引言

人體下肢支撐著人的身體,擔負著行走的功能,在日常生活中發(fā)揮著重要的作用,人體下肢康復訓練機器人的研究具有重要的理論意義和實際應用價值,已成為康復機器人領域的研究熱點。

目前,下肢步態(tài)康復訓練機器人大多采用機械外骨骼結構或者踏板結構實現(xiàn)康復運動,或者通過驅(qū)動人體盆骨來校正人體步態(tài)。采用外骨骼結構的步態(tài)康復機器人如Lokomat步態(tài)康復訓練機器人,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)矯正器為外骨骼結構,每條外骨骼具有兩個自由度,可實現(xiàn)髖關節(jié)和膝關節(jié)在矢狀面內(nèi)的運動。秦濤等設計的踏板式步態(tài)康復訓練機器人,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、踝關節(jié)姿態(tài)控制以及跖趾關節(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)康復訓練的方式,此系統(tǒng)由體重支撐系統(tǒng)、盆骨運動系統(tǒng)和步行臺構成,盆骨運動系統(tǒng)在人體左右兩側各有一個運動單元,每個運動單元由兩個相互垂直的滑軌構成,機器人通過臀部連接支架與患者相連,應用線性電機作為執(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節(jié),且結構相對簡單,但是通常需要與步行臺配合使用實現(xiàn)康復訓練,并且康復訓練過程中步行臺會對人體的步態(tài)產(chǎn)生一定的影響。踏板結構雖然不需要使用步行臺,但由于其不能直接驅(qū)動下肢關節(jié),所以使用中難以使患者下肢各關節(jié)按一定的步態(tài)參數(shù)進行康復訓練。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訓練效果,但是需要步行臺配合進行康復訓練,并且與踏板結構類似,此種方式也不能直接驅(qū)動下肢關節(jié)。

根據(jù)偏癱患者步態(tài)康復訓練的需要,現(xiàn)設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)康復訓練裝置,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,當患者患肢能夠自主運動時,患肢側外骨骼系統(tǒng)跟隨患者患肢運動,不對患肢運動產(chǎn)生影響。當患肢的運動參數(shù)與健肢相關參數(shù)產(chǎn)生的誤差超出許可值時,患肢側外骨骼系統(tǒng)帶動患肢運動,幫助患者完成康復訓練。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)康復訓練機器人結構

本文所設計的步態(tài)康復訓練機器人機構包括腋下支撐機構、患肢側外骨骼機構以及健肢側機構,如圖l所示。

康復訓練時,腋下支撐機構支撐于患者的腋下,支撐人體部分體重,以減輕下肢的負擔?；贾珎韧夤趋罊C構安裝有伺服電機,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外骨骼間的相互作用力。健肢側機構能夠檢測人體步態(tài)參數(shù),以健肢的各關節(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。

康復機器人的整體結構采用對稱結構,進行康復訓練時,患肢為左腿的偏癱患者進行康復訓練時面向A向,而B向可為患肢為右腿的偏癱患者進行康復訓練,只需要更換腳部部件,患者從不同的方向進入,康復訓練機器人就可為具有不同患肢的患者提供康復訓練。

2各部分結構與功能

2.1腋下支撐機構

腋下支撐結構用以承擔患者部分體重,同時起到固定人體軀干的作用,其結構示意圖如圖2所示。

圖2腋下支撐機構

腋下支撐機構具有兩個自由度,可以在水平方向和垂直方向進行手動調(diào)節(jié),以適應不同的患者。水平方向調(diào)節(jié)機構采用了絲杠螺母傳動機構,垂直方向調(diào)節(jié)結構采用了絲杠螺母與渦輪蝸桿相結合的傳動機構,以實現(xiàn)自鎖。

