引言

人體下肢支撐著人的身體,擔(dān)負(fù)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。秦濤等設(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l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(fù)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。

圖2腋下支撐機構(gòu)

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。

圖3康復(fù)機器人患肢側(cè)外骨骼結(jié)構(gòu)

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

5一膝關(guān)節(jié)電機6一大腿連接裝置7一踝關(guān)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(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。患者在大腿和小腿及腳部與機器人相連,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。

圖4腿部連接裝置

連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。

圖5腳步支撐及檢測裝置

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(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9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。

圖9原地步行機構(gòu)運動簡圖

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。

圖10原地步行機構(gòu)

康復(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。

圖11力檢測裝置

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)人體下肢的髖關(guān)節(jié)的屈/伸、膝關(guān)節(jié)的屈/伸、踝關(guān)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(cè)機構(gòu)中的健肢運動參數(shù)檢測裝置可以檢測患者健肢髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)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(gòu)具有平行四邊形結(jié)構(gòu),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(shè)計的外骨骼式步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機器人可以較好地為偏癱患者提供康復(fù)訓(xùn)練功能。