下肢康复机器人的设计与仿真分析 (1)

第!"卷!增刊!#$%%年!%%月!

华中科技大学学报!自然科学版"

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作者简介!王!勇!%"B "A "#男#教授#=A F *1<$R 1F 8.W -)X *./

"R 1.*’5-F’下肢康复机器人的设计与仿真分析

王!勇!张!英!刘正士

!合肥工业大学机械与汽车工程学院"安徽合肥#!$$$"

#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4-<1>X -;W R 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S e SO 4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!7P #C #!!文献标志码!S !!文章编号!%B E %A C I %#!#$%%"4#A $#I #A $!

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种$一种是哈尔滨工业大学等进行的穿戴式辅助

器的研究’%(%另一种是运用虚拟现实技术的训练器研究’#7!(

8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’C (

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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8

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8

8!结构设计

888!设计依据

88888!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’I (

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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8必须找出一种运动形式#使其既符

DOI ：CNKI:42-1658/N.20111111.1412.183 网络出版时间：2011-11-11 14:12网络出版地址：/kcms/detail/42.1658.N.20111111.1412.183.html

合康复训练中抗痉挛模式的要求!又能保证患者的安全8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8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8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""’下肢的运动轨迹主要取决于脚后跟的运动轨迹$3’脚后跟的运动轨迹为一个近似椭圆的封闭曲线$*’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$)8大腿与椅面的夹角范围在$g%!$g!大腿与小腿的夹角范围在C I g%%I$g8

88889!机构学依据

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%B&8其中G是连杆49上一点!当杆长L4i 49i9Q i Q L]%i#i%8I i#时!G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%E&8

889!设计方案

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%8

图#!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8在此拟采用带传动来实现电机到腿部运动的传递8先由带传动将电动机的整周转动传递到转盘即曲柄L4上!转盘再带动脚杆4R转动!脚放在脚杆的末端R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8安装时!根据椅子的空间位置布置!将左右#个转盘相差半个圆周!就可以实现#只脚的交错运动8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%D&8

9!仿真分析

988!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和结构要求!下面运用分析软件S e SO4对椭圆轨迹的水平方向和垂直方向位移进行仿真8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%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8图!中摇杆9Q为#I$F F!连杆49为%I$ F F!曲柄L4为E I F F!脚杆4R为%$$F F8R 点是脚杆末端的点!也是待确定的点8在S e SO4中对R点的运动进行分析得到图中的椭圆轨迹!并测得其在#个方向的位移变化%"&8图C中通过测量仿真结果得到脚后跟水平方向的位移幅度约为#!"F F’垂直方向的位移幅度约为%!E F F ’其中K为时间(8由仿真结果知这样的轨迹和位移范围可以满足偏瘫患者下肢训练的要求8

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增刊!!!王勇!等"下肢康复机器人的设计与仿真分析!!!!!