（机械电子工程专业论文）步行康复用踝关节系统的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 现在由于各种自然灾难、疾病以及交通事故造成了很多下肢运动障碍的 病人，给他们的生活带来了很大的不便。有效的康复训练可以帮助关节功能的 最大恢复，传统的康复医疗方式局限于理疗师个人的经验和能力，而下肢外骨 骼技术应用于康复训练，不仅可以降低理疗师的训练任务，还可以提高患者的 训练效果。 上海大学智能机械与系统研究小组承担的国家8 6 3 计划项目“步行训练机 器人系统关键技术”项目主要是利用安装在病人下肢的外骨骼式矫形器，按照 预先设置的行走步态，帮助产生或纠正患者的步行步态，以期实现下肢神经康 复目的。踝关节的是人体重要的关节之一，对于人体的站立、行走、跑跳有密 切的关系，因此踝关节的康复至关重要。本硕士论文“步行康复用踝关节系统 的研究 是该课题的重要组成部分之一，主要研究外骨骼中的踝关节以及足部 结构。 本论文第一章简要介绍了国内外下肢康复机器人的研究背景，概述了现有 下肢康复机器人应用的技术及存在的不足。第二章则是从运动功能训练在康复 训练中的作用方法入手，根据下肢康复原理来提出机构设计的具体要求。通过 进一步分析踝关节机构和人肌运动原理，为类人形的矫形器设计提供理论依据。 第三章中设计了外骨骼式的踝关节以及足部结构，并对关键零件进行了静力学 分析，验证可靠性。第四章主要是对含有踝关节的双腿外骨骼矫形器进行运动 学分析，并在a d a m s 中进行运动学仿真试验。第五章为一组实验，包括利用 半闭环控制系统对机构运动范围进行标定，以及对实测数据与目标数据的误差 分析两个部分。实验结果显示，系统动态性能稳定，基本达到预定指标。最后， 第六章介绍了本硕士论文的研究结果和创新点，提出了今后研究的方向。 关键词：下肢矫形器运动学分析踝关节系统设计虚拟样机 v 上海大学硕士学位论文 a b s t i 认c t d i f f e r e n tt r a g e d i e s ，d i s e a s c s ，a n dt r a m ca c c i d e n t sc a u s eal o to fl o w e r l i m bd y s k i n e s i ap a t i e n t sa n dt h e i rl i f ei sv e r yd i m c u l t e f f e c t i v er e h a b i l i t a t i o n t r a i n i n gc a nh e l pt h e mr e n e wl i m bf u n c t i o n i nt h et r a d i t i o n a lw a yo ft r a i n i n g t h el e gm o v e m e n to ft h ep a t i e n th a st ob ea s s i s t e db yt h ec a p a b i l i t ya n dt h e i n d i v i d u a le x p e r i e n c eo ft h ep h y s i o t h e r a p i s t a na u t o m a t i co r t h o s i sc a l lh e l pt h e p h y s i o t h e r a p i s t sd i s e n g a g ef r o mt h eh e a v yt r a i n i n gw o r k i n g t l l i sk i n do fr o b o t a l s oc a ni m p r o v et h et h e r a p e u t i ce f f e c t t h e p r o j e c t t h er e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g i e so fl o w e rl i m b s o r t h o s i s ”，s p o n s o r e db yn a t i o n a lh i 西t e c hr&dp r o g r a ma n du n d e r t a k e nb y i n t e l l i g e n tm a c h i n ea n ds y s t e mg r o u pa ts h a n g h a iu n i v e r s i t y , a i m sa tc o r r e c t i n g p a t i e n t sg a i ta n dr e h a b i l i t a t i o ni nu s