下肢康复器设计与分析

高定刚 马昕 戴志杰 黄加张 王晨

1 同济大学磁浮交通工程技术研究中心 （上海 201804）

2 上海市复旦大学附属华山医院 （上海 200040）

3 上海致微医疗器械有限公司 （上海 201907）

在我国，随着人民生活水平的提高和人口老龄化的进程，发病与生活方式及年龄相关的脑血管疾病、神经系统疾病患者也随之增长，这类患者容易出现脑中风而无法正常行走[1]。另外，因交通运输、工程建设等事故造成神经损伤或者肢体损伤的人数越来越多。医学理论和临床医学证明，除了早期的手术治疗和必要的药物治疗外，正确、科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复有非常重要的作用[2]。

目前，对于下肢康复训练的基本方法是理疗师对患者进行“手把手”的训练，这种康复训练周期长、费用高，患者经常因不能承担昂贵的医疗护理费用而停止康复训练。能够替代上述疗法的康复设备对于临床康复意义重大，但目前康复器设备国内处于技术研发阶段，还没有形成产品，国外康复设备开发也主要针对高端康复市场，产品完全智能化，价格昂贵[3]。因此，开拓便捷、经济的康复训练设备成为业界研究焦点。本文主要就下肢康复器设计、功能模式、机构优化等做一探讨，通过简洁的结构实现下肢康复设备的多种康复功能，同时，重点解决髋关节的屈伸运动问题。

1.人体下肢结构及运动

人体下肢骨分为下肢带骨和自由下肢骨。下肢带骨即髋骨，自由下肢骨包括股骨、髌骨、胫骨、腓骨及跗骨、跖骨和趾骨。下肢运动主要是髋、膝、和踝三个关节运动的合成结果[4]。作为普通人群而言，人体各个部位长度存在一定的比例，人体总高H，则髋关节至地面为0.530H，膝关节至地面0.285H，踝关节至地面0.039H。因此，大腿长度为0.245H，小腿长度为0.246H。为了康复器设备能够满足更大范围人群的使用，康复器关键部位的尺寸需要能够调节[4]。另外，人在正常步行的时候，髋关节摆动范围30˚向前弯屈和20˚向后伸展。

2.下肢康复器设计

一个下肢主要的自由度包括：髋关节3个自由度，膝关节1个自由度，踝关节3个自由度。在这些自由度中，大腿的屈伸是走行的基础，膝关节和踝关节屈伸是次要自由度。

2.1 总体结构

下肢康复器装置，包括：腰部结构、腰部辅助支撑机构、电动推杆系统、控制器及电源模块、腿部支撑及其他附件。见图1。

腰部结构包括：主体结构、竖向安装基础、横向安装基础、绑扎带，主结构采用高分子材料；竖向安装基础安装在主体结构两侧；横向安装基础安装主体结构上，起到增加主体结构刚度以及提供安装基础的作用；绑扎带安装在竖向安装基础上，把结构绑扎到身体上。

腰部辅助支撑机构通过髋关节解锁装置与腿形成解开或锁闭，完成对髋关节运动的释放或约束。

电动推杆系统分别与大腿及腰部的横向安装基础铰接，通过电机的转动实现推杆的伸缩。

控制器包括运算与通信模块、数据采集模块和控制输出模块；电源模块是对电动推杆系统以及控制器供电。

腿部支撑结构，包括：大腿、小腿、大腿与小腿锁定机构。大腿与小腿正常情况下为1个自由度的转动，可通过对大腿与小腿锁定机构的解开以及锁闭，实现小腿和大腿铰接或固接。

图1. 方案结构

图2. 无源保护模式走行姿态

图3. 有源辅助模式

2.2 康复训练模式

2.2.1 无源保护模式

解锁电动推杆系统与结构的连接。锁定髋关节锁销，使腿与腰部辅助支撑机构形成固接，腰部辅助支撑机构产生作用。在直立状态下，由于腰部辅助支撑机构左右对称性，身体的前倾及后仰都会受到约束。行走状态下，由于腰部辅助支撑机构的限制，迈出腿与腰部只能一起运动，不会发生相对转动。因此，康复机构不但垂向支撑了身体重量，而且增加了腰部与腿部的保护，更有利于康复患者的走行康复训练。另外，大腿与小腿锁定机构，可以锁闭，大腿与小腿转动自由度锁定，更有利于康复患者的支撑。无源保护模式走行姿态见图2。

