汪潤(rùn) 汪鶴翔 朱林珂 張載言 郭亞航

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將康復(fù)醫(yī)學(xué)與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合的康復(fù)機(jī)器人技術(shù)逐漸成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。為解決當(dāng)前機(jī)器人缺乏人性化和個(gè)性化設(shè)計(jì)和因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致機(jī)器人控制復(fù)雜的問(wèn)題，我們開發(fā)了一款基于足底運(yùn)動(dòng)軌跡的康復(fù)機(jī)器人，它利用行星齒輪系，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)等裝置，準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了步態(tài)軌跡。這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)正常行走過(guò)程中髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。與傳統(tǒng)的步態(tài)康復(fù)機(jī)器人相比，具有安全性高，易于控制，操作簡(jiǎn)單，貼合度高的特點(diǎn)，減少了患者自主活動(dòng)的限制，提高了早期康復(fù)患者輔助裝置的適應(yīng)性和舒適性。從而進(jìn)一步增強(qiáng)康復(fù)設(shè)備的自主性和適應(yīng)性，提高了人機(jī)交互能力。

關(guān)鍵詞：康復(fù)醫(yī)學(xué);機(jī)器人;足底運(yùn)動(dòng)

1.研究目的

截癱是一種影響數(shù)百萬(wàn)人生活的嚴(yán)重下肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)損傷疾病，目前絕大多數(shù)患者都只能依賴像輪椅這樣的輔具來(lái)維持正常生活。而長(zhǎng)時(shí)間使用輪椅會(huì)引起一系列的生理問(wèn)題，包括褥瘡、骨質(zhì)流失和肌肉萎縮等，因此需要持續(xù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，以降低并發(fā)癥產(chǎn)生的概率。此外，截癱患者在輪椅上久坐導(dǎo)致其視線低于正常人，使得他們自尊心受損和精神壓力增大。盡可能利用患者殘存的運(yùn)動(dòng)功能，使其恢復(fù)行走，從而提高其日常生活能力，并最終回歸社會(huì)，是康復(fù)機(jī)器人的主要任務(wù)。因此，步態(tài)康復(fù)機(jī)器人的需求便顯得十分迫切。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有7000余家康復(fù)醫(yī)療機(jī)構(gòu)，但能提供康復(fù)訓(xùn)練的僅占不到1/3。數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)已有2000多萬(wàn)肢體殘疾患者，而其中只有相當(dāng)一小部分（約30多萬(wàn)人）能得到肢體康復(fù)訓(xùn)練，而效果也不甚相同?？祻?fù)設(shè)備供應(yīng)與臨床需求有著的巨大缺口，所以康復(fù)機(jī)器人在中國(guó)存在很大的市場(chǎng)和商業(yè)契機(jī)。

基于此，我們開發(fā)了一款基于足底運(yùn)動(dòng)軌跡的足底驅(qū)動(dòng)式康復(fù)機(jī)器人。精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了正常步行時(shí)髖、膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而帶動(dòng)人體髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的組合運(yùn)動(dòng)，幾乎可以訓(xùn)練下肢的全部肌肉，達(dá)到更好的康復(fù)治療效果。該項(xiàng)目致力于為康復(fù)醫(yī)療做出貢獻(xiàn)，為殘疾人的步態(tài)康復(fù)提高效率和增加可能性，減少國(guó)內(nèi)病患，減輕殘疾人的痛苦，為當(dāng)今國(guó)內(nèi)康復(fù)醫(yī)療的發(fā)展注入新鮮血液，擴(kuò)大國(guó)內(nèi)康復(fù)醫(yī)療的市場(chǎng)和開拓海外康復(fù)醫(yī)療的市場(chǎng)。

2.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

步態(tài)康復(fù)機(jī)器人主要是應(yīng)用于偏癱患者。近年來(lái)，康復(fù)機(jī)器人已成為國(guó)際機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)， 也取得了諸多成果， 諸如外骨骼式、坐/臥式等康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的研究和使用都有了很大程度的發(fā)展。

國(guó)外：國(guó)外的輔助康復(fù)治療機(jī)器人已有很多，所運(yùn)用到的機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)和控制技術(shù)也各有不同。例如瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和 Hocoma公司聯(lián)合開發(fā)的Lokomat下肢康復(fù)機(jī)器人其通過(guò)模擬生理步態(tài)軌跡，帶動(dòng)患者的單側(cè)或雙側(cè)下肢，并精確控制炮臺(tái)速度使之與患者步態(tài)相一致，使功能性運(yùn)動(dòng)治療與患者的評(píng)估、反饋系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合。同時(shí)可以調(diào)整參數(shù)以適合不同患者的需要，顯著提升了腦卒中后偏癱病人屈髖肌群肌力和步行能力。