i n gap o w e r e de x o s k e l e t o no r t h o s i s t h e a n k l ei so n eo fi m p o r t a n tj o i n t sa n di ti si m p o r t a n tf o rt h eb o d y ss t a n d i n g , w a l k i n g , r u n n i n ga n ds oo n s ot h er e h a b i l i t a t i o no fa n l d ei sc r u c i a l t l l i sm a s t e r t h e s i s ，“r e s e a r c ho nw a l k i n gr e h a b i l i t a t i o na n k l es y s t e m ”i so n ei m p o r t a n t p a r to ft h i sp r o j e c t ，a n dt h em a i nw o r ki st h es t u d yo fa n l d ea n df o o ts t r u c t u r eo f l o w e rl i m bo r t h o s i s c h a p t e r1i n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h er e h a b i l i t a t i o nr o b o t a n ds u m m a r i z e st h ea p p l i e dt e c h n i q u e sa n ds h e r t c o m i n g so ft h ee x i s t i n g r e h a b i l i t a t i o nr o b o t s a tt h eb e g i n n i n go fc h a p t e r2 ，t h ea u t h o re x p l a i n st h ee f f e c t a n dm e t h o d so fm o v e m e n tf u n c t i o ni nr e h a b i l i t a t i o n t h e n ，s o m ed e t a i l r e q u i r e m e n t so fs t r u c t u r ed e s i g na r ep u tf o r w a r da c c o r d i n gt ot h er e h a b i l i t a t i o n p r i n c i p l e s a tl a s ti tp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rh u m a n o i do r t h o s i sd e s i g n t h r o u g hf u r t h e ra n a l y s i so fs t r u c t u r ea n dm u s c l em o v e m e n tp r i n c i p l e i nc h a p t e r 3 ，t h ea u t h o rd e s i g n sa n l d ea n df o o tm e c h a n i c so fe x o s k e l e t o nl o w e rl i m b s o r t h o s i s ，a n d s t a t i ca n a l y s i si sm a d ef o rt h ek e yc o m p o n e n t st ov a l i d a t e r e l i a b i l i t y c h a p t e r4i sm a i n l yt w ol e g s v i r t u a lp r o t o t y p ew i t ha n k l ef o r k i n e m a t i ca n a l y z ea n dp l a n n i n gf o rs a f eg a i td a t a , a n df i n a l l yc a r r i e do u t s i m u l a t i o ni nt h ea d a m s c h a p t e r5i sa ne x p e r i m e n ti n c l u d i n gd e m a r c a t i n g t h em o v e m e n ta r e ao ft h em e c h a n i s mb ys e m i c l o s e dl o o ps y s t e m 。