卧式下肢康复机器人的设计与研究

张禹 刘林

摘要：针对人体下肢运动能力受损患者，研制了一种新型躺式下肢康复机器人。采用定轨式模拟椭圆形步态轨迹，进行康复训练。应用UG建模，进行了运动学分析和ADAMS仿真，验证了机构设计的可行性，具有一定的研究意义。

关键词：康复机器人；建模；分析；仿真

引言

康复机器人的设计与研究是针对人体肢体出现功能障碍的患者，辅助性帮助患者患肢完成各种运动功能的恢复训练，使其最大程度地恢复或代偿原有功能，从而提高他们的独立生活能力 [1]。

1.整体结构建模

经研究得出，人体实际步态轨迹为近似椭圆轨迹，当患者进行完全或足够接近正常步态的训练时，才能够得到有效的康复训练[2]。综合各方面研究分析，初定了整体方案，并进行了UG建模。

该康复机构的主要组成为：步态运动机构，动力传输机构，驱动制动器和支撑机构。康复训练方式采用被动式牵引和主动式蹬踏两种训练模式。当进行被动式训练时，采用伺服电机提供动力，经带传动，将动力传输到步态运动机构，由步态运动机构带动人体下肢进行康复训练。当进行主动式训练时，由人体下肢推动步态运动机构，经带传动机构与制动器相连，达到阻尼训练目的。

2.运动学分析与仿真

该步态运动机构由两套相位差为180度且由一根主轴联结起来的相同单侧结构组成。其主运动部件的构成构件有：杆，滑块和凸轮导轨。

人体下肢与步态机构的联合模拟模型简图，如图1。图中点A，B，C分别代表人体下肢的，髋、膝、踝关节点。杆AB代表人体大腿，BC为小腿，CO为人体踝关节到驱动轴心距离，OA为驱动轴轴心到人体髋关节点的距离。其中约束条件有，点A为固定点，杆AB绕点A转动，构成髋关节转动副；杆AB和BC铰接于B点，构成膝关节转动副。BC与CO铰接于点C，构成踝关节转动副。当运动机构工作时，给予杆OA一个角速度输入量ω，杆OC繞定点O点进行周转运动，同时带动滑块沿杆L3做滑动副运动，C点由于轨迹约束，为沿已定的椭圆轨迹运动。其中角α为髋关节关节角，β为膝关节关节角，γ为踝关节关节角。

两式联立即可解得AB、BC杆的角速度 、 。

2.2 运动学仿真

2.2.1 踝关节的速度仿真

将仿真模型导入到ADAMS软件中，进行参数化设定求解。根据仿真分析需求，设定60o/S和120o/S两种角速度输入。测得踝关节速度变化，如图2示。

图中左纵坐标代表速度，横坐标代表时间，实线代表速度变化。60o/S时，速度变化在0.1-0.15m/s之间； 120o/S时，速度变化0.2-0.3m/s之间。即不同输入时，速值不同，但按一定规律变化，且变化较平缓，变化幅值在人体步速可控范围内。

2.2.2 踝关节的加速度仿真

如示图2，右纵坐标代表加速度，横坐标代表时间，虚线代表加速度变化。60o/S时，加速度值小于0.45m/s2， 120o/S时，加速度值小于1.7m/s2。总体来说，加速度按规律变化，变化较平缓且波动性不大，即加速度仿真结果满足预期设计要求。

3.结论

本文设计了一款新型下肢康复机器人，并进行了建模和运动学分析仿真，验证了康复机构的可行性。

下一阶段将通过分析各关节角变化规律，进行工作空间研究。由于康复机器人还处于探索与试验阶段，还有许多有待解决和改进的地方，希望本文对康复机器人的设计与研究带来一定的启发意义。

参考文献：

[1]倪俊瑜.下肢康复训练机器人[J].中国伤残医学， 2010， 19（1）：127-128.

[2]夏昊昕，张立勋，王岚.下肢康复训练机器人[J].应用科技，2004，31（2）： 4-7.