2.2患肢側外骨骼機構

患肢側外骨骼機構要能夠帶動患者患肢實現(xiàn)矢狀面內(nèi)的運動,患肢側外骨骼結構如圖3所示。

圖3康復機器人患肢側外骨骼結構

1一踝關節(jié)軸2一膝關節(jié)軸3一髖關節(jié)軸4一髖關節(jié)電機

5一膝關節(jié)電機6一大腿連接裝置7一踝關節(jié)電機

8一小腿連接裝置9一腳部支撐及檢測裝置

患肢側外骨骼包括三個關節(jié):髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)。髖關節(jié)通過支撐機構和連接機構固定于架體上。髖關節(jié)結構為:髖關節(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,錐齒輪帶動髖關節(jié)軸3運動,進而帶動外骨骼大腿部分運動。膝關節(jié)、踝關節(jié)與髖關節(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位于兩個連桿中間,既增加了結構的強度,又提高了安全性。

患肢側外骨骼設計中,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構相同,其結構如圖4所示。

圖4腿部連接裝置

連接裝置前后方向各設計內(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)側裝有壓力傳感器,用來測量患者腿部與康復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,所設計的腳部連接裝置如圖5所示。

圖5腳步支撐及檢測裝置

在踏板中后部設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,進行康復訓練時,患者腳的前部放在檢測機構中間。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健肢側機構

健肢側機構包括三自由度外骨骼式關節(jié)運動參數(shù)檢測裝置、具有平面四桿結構的原地步行機構,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節(jié)運動參數(shù)檢測裝置結構如圖7所示,該結構具有3個自由度,髖、膝、踝關節(jié)各有1個旋轉自由度。每個關節(jié)各裝有1個角位移傳感器,測量各個關節(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訓練時的參考依據(jù),另一方面為原地步行機構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訓練模式。固定式康復訓練裝置在康復訓練中,需要為患者健肢提供模擬地面的平臺。

外骨骼式康復訓練設備,其髖關節(jié)固定,人體下肢支撐相(A1一B1一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訓練時,感覺如地面上行走一樣,設計了具有平行四邊形結構的原地步行機構,其運動簡圖如圖9所示。A軸為平行四邊形機構的驅(qū)動軸,進行康復訓練時,A軸與健肢髖關節(jié)軸線重合,AB為機架,AD的長度與人體髖關節(jié)到腳底部的長度相等,在支撐相,腳部與桿CD接觸,在9取值范圍內(nèi),桿CD始終與地面平行?？刂扑臈U機構的運動,在整個步態(tài)周期內(nèi),使踝關節(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跟隨患者健肢運動,在支撐相后半段,四桿機構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。

圖9原地步行機構運動簡圖

本文所設計的原地步行機構如圖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,伺服電機與旋轉式磁流變阻尼器聯(lián)合使用,可為平面四桿機構的運動提供驅(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。

圖10原地步行機構

康復訓練過程中,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,其作用相當于聯(lián)軸器,伺服電機根據(jù)下肢關節(jié)運動參數(shù)機構與原地步行機構間相互作用力,驅(qū)動原地步行機構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。

為了檢測健肢關節(jié)運動參數(shù)裝置與原地步行機構間相互作用力,在其間設置了力檢測裝置,如圖11所示。

圖11力檢測裝置

該裝置主要由外框、彈簧、導桿以及壓力傳感器等部件組成。運動過程中,鍵肢帶動踝關節(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,使原地步行機構跟隨健肢運動。

3結語

本文設計了具有原地步行功能的下肢步態(tài)康復訓練機器人機構,患肢側外骨骼三個自由度可以實現(xiàn)人體下肢的髖關節(jié)的屈/伸、膝關節(jié)的屈/伸、踝關節(jié)的屈/伸運動,與人體連接裝置中的壓力傳感器可以感知人體與機器人間的相互作用力。健肢側機構中的健肢運動參數(shù)檢測裝置可以檢測患者健肢髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)的運動,建立步態(tài)模型后可以作為患肢運動的參考,原地步行機構具有平行四邊形結構,能夠較好地模擬地面,并能夠為患者健肢提供足底反力。所設計的外骨骼式步態(tài)康復訓練機器人可以較好地為偏癱患者提供康復訓練功能。