a n dt h e a n a l y s i so fe r r o rb e t w e e na c t u a lc u r v ea n do b j e c t i v ec u r v e 。砀er e s u l ts h o w s t h a t t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fs y s t e mi ss t a b l e ，a n dt h eg u i d e l i n e sa r ea c h i e v e d a t l a s t , c h a p t e r6i n t r o d u c e st h er e s u l ta n di n n o v a t i v ep o i n t so ft h i st h e s i s a n dp u t f o r w a r dt h er e s e a r c hd i r e c t i o n k e y w o r d s ：l o w e r l i m b so r t h o s i sk i n e m a t i c a n a l y s i s a n k l e 。s y s t e md e s i g n v i r t u a lp r o t o t y p e v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：么茎堑歪日期：幽。圣盖弓 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：么虹导师签名：臼座酗日期：岫 上海大学硕上学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本硕士论文是国家高技术研究发展计划项目( 项目编号2 0 0 6 a a 0 4 2 2 2 4 ) 研究的重要组成部分之一。 1 2 课题研究目的和意义 进入2 1 世纪后，我国也和世界上许多国家一样正在步入老龄化。据统计， 中国老年人口数量已超过1 3 亿人，占到总人口数的1 0 。预计到2 0 1 5 年，我 国老年人总数将突破2 亿人，2 0 2 7 年超过3 亿人，2 0 4 4 年将达到4 亿人【l 】1 2 1 。 近年来我国患心血管疾病的老年患者的人数正在不断增多，此外，由于交通事 故造成神经损伤或者肢体损伤的人数也越来越多。医学理论和临床医学证明， 正确科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高有非常重要的因素。 在最近的1 5 年中，步行训练已经逐渐成为一种成熟的康复方式【3 】。这种康 复方式主要针对那些下肢运动机能不良的病人，比如脊椎损伤和脑损伤病人。 一般来说人工步行训练是由2 至3 个理疗医师来进行，坐在病人的双腿旁。病 人的部分体重被医师所支撑起，他的腿和骨盆受医师引导和移动【4 1 。持续时间 和训练治疗的次数都是受限制的，因为这对于治疗医师来说是一份非常吃力的 工作。另外，这种引导型的步态方式有赖于治疗医师的经验和疲劳情况。为此， 许多国家都在开发，利用自动机械系统来实现下肢康复训练【5 】。 踝关节为人体最大的负重关节，由内、外、后三踝及周围韧带组成，踝关节 是既稳定又灵活的负重关关节，是人体与地面接触的枢纽，人体能够完成站立、 行走、下蹲、跑跳等动作，与踝关节的作用密切相关【6 】。踝关节的康复治疗，可 以预防踝部软组织粘连，提高踝关节肌肉力量，以及踝关节的稳定性和协调性， 恢复踝关节的功能。因此踝关节的康复对于整个康复过程是至关重要的f 7 1 。 社会发展的必然趋势作为医工结合产物的四肢康复设备的研究起步较晚，就 下肢和踝关节康复设备而言，产品功能单一，主要是指踝关节康复训练与膝关节 上海大学碰+ 学位论文 和髋关竹i l l 练分开，没有一套可以时对下肢三关节进行训练的器械，其应用范围 具有很大的局限性，现有产品的智能化程度并不高。目前，我国医疗设备自动化 程度较高的大多数为进口设备，成本较高【s 】。 为了解决上述问题，本课题中致力于研究一款带主驱动的脚踝康复下肢矫形 器以便能同时对下肢三关节进行康复训练，提高康复质量。 1 3 国内外研究概况 近几年来国内外对于康复训练仪器的研究越来越感兴趣，国外很多大学和公 司制造了各种用于康复训练的器械，并取得了很大的成功。我国对于康复治疗作 用的认识较晚，不过最近国家也开始重视康复器械的研发和使用，并也取得了重 要的进展。 