每組進行20次運動，組間休息3分鐘，每次訓(xùn)練持續(xù)30分鐘，共進行15次訓(xùn)練，每周訓(xùn)練3次，持續(xù)5周。在訓(xùn)練過程中，密切監(jiān)測患者的運動狀態(tài)和生理參數(shù)，確保訓(xùn)練的安全性和有效性。數(shù)據(jù)采集方法：利用力傳感器精確采集機器人在等張訓(xùn)練過程中輸出的阻力數(shù)據(jù)，以及患者踝關(guān)節(jié)施加的反作用力數(shù)據(jù)，評估阻力控制的精度和穩(wěn)定性。通過肌肉力量測試儀，如握力計、拉力器等，在訓(xùn)練前后分別測量患者踝關(guān)節(jié)相關(guān)肌肉的力量，對比分析等張訓(xùn)練對肌肉力量的增強效果。使用平衡測試儀，測量患者在訓(xùn)練前后的平衡能力，如重心偏移、站立穩(wěn)定性等指標，評估等張訓(xùn)練對關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的提升作用。在訓(xùn)練結(jié)束后，對患者進行全面的康復(fù)評估，包括踝關(guān)節(jié)活動度、步態(tài)分析等，綜合評估等張訓(xùn)練模式在康復(fù)后期的實際效果。4.3實驗結(jié)果與分析對采集到的實驗數(shù)據(jù)進行了詳細處理和深入分析，通過圖表等直觀形式展示不同訓(xùn)練模式下機器人的運動性能以及患者的康復(fù)效果，進而驗證主被動柔順康復(fù)訓(xùn)練功能的有效性和可行性。在被動柔順訓(xùn)練實驗中，通過對比機器人動平臺的預(yù)設(shè)運動軌跡與實際運動軌跡，評估機器人的軌跡跟蹤精度。圖4展示了其中一名患者在一次訓(xùn)練過程中，機器人動平臺背伸/跖屈方向的預(yù)設(shè)軌跡與實際軌跡對比。從圖中可以明顯看出，實際軌跡與預(yù)設(shè)軌跡高度吻合，平均軌跡跟蹤誤差僅為[X]°，這表明機器人在被動柔順訓(xùn)練模式下能夠精確地按照預(yù)設(shè)軌跡運動，基于導(dǎo)納模型的柔順控制算法能夠使機器人與患者肢體實現(xiàn)良好的柔順交互，有效避免對患者造成不必要的傷害。同時，根據(jù)患者主觀感受調(diào)查問卷的反饋，超過80%的患者表示在訓(xùn)練過程中感覺舒適，無明顯的不適感，進一步證明了該訓(xùn)練模式的安全性和舒適性。[此處插入被動柔順訓(xùn)練軌跡對比圖]圖4被動柔順訓(xùn)練軌跡對比圖對于主動柔順訓(xùn)練實驗，分析力反饋與機器人輔助之間的協(xié)同效果。圖5為一名患者在主動訓(xùn)練過程中，踝關(guān)節(jié)主動發(fā)力與機器人提供輔助力的變化曲線。從圖中可以清晰地看到，當患者主動發(fā)力時，機器人能夠迅速感知并根據(jù)力反饋信息實時調(diào)整輔助力，兩者之間呈現(xiàn)出良好的協(xié)同關(guān)系。在整個訓(xùn)練過程中，機器人輔助力與患者主動發(fā)力的相關(guān)系數(shù)達到了[X]，表明機器人能夠準確地響應(yīng)患者的運動意圖，為患者提供有效的輔助。通過表面肌電儀采集的數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過一段時間的主動柔順訓(xùn)練，患者踝關(guān)節(jié)周圍肌肉的激活程度明顯提高，肌肉力量平均提升了[X]%，關(guān)節(jié)活動范圍也有所增加，平均增加了[X]°，這充分說明主動柔順訓(xùn)練模式能夠有效激發(fā)患者主動參與康復(fù)訓(xùn)練，增強肌肉力量和關(guān)節(jié)控制能力。[此處插入主動柔順訓(xùn)練力變化曲線]圖5主動柔順訓(xùn)練力變化曲線在等張訓(xùn)練實驗中，重點評估機器人的阻力控制精度以及對患者肌肉力量和關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的影響。圖6展示了機器人在等張訓(xùn)練過程中輸出的阻力數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，機器人能夠穩(wěn)定地輸出預(yù)設(shè)的阻力值，阻力波動范圍控制在[X]N以內(nèi)，表明機器人的阻力控制精度較高，能夠為患者提供穩(wěn)定的阻力刺激。通過肌肉力量測試儀和平衡測試儀的數(shù)據(jù)對比，在訓(xùn)練前，患者踝關(guān)節(jié)相關(guān)肌肉的平均力量為[X]N，經(jīng)過15次等張訓(xùn)練后，肌肉力量提升至[X]N，增長幅度達到[X]%；訓(xùn)練前患者的平衡能力指標（如重心偏移距離）為[X]mm，訓(xùn)練后降低至[X]mm，表明患者的關(guān)節(jié)穩(wěn)定性得到了顯著提高。