下肢康复机器人的设计与仿真分析

图 ２ 脚部训练机构三维图
该款康复机器人 的 使 用 者 为 偏 瘫 患 者，并 且 实 现 该传动并不需要 太 大 的 力，所 以 只 须 保 证 该 器 材 使用的安全性和 稳 定 性．在 此 拟 采 用 带 传 动 来 实 现电机到腿部运 动 的 传 递．先 由 带 传 动 将 电 动 机 的整周转动传 递 到 转 盘 即 曲 柄 ＡＢ 上，转 盘 再 带 动脚杆ＢＥ 转动，脚放在脚杆的末端Ｅ 处，该四杆 机构可以实现其 上 某 一 点 的 椭 圆 轨 迹，从 而 实 现 患 者 的 蹬 腿 运 动 ．安 装 时 ，根 据 椅 子 的 空 间 位 置 布 置，将左右２个转盘相差半个 圆 周，就 可 以 实 现 ２ 只脚的交错运动．这 样 重 复 多 次 康 复 锻 炼 可 以 调 动 机 体 内 部 的 潜 能 ，重 新 建 立 一 个 神 经 功 能 网 络 ， 提高过去机体相 对 无 效 突 触 的 效 率，促 进 突 触 的 重新生成，从而促 进 神 经 功 能 的 重 组 或 功 能 的 再 现 ． ［８］
在已知运动轨 迹 的 平 面 四 杆 机 构 设 计 中，使 用图谱法可从连杆曲线图册中查到与所要求实现 的轨迹非常接近 的 连 杆 曲 线，从 而 确 定 该 机 构 的 参数［６］．其中 Ｍ 是连杆ＢＣ 上一 点，当 杆 长 ＡＢ∶ ＢＣ∶ＣＤ∶ＤＡ＝１∶２∶１．５∶２ 时，Ｍ 点 可 形 成 图中类似椭圆的 轨 迹，并 且 选 取 不 同 的 点 会 形 成 不同的轨迹 ． ［７］ １．２ 设 计 方 案
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华 中 科 技 大 学 学 报 （自 然 科 学 版）
第 ３９ 卷
图 ３ 脚部训练机构仿真模型及轨迹
ｍｍ．把脚放到四杆机构的 Ｅ 点，在 曲 柄 ＡＢ 上 施 加驱动力使四杆机构运 动 起 来，放 在 Ｅ 点 的 脚 也 跟 着 运 动 起 来 ，从 而 带 动 小 腿 和 大 腿 运 动 ．图 ６ 中 测得大腿 ＦＧ 与 小 腿 ＥＦ 夹 角 范 围 约 是７３．１°～ １２０．２°，大腿与 椅 面 的 夹 角 约 是 ５．８°～２３．３°．把 仿真结果和试验参数对比可知这些角度范围符合 患者要求．
针对上述情况，本 研 究 提 出 了 一 种 在 室 内 外 都 可 以 使 用 的 训 练 器 ，它 具 有 结 构 简 单 、适 用 范 围 广 、经 济 实 用 等 特 点 ．
１ 结构设计
１．１ 设 计 依 据 １．１．１ 医 学 依 据
痉挛是偏瘫患者肢体运动功能恢复的主要障 碍，常见于上肢屈肌和下肢屈肌痉挛［５］．偏瘫 患 者 的痉挛模式在下肢 表 现 为 典 型 的 伸 肌 模 式 （或 称 伸 肌 优 势 ），具 体 表 现 为 患 侧 骨 盆 旋 后 、上 提 ，髋 关 节 伸 展 ，内 收 、内 旋 ，膝 关 节 伸 展 ，足 跖 屈 、内 翻 ，足 跖屈 曲、内 收．必 须 找 出 一 种 运 动 形 式，使 其 既 符
第３９卷 增 刊 Ⅱ ２０１１年 １１月
华 中 科 技 大 学 学 报 （自 然 科 学 版） Ｊ．Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｓｃｉ．＆ Ｔｅｃｈ．（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
Ｖｏｌ．３９Ｓｕｐ．Ⅱ Ｎｏｖ． ２０１１
下肢康复机器人的设计与仿真分析
王 勇 张 英 刘正士
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ｓｔｒｏｋｅ ｐａｔｉｅｎｔｓ ａｒｅ ｌａｃｋ ｏｆ ｐｒｏｐｅｒ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅ－ ｃｏｖｅｒｙ ｐｅｒｉｏｄ，ａ ｒｏｂｏｔ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｅｌｌｉｐｔｉｃｏｒｂｉｔ ｏｆ ｆｏｕｒ－ｂａｒ ｌｉｎｋ－ ａｇｅ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｆｉｘｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｍｅｎ ｃｈａｉｒ ａｎｄ ｈｅｌｐ ｈｅｍｉｐｌａｇｉｃ ｌｏｗｅｒ ｌｉｍｂｓ ｄｏ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａ－ ｔｉｏｎ ｅｘｅｒｃｉｓｅ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗａｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｗｉｔｈ ｓｏｍｅ ｈｅａｌｔｈｙ ｓｕｂｊｅｃｔｓ，ｔｈｅ ｔｒａｃｋ ａｎｄ ｐａｒａｍｅｎｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｆｏｕｎｄ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｌｉｋｅ ｒｉｄｉｎｇ ａ ｂｉｃｙｃｌｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ．Ｓｏｌｉｄｅｗｏｒｋｓ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｍａｋｅ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎ－ ｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ａｎｄ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ．ＡＤＡＭＳ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ａ－ ｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅ ｓｈａｐｅ ａｎｄ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ａｎｇｌｅｓ ｏｆ ｌｅｇｓ．Ｉｔ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｒｏｂｏｔ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｈｅｍｉｐｌｅｇｉｃ ｐａｔｉｅｎｔｓ′ｒｅｑｕｉｒｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒａｉｎｉｎｇ．Ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍ ｅｘｅｒｃｉｓｅ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｃａｎ ｈｅｌｐ ａｐａｔｉｅｎｔ ｔｏ ｒｅｐａｉｒ ｄａｍａｇｅｄ ｍｕｓｃｌｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｉｏｎ ｒｏｂｏｔ；ｆｏｕｒ－ｂａｒ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｔｒａｃｋ；ｌｏｗｅｒ ｌｉｍｂ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ
和结构要求，下面运用分析软件 ＡＤＡＭＳ 对椭圆 轨迹的水平方向 和 垂 直 方 向 位 移 进 行 仿 真．考 虑 到偏瘫患者在恢 复 阶 段 不 宜 做 大 幅 度 运 动，通 过 软件仿真优选了 １ 组 四 杆 机 构 参 数，得 到 该 机 构 某 点 的 运 动 轨 迹 ，该 轨 迹 基 本 符 合 设 计 的 要 求 ．
（合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽 合肥 ２３０００９）
摘要 针对偏瘫患者在康复期缺乏合适训练器的问题，基 于 曲 柄 连 杆 机 构 上 的 点 可 实 现 椭 圆 轨 迹 的 原 理 ，设 计 了 一 款 下 肢 康 复 机 器 人 ．此 机 器 人 可 安 装 在 普 通 椅 子 两 边 ，带 动 偏 瘫 下 肢 做 康 复 锻 炼 ．首 先 进 行 了 健 康 者 坐 在椅子上做类似于骑自行车的蹬腿运动实验，确定了蹬腿 轨 迹 和 腿 部 运 动 参 数 ；运 用 Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ对 此 机 器 人 进行三维建模，确定了合适的安装尺寸 和 安 装 位 置；又 运 用 ＡＤＡＭＳ 对 其 进 行 仿 真，分 析 了 使 用 它 实 现 的 轨 迹 形 状 、达 到 的 轨 迹 幅 度 和 下 肢 达 到 的 锻 炼 角 度 情 况 ．结 果 证 明 ：这 款 机 器 人 可 以 满 足 偏 瘫 患 者 进 行 下 肢 康 复 训 练 的 要 求 ，长 期 使 用 它 进 行 锻 炼 可 达 到 修 复 受 损 肌 肉 、增 强 肌 肉 活 力 的 目 的 ． 关 键 词 康 复 机 器 人 ；四 杆 机 构 ；轨 迹 ；下 肢 ；仿 真 分 析 中 图 分 类 号 ＴＰ２４２ 文 献 标 志 码 Ａ 文 章 编 号 １６７１－４５１２（２０１１）Ｓ２－０２５２－０３