l3 1 国内外康复机器人研究概况 康复机器人技术在欧美国家得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视许 多研究机构都开展了有关的研究工作近年来取得了一些有价值的成果。 图1 1r u t g e r s 脚踝康复系统 新泽西州立大学研究的r u t g e r s 脚踝康复系统 9 】1 1 0 l u 见图1 1 ，采用6 个气 动驱动器驱动一个平台实现脚踝多个方向的运动包括背伸、跖屈、内翻、外翻、 内收和外展。系统还采用了虚拟现实技术。患者在虚拟实现情况下可以感受到真 的感觉对于患者平衡能力的训练有很好的教果。 上海 肇醺学位论立 图l2b i o d e x 多关节系统3 b i o d e x 多关节系统3 ( 图1 2 ) ：是一台用于身体多关符综合康复系统，可控 制踩关节运动的阻力测量踩关节的输出力。从而使治疗专家根据量化肌肉的输 出力准确地对患者功能进行评估。 翻 惫 i ( a ) 摇摇( b ) i t p 关节 图l3 韩国新型足踝康复机器人m 】1 1 4 1 图1 3 上图是韩国大田y u s e o n g g u 大学研制的一款新型足踝康复机器人。该 机器人除了可以实现背伸、跖屈、内翻和外翻，还有一个很特别的优点：系统由 两个平台组成，两个平台可相互转动，因此可以产生脚趾和脚后跟之间的转动， 更加贴进人体的足踩的运动更加有利于足踩的康复。系统可以完成踝关节的功 能康复还可以恢复人体的平衡能力的选练。 l 海大学碰十学位论文 亚利桑那州大学研制的气动肌肉驱动器”，见图1 4 ，采用两个弹簧气动肌 肉( s o m ) 驱动器，就可以实现踝关节的背伸、跖屈和内翻和外翻。比较传统的 气动肌肉驱动器减少了两个驱动器。 图1 5l o k o m a t 下肢康复机器人 l o p e s 是荷兰t w e n t e 大学研制的步态康复装置( 图1 6 ) 。一条腿有三个自由 度：髋关节2 个，膝关节1 个。关节上的阻抗控制可是实现患者和外骨骼之间双向 的机械交互作用1 1 2 2 1 1 2 ”。 上毒大 硕 论立 图l6 l o p e s 康复机器人 由德国f r e e 大学开发的基于在步志康复l l 可编程踏板的原理丌发的这款康 复机器人 1 a p t l c w a i k e r 2 4 1 ，见图i - 7 ，不像机器人手设备或用于在蹄扳上步卷训 练的外骨骼机器，它们的相对重量轻、制造起束也应用得是要求较低的驱动器， 几乎时病人无_ ；l 。利用一个可编程带有永久足固定设备的踏板步行仿真器。捆绑 释放器允许一个踏板在任意方向任何自由度矢平面上安全释放。它由可调整的紧 急停止限制开关安装在一起的踝角度计组成这样保证被允许的踝运动范围不会 被超过规定范围。 图l7 机器人步行模拟器h a p t i c w a l k e r 莪国对康复机器人的研究起步比较晚辅助型康复机器人的研究成果相对较 多，康复训练机器人方面的研究成果则比较少。哈尔滨工程大学机电实验室所研 究的踏板式下肢康复训练机器人阱( 图l8 ) ，可以模拟正常人行走的步态、踝关 节的运动姿态以及重心的运动规律。浚机器人能带动下肢做行走运动，j 实现对下 肢各个关节的运动训练、肌肉的锻炼以及神经功能的恢复训练。通过获取脚的受 马l麓1壹油谰 匦瞬一”爵一 海大学磺士学位论文 力状态、腿部肌肉状卷和下肢关节状态等人体的生物信息协调重心控制系统和 步态系统的运动关系，使之与人体运动状态相协调，获得最佳训练效果。 图1 8 哈尔滨工程大学机电实验室所研究的下肢康复训练机器人 32 国内外下肢外骨骼的研究概况 美国加州大学研制的伯克利下肢外骨骼机器人( b l e e x ) 如图1 9 所示。该系 统由两条动力驱动的仿生金属腿、一个动力供应单元和一个用于负重的背包架组 成。该系统使用混合动力，即使用液压能驱动双腿行走，同时对随身携带的计算 机供应电能。外骨骼上共安装有4 0 多个传感器和液压驱动器，它们共同构成了一 个局域网络，该网络向计算机提供必要的信息，计算机根据这些信息了解操作者 当前的状态井据此对人的负载情况实时进行必要的调整。实验表明，操作者身 着重达l o g 磅的外骨骼，同时背上7 0 磅的背包在房间里行走，他所感觉到的重量 只有5 磅。通过气缸的k 度的变化来实现踝关节的背伸和跖屈而内翻和外翻， 内收和外展则通过装在足和下肢之间的弹簧片来提供阻抗l 【州。 由日本筑波大学的山海嘉之( y o s h i y u k i s a n k a i ) 教授所领导的c y b e r n i e s l a b 开发的h l ( h y b r i d a s s i s t i v e l i n l b ) 系列下肢外骨骼用于协助步态素乱的患 者行走( 图1 1 0 ) 。它采用了角度传感器、肌电信号传感器和地面接触力传感器 等传感设备来获得外骨骼和操作者的状态信息。