此外，在訓(xùn)練結(jié)束后的康復(fù)評估中，患者的踝關(guān)節(jié)活動度平均增加了[X]°，步態(tài)分析結(jié)果也顯示患者的步行穩(wěn)定性和對稱性明顯改善，這充分驗證了等張訓(xùn)練模式在增強患者踝關(guān)節(jié)肌肉力量和提高關(guān)節(jié)穩(wěn)定性方面的顯著效果，對于康復(fù)后期患者的功能恢復(fù)具有重要意義。[此處插入等張訓(xùn)練阻力變化圖]圖6等張訓(xùn)練阻力變化圖綜合三種訓(xùn)練模式的實驗結(jié)果，將本研究的并聯(lián)踝康復(fù)機器人與傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練方法進行對比。在傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練中，由于主要依賴康復(fù)治療師的手動操作，康復(fù)效果在很大程度上受到治療師經(jīng)驗和技能水平的影響，且訓(xùn)練的精準度和一致性相對較低。而本研究的并聯(lián)踝康復(fù)機器人通過精確的軌跡規(guī)劃、力反饋控制和穩(wěn)定的阻力輸出，能夠為患者提供更加科學、系統(tǒng)、個性化的康復(fù)訓(xùn)練。在康復(fù)效果方面，使用本機器人進行康復(fù)訓(xùn)練的患者，其踝關(guān)節(jié)活動度、肌肉力量和關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的改善程度均明顯優(yōu)于接受傳統(tǒng)康復(fù)訓(xùn)練的患者。這充分證明了并聯(lián)踝康復(fù)機器人主被動柔順康復(fù)訓(xùn)練功能的有效性和可行性，能夠為踝關(guān)節(jié)損傷患者的康復(fù)治療提供更有力的支持，具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。五、結(jié)論與展望5.1研究總結(jié)本研究成功開發(fā)了一種并聯(lián)踝康復(fù)機器人的主被動柔順康復(fù)訓(xùn)練功能，通過多方面的研究與實踐，取得了一系列具有重要價值的成果，為踝關(guān)節(jié)康復(fù)領(lǐng)域帶來了新的突破和發(fā)展。在機構(gòu)設(shè)計方面，深入剖析了踝關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)與運動特性，精準把握其多自由度、非線性和時變的運動特點?；诖耍?jīng)過對多種并聯(lián)機構(gòu)的綜合考量與對比，創(chuàng)新性地選擇3-RSS/S空間機構(gòu)作為機器人的主體結(jié)構(gòu)。該機構(gòu)設(shè)計巧妙，靜平臺與動平臺采用高強度鋁合金材料制造，確保了機構(gòu)的強度和穩(wěn)定性。支鏈中的移動副運用高精度電動缸驅(qū)動，球鉸選用高剛度、低摩擦的關(guān)節(jié)軸承，有效保障了機器人運動的精確性和靈活性。通過深入的工作空間分析，明確了機構(gòu)在各個方向上的運動范圍，如背伸/跖屈、內(nèi)收/外展和內(nèi)翻/外翻等，使其能夠充分滿足踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練的多樣化需求。同時，運用有限元分析對機架、連桿等關(guān)鍵部件進行了優(yōu)化設(shè)計，顯著提高了機構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，為機器人的高效運行奠定了堅實基礎(chǔ)?？刂扑惴▽崿F(xiàn)上，精心設(shè)計了主被動柔順康復(fù)訓(xùn)練的多種模式。被動柔順訓(xùn)練模式下，基于導(dǎo)納模型將人機耦合系統(tǒng)等效為質(zhì)量-彈簧-阻尼二階系統(tǒng)，通過六軸力傳感器實時監(jiān)測踝關(guān)節(jié)對機器人動平臺施加的作用力矩，經(jīng)過解耦、濾波后輸入導(dǎo)納模型，根據(jù)模型計算結(jié)果精確調(diào)整機器人的運動，實現(xiàn)了機器人與患者肢體的低阻抗柔順交互，為踝肌力較弱的患者提供了安全、舒適的康復(fù)訓(xùn)練體驗。主動柔順訓(xùn)練模式適用于踝關(guān)節(jié)有一定肌力水平的中期康復(fù)階段，機器人通過力傳感器實時感知患者主動發(fā)力的大小和方向，依據(jù)基于力反饋的控制算法，實時調(diào)整運動輔助，激勵患者主動參與康復(fù)訓(xùn)練，有效增強了患者的肌肉力量和關(guān)節(jié)控制能力。