山西中北大學機械與動力工程學院　李小龍　梅瑛　申登高

人體下肢康復機構的研究與分析

山西中北大學機械與動力工程學院李小龍梅瑛申登高

本文以剖析人體下肢解剖學理論為依據(jù)，設計了一種基于混聯(lián)機構原理的新型下肢髖、膝、踝關節(jié)運動矯正機構。該機構按照正常人體下肢基本尺寸范圍，對下肢運動矯正機構的結構進行了數(shù)學建模并進行了運動學仿真分析，驗證了該并聯(lián)機構可以有效輔助運動功能障礙者恢復健康，并應用Pro/E強大的三維建模功能進行建模。該機構結構簡單、工作空間較大、剛度大，適用于不同群體。

康復機構；位置逆解；橢圓形軌跡；混合驅動

引言

為了減輕護理員對下肢患者的護理強度，使患者能及時地得到輔助關節(jié)治療，研究康復訓練機構意義重大。護理人員的護理肯定是復雜的，但護理費用比較昂貴［1］。器械護理不可能達到護理員對患者的護理效果，器械只能夠達到幾種重要的運動，可以實現(xiàn)患者的康復要求。能達到目的，這種方法就是可行的，所以本文設計了一種新型髖、膝、踝關節(jié)康復機構，該機構可以實現(xiàn)人體正常行走的軌跡要求。

1　髖、膝、踝關節(jié)運動矯正機構的設計及運動學分析

平面及空間機構的位置逆解是工作空間、奇異位形、傳遞性能、動力學等方面的研究前提［2］，因此位置逆解問題是平面和空間機構運動學研究中最為重要最為基礎的問題，所以本文重點研究位置逆解。在位置逆解分析中，采用閉環(huán)幾何法與復數(shù)矢量方程法［3］相結合的方法對其位置逆解進行求解，建立機構的閉環(huán)方程并根據(jù)機構的特點建立約束方程進行正、逆解求解，最終得到機構的位置逆解解析表達式。

1.1機構位置逆解數(shù)學建模

1.1.1位置分析

圖1為混合驅動康復機構原理圖，建立如圖所示的直角坐標系。圖1將康復機構分成4個矢量環(huán)：AEGF、EGD、GDC、CHB。知該機構的結構參數(shù)為L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、φ1、φ7、α1、r1、r6、r7，桿ED對應的方向角為0，H=E—→D+h。

圖1　下肢康復機構原理

固定鉸鏈A、B、E的坐標分別為（XA、YA）、（XB、YB）、（0、0）。機構的逆運動學分析是已知系統(tǒng)的幾何關系、輸出端C點的運動參數(shù)，求解常速電機、伺服電機的運動參數(shù)。如圖1所示，選出合適的矢量閉環(huán)，進行數(shù)學建模。求曲柄AF、BH的角位移φ1、φ7

如圖1所示，在建立矢量環(huán)AEGF、GDC、CHB、BHCDGE中建立矢量方程：

以復數(shù)形式表示并按歐拉公式展開得：

令上述方程的實部和虛部分別相等，并帶入已知條件L2、L3L4、L5、L6、φ2、φ3、φ4、φ5、φ6，C點坐標 （XC、YC），可解得，

2　Pro/E三維建模及下肢康復機構輸出軌跡

根據(jù)人體步態(tài)分析可知，一只腳在行走過程中，其擺動一個周期所形成的軌跡近似為卵形形狀（類橢圓），而人正常行走兩腿的相位差是180°。因而人在正常行走過程中，腳心的步行軌跡是近似鵝卵形，卵形（類橢圓）的長軸為步長，短軸為腳離地的高度［4］。因而根據(jù)正常步態(tài)的基本參數(shù)可知，正常人步長為50～80cm，步高約為5cm。因而在設計中可以認為長軸長為50～80cm，短軸長為步高的兩倍，即10cm，考慮到不同步態(tài)患者的步高也是不同的，因此短軸的長度選取為8～12cm?？紤]到本康復醫(yī)療器械主要針對腿部負傷康復期患者，由于是非正常人體，所以步幅和步長做一些相應的調整。適當考慮減少步長選取為40～50cm，患者步高為4～6cm。根據(jù)以上分析，設計出可以模擬適合橢圓軌跡或者近似于橢圓軌跡的機構，如圖2所示。根據(jù)以上參數(shù)經計算初選桿長如表1所示（省略詳細計算過程）。

表1　各桿長度（單位mm）

圖3　輔助康復機構Pro/E建模圖

圖2腳踏板處運動軌跡

康復機構主要部件三維建模圖如圖3所示。A常速電機提供主要動力，帶動腿部上下運動，輔助人體髖關節(jié)恢復運動機能；D滑塊是結合常速電機與伺服電機兩個驅動的樞紐；E踝關節(jié)固定環(huán)是固定腿部隨著腳踏板一起運動；C腳踏板與搖桿是銷釘連接，屬于欠驅動的范疇，可以利用搖桿在水平面的搖擺讓腳部有翹起運動，輔助踝關節(jié)恢復運動機能；B伺服電機驅動的曲柄連桿機構，可以使膝關節(jié)得以運動，輔助膝關節(jié)恢復運動機能。A常速電機提供主動力，B伺服電機提供輔助動力，驅動的兩個曲柄相互配合，最后在腳踏板C處輸出類橢圓形軌跡，符合人體正常行走軌跡。

3　總結

根據(jù)人體正常行走的參數(shù)要求，設計了髖、膝、踝關節(jié)康復機構。該機構應用閉環(huán)矢量法與復數(shù)矢量法相結合的方法對其機構原理圖進行逆運動學分析，得到驅動曲柄的輸入?yún)?shù)，并且對髖、膝、踝關節(jié)康復機構進行三維建模，并仿真其輸出軌跡，與人體正常行走軌跡作對比，驗證了該機構可以用于髖、膝、踝關節(jié)的康復。

［1］孫建東，金德聞.一種下肢被動運動康復訓練器［J］.中國康復醫(yī)學雜志，2001，16（5）：298-300.

［2］郭玉.3-RRS并聯(lián)機構運動學及動力學分析［D］.天津：天津理工大學，2013.

［3］候少毅.混合驅動機構構型綜合及優(yōu)化設計研究［D］.重慶：重慶大學，2008.

［4］何文治.下肢康復訓練機器人的設計與分析［D］，哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2009.

李小龍，1988年1月出生，遼寧省朝陽市人，研究方向：現(xiàn)代機械、機構及機器人創(chuàng)新設計理論與方法研究。