國(guó)內(nèi)：我國(guó)對(duì)康復(fù)機(jī)器人的研究起步比較晚，輔助型康復(fù)機(jī)器人的研究成果相對(duì)較多，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人方面的研究成果則比較少。而近年來(lái)我國(guó)國(guó)家康復(fù)輔具研究中心、清華大學(xué)、燕山大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)及高校、企業(yè)共同參與組織并承擔(dān)了諸多國(guó)家科技支撐計(jì)劃以及863計(jì)劃項(xiàng)目課題，例如燕山大學(xué)王洪波教授及其團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的坐臥式下肢康復(fù)機(jī)器人，具有兩條外骨骼機(jī)械腿，三個(gè)自由度，能實(shí)現(xiàn)多個(gè)康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)橢圓結(jié)構(gòu)的足部驅(qū)動(dòng)下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但步態(tài)軌跡復(fù)現(xiàn)程度低，足部姿態(tài)也與正常行走時(shí)的姿態(tài)有較大偏差。該機(jī)器人主要部分包括步態(tài)模擬機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有驅(qū)動(dòng)少、容易控制、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，適合家庭及社區(qū)步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練。此外，足底驅(qū)動(dòng)方式不對(duì)人體膝關(guān)節(jié)施加約束，治療師可根據(jù)需要隨時(shí)糾正患者膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到更好的效果。該項(xiàng)目旨在為腦卒中、顱腦損傷等疾病造成下肢功能障礙的患者提供一種輔助康復(fù)的途徑。它是一種可坐臥轉(zhuǎn)換的機(jī)器，通過(guò)對(duì)正常步態(tài)的模擬，由機(jī)器電機(jī)進(jìn)行輔助，使患者進(jìn)行步態(tài)康復(fù)的訓(xùn)練。

步態(tài)模擬機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)步態(tài)的精確模擬用以幫助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，跟局普通人的步態(tài)模擬曲線，擬采用行星輪系串聯(lián)曲柄滑塊的機(jī)構(gòu)去實(shí)現(xiàn)步態(tài)曲線的模擬。利用Adams模擬出步態(tài)曲線的方程，采用行星輪系輸出橢圓曲線，通過(guò)計(jì)算在連桿上尋找運(yùn)動(dòng)軌跡符合步態(tài)曲線的點(diǎn)，將此點(diǎn)設(shè)置為踏板的位置。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于為步態(tài)模擬機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，采用直流電機(jī)以及蝸輪蝸桿來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的效果。由于服務(wù)對(duì)象為下肢能力缺陷的患者，需要較好的人機(jī)協(xié)同性，所以通過(guò)計(jì)算出患者在康復(fù)訓(xùn)練時(shí)對(duì)踏板輸出的力與步態(tài)速度的關(guān)系，輸出合適的轉(zhuǎn)速。既有效地保證了電機(jī)的安全，也能更好實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同。

通過(guò)多次模擬演算，不斷減小誤差，找到了安裝踏板的位置，該點(diǎn)的軌跡與我們查找資料演算得到的人體步態(tài)軌跡近似擬合。對(duì)踏板位置的受力預(yù)測(cè)，建立機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)易模型，進(jìn)行各部分的受力分析、角度測(cè)量，然后分析計(jì)算出機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的功率，確定電機(jī)參數(shù)。

4.發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)起步較晚，目前還缺乏成熟的、市場(chǎng)普遍認(rèn)可的產(chǎn)品。基于人機(jī)交互的控制將會(huì)是康復(fù)機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)重要主線。這個(gè)過(guò)程需要我們獲得機(jī)器人的狀態(tài)信號(hào)、動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等等。我們開發(fā)的這款步態(tài)康復(fù)機(jī)器人主要是應(yīng)用于偏癱患者，幫助其改善平衡功能和下肢肌力，促進(jìn)步態(tài)重建，提高步行能力。在未來(lái)，醫(yī)療水平的提高也注定帶動(dòng)康復(fù)醫(yī)療的提升，康復(fù)機(jī)器會(huì)有著十分可觀的前景。

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