足底驱动式精确步态康复机器人

汪润 汪鹤翔 朱林珂 张载言 郭亚航

摘要：随着科学技术的发展，将康复医学与机器人技术相结合的康复机器人技术逐渐成为国内外研究的热点。为解决当前机器人缺乏人性化和个性化设计和因结构设计导致机器人控制复杂的问题，我们开发了一款基于足底运动轨迹的康复机器人，它利用行星齿轮系，曲柄摇杆机构等装置，准确地实现了步态轨迹。这种结构可以实现正常行走过程中髋关节和膝关节的运动规律。与传统的步态康复机器人相比，具有安全性高，易于控制，操作简单，贴合度高的特点，减少了患者自主活动的限制，提高了早期康复患者辅助装置的适应性和舒适性。从而进一步增强康复设备的自主性和适应性，提高了人机交互能力。

关键词：康复医学;机器人;足底运动

1.研究目的

截瘫是一种影响数百万人生活的严重下肢运动系统损伤疾病，目前绝大多数患者都只能依赖像轮椅这样的辅具来维持正常生活。而长时间使用轮椅会引起一系列的生理问题，包括褥疮、骨质流失和肌肉萎缩等，因此需要持续进行运动康复训练，以降低并发症产生的概率。此外，截瘫患者在轮椅上久坐导致其视线低于正常人，使得他们自尊心受损和精神压力增大。尽可能利用患者残存的运动功能，使其恢复行走，从而提高其日常生活能力，并最终回归社会，是康复机器人的主要任务。因此，步态康复机器人的需求便显得十分迫切。

国内现有7000余家康复医疗机构，但能提供康复训练的仅占不到1/3。数据显示，中国已有2000多万肢体残疾患者，而其中只有相当一小部分（约30多万人）能得到肢体康复训练，而效果也不甚相同。康复设备供应与临床需求有着的巨大缺口，所以康复机器人在中国存在很大的市场和商业契机。

基于此，我们开发了一款基于足底运动轨迹的足底驱动式康复机器人。精准实现了正常步行时髋、膝关节运动规律，从而带动人体髋关节、膝关节和踝关节的组合运动，几乎可以训练下肢的全部肌肉，达到更好的康复治疗效果。该项目致力于为康复医疗做出贡献，为残疾人的步态康复提高效率和增加可能性，减少国内病患，减轻残疾人的痛苦，为当今国内康复医疗的发展注入新鲜血液，扩大国内康复医疗的市场和开拓海外康复医疗的市场。

2.国内外研究现状

步态康复机器人主要是应用于偏瘫患者。近年来，康复机器人已成为国际机器人领域的一个研究热点， 也取得了诸多成果， 诸如外骨骼式、坐/卧式等康复训练机器人的研究和使用都有了很大程度的发展。

国外：国外的辅助康复治疗机器人已有很多，所运用到的机器人检测技术和控制技术也各有不同。例如瑞士苏黎世联邦理工学院和 Hocoma公司联合开发的Lokomat下肢康复机器人其通过模拟生理步态轨迹，带动患者的单侧或双侧下肢，并精确控制炮台速度使之与患者步态相一致，使功能性运动治疗与患者的评估、反馈系统有机结合。同时可以调整参数以适合不同患者的需要，显著提升了脑卒中后偏瘫病人屈髋肌群肌力和步行能力。

国内：我国对康复机器人的研究起步比较晚，辅助型康复机器人的研究成果相对较多，康复训练机器人方面的研究成果则比较少。而近年来我国国家康复辅具研究中心、清华大学、燕山大学等科研机构及高校、企业共同参与组织并承担了诸多国家科技支撑计划以及863计划项目课题，例如燕山大学王洪波教授及其团队所研发的坐卧式下肢康复机器人，具有两条外骨骼机械腿，三个自由度，能实现多个康复训练动作。

3.結构设计

传统椭圆结构的足部驱动下肢康复机器人结构简单，但步态轨迹复现程度低，足部姿态也与正常行走时的姿态有较大偏差。该机器人主要部分包括步态模拟机构、传动机构，具有驱动少、容易控制、操作简单等特点，适合家庭及社区步态康复训练。此外，足底驱动方式不对人体膝关节施加约束，治疗师可根据需要随时纠正患者膝关节的运动，达到更好的效果。该项目旨在为脑卒中、颅脑损伤等疾病造成下肢功能障碍的患者提供一种辅助康复的途径。它是一种可坐卧转换的机器，通过对正常步态的模拟，由机器电机进行辅助，使患者进行步态康复的训练。

步态模拟机构用于实现步态的精确模拟用以帮助患者进行康复训练，跟局普通人的步态模拟曲线，拟采用行星轮系串联曲柄滑块的机构去实现步态曲线的模拟。利用Adams模拟出步态曲线的方程，采用行星轮系输出椭圆曲线，通过计算在连杆上寻找运动轨迹符合步态曲线的点，将此点设置为踏板的位置。

传动机构用于为步态模拟机构提供动力，采用直流电机以及蜗轮蜗杆来实现传动的效果。由于服务对象为下肢能力缺陷的患者，需要较好的人机协同性，所以通过计算出患者在康复训练时对踏板输出的力与步态速度的关系，输出合适的转速。既有效地保证了电机的安全，也能更好实现人机协同。

通过多次模拟演算，不断减小误差，找到了安装踏板的位置，该点的轨迹与我们查找资料演算得到的人体步态轨迹近似拟合。对踏板位置的受力预测，建立机构的简易模型，进行各部分的受力分析、角度测量，然后分析计算出机器人运转所需要的功率，确定电机参数。

4.发展趋势

我国起步较晚，目前还缺乏成熟的、市场普遍认可的产品。基于人机交互的控制将会是康复机器人发展的一个重要主线。这个过程需要我们获得机器人的状态信号、动力学、运动学等等。我们开发的这款步态康复机器人主要是应用于偏瘫患者，帮助其改善平衡功能和下肢肌力，促进步态重建，提高步行能力。在未来，医疗水平的提高也注定带动康复医疗的提升，康复机器会有着十分可观的前景。

参考文献：

[1] Naditz A. New frontiers： telehealth innovations of 2010. Telemedicine and e-Health， 2010， 16（10）： 986-992.

[2] 姜礼杰，陈进，王良诣，侯言旭，王勇.肢体协调运动康复机器人的机构设计与实验[J].自动化学报，2016，42（12）：1808-1818.

合肥工业大学 机械工程学院 安徽 合肥 230000