踝关节康复机器人的结构设计研究

吉林农业科技学院机械与土木工程学院 刘浩 常影 宋佳宇 喻仟龙 张洋

1 引言

在日常运动中往往会有踝关节扭伤，是骨科临床常见的运动伤害，踝关节扭伤治疗的不及时或不彻底，将会引起踝关节韧带松弛，发生反复扭伤概率变大，最终可能引起踝关节功能障碍。踝关节的康复训练有助于患者踝关节运动功能的恢复，传统的踝关节康复训练主要由医师进行接触式的康复训练，患者处于被动，而且方式简单，治疗效果不明显，训练周期较长。随着机器人技术在康复医学领域的研发和临床应用，踝关节康复机器人将代替传统康复医师对患者进行踝关节康复训练，从而更好地提高患者的康复质量等问题。

美国Rutgers大学设计了一个踝关节康复平台，该平台基于Stewart平台的“Rutgers踝”，如图下1所示。该系统有6个自由度，主要是由固定两个平台以及可伸缩的支链构成，该系统可以实现远程控制[1]。韩国国立庆尚大学[2-4]也设计了踝关节康复治疗机械，该机械具有4个自由度，是通过气压进行驱动的，可以完成踝关节及脚的一部分运动，可以较好地对踝关节进行康复运动。

图1 Rutgers踝

国内也对踝关节康复机械进行了相关研究，其中河北工业大学刘更谦等就研究了一种3-RSS/RU并联机构，该结构很好地考虑了康复理论，该平台还设置了支撑轴，如图下2所示。北京交通大学的汪从哲等人也设计了1个3自由度的康复机器人，该机构选用了4个电机，在一定程度上提高了该康复机构的工作性能。福州大学姚立纲等人也对踝关节康复机械进行了相关研究，并提出了1种2自由度的康复机器人，如下图3所示。该康复机器人是有踏板动平台的，可以实现翻转摆动，同时通过增加相应的机构，可以实现机构的适当调节。

图2 3-RSS/S踝关节康复并联机器人

图3 两自由度踝关节康复机器人

电子科技大学的周聪也对踝关节康复机器人进行了相关研究，该机构的驱动方式是绳驱动，通过步态实验检测验证了该机构的有效性，如下图4所示[5]。

综上所述，在前人的研究基础上，结合踝关节运动规律和踝关节结构，针对传统踝关节康复治疗方式单一、康复治疗效果不明显等问题，本文研究了一种辅助患者进行踝关节康复训练的机器人。

图4 穿戴式踝关节康复机器人实验原理样机

2 踝关节康复机器人结构设计

根据人体踝关节的运动规律，为满足人体踝关节的康复运动，结构主要由静平台、固定支撑柱、滑道、可进行升降的滑动装置、液压杆构成；下面为静平台，前端由两个固定支撑柱对滑道进行固定，而可进行升降的滑动装置通过液压系统可以沿滑道在一定范围内进行滑动，同时，可以进行升降；静平台的后端是液压杆，脚板的前端固定在滑动装置，后端固定在液压杆上，脚板上具有可穿戴模型，可将脚放在上面通过调节滑动装置的滑动位置、高度、及液压杆的高度，完成踝关节的基本运动。

2.1 踝关节康复机械人结构设计要求

踝关节康复机器人是帮助踝关节扭伤，下肢瘫痪等类似患者进行踝关节的康复活动，在设计时，往往要对机器人本身是否能实现踝关节康复功能，以及机器人的运动范围和角度的合理性进行分析和探讨，此外，机器人的设计必须具有安全性，简易性、舒适性。

2.2 踝关节康复机器人的整体结构设计

通过对人体踝关节结构的认知,认及对踝关节运动规律的分析,满足踝关节康复训练的要求。结构主要由静平台、固定支撑柱、滑道、可进行升降的滑动装置、液压杆构成。下方为静平台，前方是两个固定支撑柱，将滑道固定，滑道上是升降的滑动装置，可以沿着滑道进行滑动，也可以进行升降，后方则是液压管，不仅起到支撑作用，也可以进行升降。

脚的固定结构：脚的固定主要采用捆绑式，患者通过将脚放在脚板上，并通过绑带的捆绑，从而达到固定的效果。

内收/外展结构：主要依靠升降滑动装置，使其按照滑道进行合理的滑动，从而带动前脚板进行内收/外展的脚踝运动。

背伸/跖屈、内翻/外翻结构：背伸/跖屈的运动主要依靠调节脚板前面升降滑动装置的高度与液压杆件的高度形成高度差，完成背伸/跖屈的运动，内翻/外翻依靠分布在滑道两边的升降滑动装置形成左右之间的高度差。

在实际操作中,由于驱动杆存在角度约束问题,所以在康复训练过程中需要对并联康复机构进行位置分析,使驱动杆转动的角度得到合理的控制。本文所用的康复机构是并联机构,与串联机构不同的是并联机构的正解可能存在多个,比串联机构的正解要复杂得多,所以一般用位置反解来进行位置分析。因此,通过位置反解对并联康复机构进行位置分析,获得输入输出构件的关系。

3 结语

以踝关节康复机器人结构设计为目标，依据踝关节康复运动疗法要求,分析了踝关节运动，总结归纳了踝关节康复器械结构的设计要点。最后，综合运用catia建模和分析工具,实现了机构的三维数字化建模，完成了踝关节康复人体模型,本文的主要工作与结论概括如下。

（1）讨论了国内外现已投入使用的相关医疗器械在踝关节康复中的表现，归纳了康复机器人出现的结构，总结了踝关节康复结构设计的要点，设计踝关节康复机器人结构。三自由度机构具有负载能力强、刚度大，转动中心接近踝关节转动中心、可控性好、体积小等优点。

（2）依据踝关节康复运动疗法的要求，运用机构学理论，建立了踝关节运动学模型，分析了踝关节转动和足部运动关系，验证了踝关节康复机器人机构设计应当满足人体踝关节合理的转动。

（3）进行踝关节康复机器人的合理性分析，针对人体踝关节的运动需求尽可能地达到人机协调。通过对踝关节运动时的姿态分析，确定所设计的结构满足踝关节活动的角度。