淺談機器人學(xué)與康復醫學(xué)相結合的康復機構設計

　　前言

　　康復的目的是使病人的身體、感官和心理功能恢復正常，當今社會(huì )經(jīng)濟使病人來(lái)彌補赤字，是一種不正常的治療消費。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)有運動(dòng)型功能障礙的人由于手臂或腿的問(wèn)題需要經(jīng)歷很長(cháng)一段時(shí)間的治療性治療。傳統療法是需要一個(gè)理療師輔助患者做一系列重復和常規的物理運動(dòng)，逐步增加肌肉鍛煉強度，這種恢復過(guò)程需要的時(shí)間和費用都是比較多的。而康復機器人可以輕松的實(shí)現循環(huán)運動(dòng)，機器人有很好的控制功能，它們可以很準確的重復和逐步增加力量練習，機器人這種更準確的輔助治療被稱(chēng)為“持續被動(dòng)運動(dòng)”，廣泛的應用在許多醫療中心，使患者也實(shí)現了許多康復目的。

　　CPM的概念在1970年代首次被引入后，在康復過(guò)程中患者有時(shí)移動(dòng)四肢有一些突發(fā)異常反射，而傳統的機器不能應付這種反射，因此有時(shí)不適合使用物理療法。如果病人在機器輔助理療過(guò)程中有一個(gè)不當的反射，這個(gè)不當的反射和機器給的負荷不符，這種現象有可能會(huì )損害病人的肌肉或肌腱組織。正因為如此，需要一個(gè)智能設備，可以完成基于病人的四肢反射的康復過(guò)程中的實(shí)時(shí)反饋�？祻蜋C器人可以分為三組：

　　1） 幫助殘疾人特殊需要與他們的日常生活活動(dòng)。

　　2） 支持移動(dòng)性。

　　3） 幫助治療師使患者進(jìn)行重復練習（輔助運動(dòng)機器人）。

　　1 國內外康復醫療現狀

　　軀干和下肢承重能力下降是導致不能正常步行的重要原因[2]。近年來(lái)減重步行訓練在臨床上的應用越來(lái)越廣泛。它是用減重吊帶使患者步行時(shí)減少下肢負重，借助于運動(dòng)平板進(jìn)行步行能力訓練[3]。比利時(shí)布魯塞爾Vrije大學(xué)開(kāi)展了一項稱(chēng)為使用可調式康復訓練機器人的運動(dòng)訓練，有效加快康復進(jìn)程，提高了治療效果[4]。下肢康復機器人還能夠自動(dòng)平衡人的一部分重力，針對這一問(wèn)題，提出了一種具有重心軌跡自動(dòng)控制和重力平衡功能的重心軌跡控制系統[5]。東北大學(xué)研發(fā)的有一種具有特殊性能的康復機器人。這種康復機器人為智能仿生腿研究提供有利條件，于此同時(shí)可用于研究人腿與智能腿之間的能否協(xié)調和能否對稱(chēng)的問(wèn)題[6]。這種訓練機是一種 被動(dòng)式的醫療器械，它的訓練是靠跑步機帶動(dòng)的被動(dòng)訓練。

　　2 人體下肢系統簡(jiǎn)介

　　設計下肢康復機構，前提是要使其符合人體運動(dòng)學(xué)的自然規律。因此，在設計開(kāi)始階段，首先對人體下肢從醫學(xué)角度出發(fā)，對人體下肢的關(guān)節進(jìn)行必要的分析[7]。人體行走分為單腳支撐階段、雙腳支撐階段和雙腳支撐但有一腳處于冗余狀態(tài)。通過(guò)這樣的簡(jiǎn)化，人體的步態(tài)在機械結構上更易于實(shí)現。

　　人體下肢骨骼結構主要由趾骨、跗骨構架、腓骨、脛骨、髕骨以及股骨組成，構成三個(gè)關(guān)節：人體腿部總共具有7個(gè)自由度，包括兩個(gè)球副關(guān)節，一個(gè)旋轉副關(guān)節。其中踝關(guān)節有三個(gè)自由度，最為復雜。（1）踝關(guān)節是由腓骨、脛骨和跗骨構架所構成。踝關(guān)節有三個(gè)自由度，可以完成腳部的側翻、旋轉、翹起和弓背運動(dòng)形式。（2）膝關(guān)節具有一個(gè)自由度，可以實(shí)現小腿的屈伸運動(dòng)。（3）髖關(guān)節有一個(gè)球形關(guān)節，具有3個(gè)旋轉自由度，大腿可以實(shí)現三種方式的旋轉運動(dòng)。如圖1所示。

　　3 下肢康復機構初步設計

　　按照空間并聯(lián)機構自由度計算公式

　�。�1）

　　式中：并聯(lián)機構自由度用字母F；活動(dòng)構件

　　數為k；運動(dòng)副數為g；第i個(gè)運動(dòng)副的自由度數用fi表示；F0為冗余自由度數。此機構由16個(gè)活動(dòng)構件，21個(gè)轉動(dòng)副，2個(gè)移動(dòng)副構成，所以該機構的自由度為3。如圖2所示。

　　該機構實(shí)際上是在兩個(gè)垂直平面上的空間并聯(lián)機構，可以看做是平面機構來(lái)簡(jiǎn)化計算和分析。該機構有三個(gè)驅動(dòng)A、B是常數電機驅動(dòng)，C是伺服電機驅動(dòng)。該并聯(lián)機構是由C伺服電機驅動(dòng)的曲柄搖桿機構，用以實(shí)現膝關(guān)節的康復訓練。A、B常數電機驅動(dòng)的實(shí)現滑塊的往復運動(dòng)，用以實(shí)現踝關(guān)節的康復訓練。

　　三個(gè)電機驅動(dòng)，由A、B常數電機驅動(dòng)實(shí)現末端D腳踏板的繞板中心的前翹起和后翹起的重復運動(dòng)；由C伺服電機驅動(dòng)實(shí)現D腳踏板在平面內的搖動(dòng)。這兩種運動(dòng)可以輔助訓練膝關(guān)節和踝關(guān)節。

　　4 結論

　　依據人體運動(dòng)學(xué)規律，設計了一種新型下肢康復機構。該機構有3個(gè)自由度，可以實(shí)現腳部的翹起，還可以實(shí)現膝關(guān)節的康復訓練。該機構結構簡(jiǎn)單，結合了混合驅動(dòng)易于控制的優(yōu)點(diǎn)，可以滿(mǎn)足有運動(dòng)性功能障礙者的康復計劃。

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