2.2.2 无源无保护模式

解锁电动推杆系统与结构的连接，解锁髋关节锁销，使驱动机构以及腰部辅助支撑机构都不发生作用。腰部和大腿之间形成完全自由的转动自由度。康复患者的身体重量由康复器支撑，但是运动关节之间的运动控制完全由患者掌握。另外，根据实际需要调节大腿与小腿锁定机构，形成转动和锁定两种状态。这种模式给患者更大的运动自由度，比较适合康复后期的训练。

2.2.3 有源辅助模式

采用电机带动丝杠方式传动，这种方式技术成熟、运动精度高、经济性好。考虑“仿生”因素，驱动器布置需要考虑肌肉在人腿上相对位置。选择身体支撑距离150mm，大腿支架位置300mm的位置点作为驱动结构的安装位置，因此初始驱动结构长度335.4mm。有源辅助模式下，解锁电动推杆系统与结构的连接，解锁髋关节锁销。康复器为患者提供垂向支撑、腰部转动保护、向前运动的驱动力（见图3）。

3.结构分析

有限元模型强度分析，采用ANSYS软件建模。在所有载荷中，人体的垂向支撑是最主要的载荷，考虑人体处于单腿支撑状态作为分析工况，支撑重量考虑981N。由于载荷主要通过单边传递，采用一半模型建模，结构采用Shell181，连接部分采用Beam188划分网格[5]。其材料参数见表1。

在模型中加载981 N竖直向下的载荷，踝关节是与地面相接触的部位，踝关节采用全约束。限制其x、y、z 3个方向的自由度[6]。

表1. 材料参数表

结论：与身体结合的尼龙结构是一个开口结构，其刚度对支撑铝合金结构有较大影响，初始设计尼龙厚度为3mm，其结构变形较大，导致结构应力达到105MPa。增加尼龙厚度到5mm，支撑铝合金结构应力下降到83MPa。因此，尼龙厚度选用5mm。优化后，铝合金应力为83MPa远小于铝合金的屈服强度260MPa，支撑结构强度满足要求；尼龙结构局部应力17MPa也小于抗弯曲强度为67MPa，尼龙结构强度满足要求。见图4～7。

图4. 结构变形（尼龙厚度3mm）

图5. 结构Von Mises应力（尼龙厚度3mm）

图6. 结构Von Mises应力（尼龙厚度5mm）

图7. 尼龙Von Mises应力（尼龙厚度5mm）

4.小结

本研究完成了下肢康复器设计，并且实现了多功能要求，包括无源保护模式、无源无保护模式及有源辅助模式，能满足不同康复患者需求以及不同阶段的康复计划；通过结构强度以及刚度分析，对系统结构进行了优化，优化后的结构满足强度要求；康复器结构简洁、轻便，实用性、经济性较好。

[1] 尹军茂. 穿戴式下肢外骨骼机构分析与设计[D]. 北京: 北京工业大学,2010.

[2] 吕广明, 孙立宁, 彭龙刚. 康复机器人技术发展现状及关键技术分析[J]. 哈尔滨工业大学学报,2004,36(9):1224-1227.

[3] 史小华, 王洪波, 等. 外骨骼型下肢康复机器人结构设计与动力学分析[J]. 机械工程学报,2014,50(3):41-48.

[4] 牛彬. 可穿戴式的下肢步行外骨骼控制机理研究与实现[D]. 浙江: 浙江大学,2006.

[5] 王新敏, 李义强, 许宏伟.ANSYS 结构分析单元与应用[M]. 北京: 人民京交通出版社,2011.

[6] 赵彦峻, 葛文庆, 刘小龙, 等. 外骨骼机器人设计及其机械结构的有限元分析[J]. 机床与液压,2016,44(3):10-13.