开发了一款可用于下肢康复训练的康复机器 人，借 助 三 维 软 件 Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ 和 分 析 软 件 ＡＤＡＭＳ对康复 机 构 进 行 了 建 模 和 仿 真．得 到 了 此款康复器能够实现符合要求的类似椭圆轨迹； 椭圆轨迹２个方 向 的 幅 度 符 合 患 者 的 要 求；且 运 动中下肢的运动 角 度 符 合 要 求．基 于 上 述 的 分 析 结 果 ，考 虑 工 艺 、材 料 、负 重 的 影 响 制 造 了 样 机 ，其 医学依据在进一步的探讨中．
目前国内外对康复器械的研究主要有以下２ 种：一种是哈尔滨 工 业 大 学 等 进 行 的 穿 戴 式 辅 助 器的研究［１］；另 一 种 是 运 用 虚 拟 现 实 技 术 的 训 练 器研究［２－３］．以上研 究 都 运 用 了 计 算 机，训 练 时 可 以实时采集和处理各种数据，具有较高的 精 度 ； ［４］ 但是，它们必须有 专 门 的 人 员 操 作 并 在 实 验 室 中 进 行 ，且 器 械 的 价 格 较 昂 贵 ，故 不 能 满 足 大 部 分 患 者的需求．
动力源采用的 是 直 流 电 机，其 运 动 方 式 为 单 向 整 周 转 动 ，现 要 实 现 椭 圆 轨 迹 运 动 ，故 考 虑 采 用 直流电机带动曲柄连杆机构作为下肢康复锻炼的 机构，再从曲柄连 杆 机 构 上 寻 找 一 点 来 实 现 椭 圆 轨 迹 ，如 图 １．
的长度．所以本文使 用 三 维 软 件 Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ并 结 合图谱法确定 脚 部 机 构 位 置 （如 图 ２），Ｄ 点 固 定 在椅子上，Ａ 点固定在由椅子延伸出的外伸架上， Ｂ 点铰接在圆盘上，Ｅ 点是患者放脚的脚蹬．考虑
２ 仿真分析
图 １ 脚步轨迹方案原理图
图１中 ＡＢＣＤ 是曲柄连杆 机 构，Ｅ 点 为 此 机 构中可以实现椭 圆 轨 迹 的 一 点．要 以 上 述 的 运 动 轨迹和参数为依 据 来 合 理 设 计 此 结 构，关 键 在 于 确定 Ａ 和Ｅ 的安装位 置 及 杆 ＡＢ，ＢＣ，ＣＤ 和ＢＥ
２．１ 四 杆 机 构 的 仿 真 通过理论设计可知四杆机构符合对空间位置
收 稿 日 期 ２０１１－０６－０５． 作 者 简 介 王 勇 （１９６９－），男 ，教 授 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｉｍｅｎｋｏｕｗａｎｇ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ．
增刊Ⅱ

王 勇 ，等 ：下 肢 康 复 机 器 人 的 设 计 与 仿 真 分 析
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合康复训练中抗 痉 挛 模 式 的 要 求，又 能 保 证 患 者 的安全．但对于偏 瘫 患 者 康 复 训 练 中 下 肢 运 动 轨 迹及各部分的参 数 国 内 外 还 没 有 统 一 的 标 准．查 阅相关的医学资 料 得 知：患 者 在 做 类 似 自 行 车 的 蹬腿运 动 时 可 以 使 骨 盆、大 腿、膝 关 节、小 腿、踝、 脚等多处的肌肉 得 到 锻 炼．为 了 获 得 这 方 面 的 数 据，本研究首先测 量 了 正 常 人 坐 在 椅 子 上 做 类 似 于自行车的蹬腿运动时脚部的轨迹和腿部的角度 变化，通过观 察 与 分 析 测 量 可 以 得 出：ａ．下 肢 的 运 动 轨 迹 主 要 取 决 于 脚 后 跟 的 运 动 轨 迹 ；ｂ．脚 后 跟的运动轨迹为一个近似椭 圆 的 封 闭 曲 线；ｃ．脚 沿轨迹发生位置改变会导致大腿与椅面的夹角、 大 腿 与 小 腿 的 夹 角 发 生 改 变 ；ｄ．大 腿 与 椅 面 的 夹 角范 围 在 ０°～３０°，大 腿 与 小 腿 的 夹 角 范 围 在 ４５°～１５０°． １．１．２ 机 构 学 依 据