它的所有的电机驱动器、测量系 统、计算机和无线局域网络，以及动力供应设备都整合到背包中。使用装在腰日j 的电池进行供电。 i l 拥有混合控制系统，包括自动控制器进行诸如身体姿态的 i 海大学磺学位论i 篆基 区互簪。 坶丈学唾j 岸位论立 国内浙江大学机电所开发研制的可穿戴式假胜( 图l1 2 ) ，该研究致力于开 发一套用于增强人体步行能力的可穿戴式下肢假肢，它引入人作为整个控制系统 的丰要部分，可以缓解人们由于过量的双足步行所引起的身体疲劳i 。 图11 2 浙江大学机电所丌发研制的可穿戴式假肢 韩国西江丈学的智能辅助步行机器人( i n t e l l i g e n t w a l k i n g a s s i s t i v e r o b o t ) t 其外骨骼设计初衷是为了方便体弱和行走不便的老人，扩大他们的运动范围和 话动能力1 。如图11 3 所示该外骨骼结构上的显著特点是整个装簧由两个部 分组成：外骨骼和手推车。在控制方面采用肌电信号( e m c ) 柬控制人腿的自由 摆动，传感器信号通过便携式计算机中的模糊控制算法束处理。 l 习 嗣一 一；溉勰泛墨囊融 图1 1 3 韩国西江大学的智能辅助步行机器人 上海大学硕士学位论文 1 3 3 现有下肢矫形器得不足之处 通过比较上述国内外研究的康复训练机器人和外骨骼，可以看出目前下肢康 复训练机器人存在以下的问题： 1 ，整个下肢康复训练的康复机器人，踝关节的训练是被动训练，例如最成 功的一款由瑞士苏黎世b a l g r i s t 大学研制的l o k o m a t 采用一条绷带来连接足部和 下肢，使两者保持9 0 。采用的是被动训练。 2 ，单独踝关节的康复的机器人研究较多，但是缺少髋关节和膝关节的联合 训练，不利于整个下肢的康复。 因此，本研究小组致力于研究带主动驱动的踝关节外骨骼步态矫正装置。 1 4 论文的主要研究内容 本论文以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，主要研究内 容包括基础性的理论分析和探索性的设计。下面是本课题的具体研究内容： 1 ) 根据人体解剖学原理，通过分析人体步态与踝关节运动之间的关系设计 下肢步态矫形器的自由度。通过估算法得到踝关节需要的最大控制力 矩，为后面的机械结构设计和控制系统设计作好准备。 2 ) 完成对下肢矫形器踝关节机械的设计：根据转速、扭矩以及其他系统要 求选择合适的驱动方式。 3 ) 下肢矫形器增加踝关节后，对6 自由度下肢矫形器进行运动学分析，推 导出正逆运动学计算。最后建立虚拟样机进行运动学仿真分析，验证推 导公式是否正确。 4 ) 对实验样机进行实验，检验其是否符合设计要求。 9 上海大学硕士学位论文 第二章运动功能训练在康复训练中的作用及踝关 节的运动机理 2 1 引言 下肢步态矫形器在使用过程中舒适性和实用性是首先要考虑的问题，为了设 计舒适使用的矫形器，其结构的拟人化非常重要。下肢步态矫形器是自动化机械， 但其设计还受到了下肢康复机理的限制。需要分析运动功能训练在下肢康复训练 中的作用，为机构设计提出具体的要求，而分析人类踝关节的结构及运动和人肌 运动原理，又是为类人形的矫形器设计踝关节提供理论依据。 2 2 运动功能训练在下肢康复训练中的作用及方法 康复( r e h a b i l i t a t i o n ) 是复原的意思，在医学上是指患者的功能恢复。以恢复功 能为目的的医学分支就称为康复医学( r e h a b i l i t a t i o nm e d i e i n e ) 。疾病引起机体 功能障碍，可是疾病的临床治愈往往并不伴随机体的功能恢复。康复医学要解决 的问题是功能障碍。康复医学的目的是恢复功能，可以通过功能恢复、功能代偿 和提供功能替代三种途径来达到目的。康复医学利用各种有利于功能恢复的疗法 来有目的、有计划地选择应用。这些方法主要有： 主动锻炼 在医务人员指导下由患者自己完成或主动参与的锻炼，是促进功能恢复及功 能代偿的主要手段，也是利用各种功能替代设施的必要过程。按目的与方法又有 以下几种： a 运动疗法( e x e r c i s et h e r a p y ) 或统称理学疗法( p h y s i o t h e r a p y ，p t ) ：可对受损害 的系统或器官的基本功能进行针对性的锻炼，促进其功能恢复或代偿，也可对整 个机体进行健身训练，以改善患者的体质。其应用极为广泛并常需长期进行。是 最基本、最积极、最重要的康复手段。 b 作业疗法( o c c u p a t i o n a lt h e r a p y ，o t ) ：是指导残疾人进行实用活动功能的锻 1 0 上海大学硕士学位论文 炼，目的在帮助患者尽量恢复生活自理能力。 c 语言疗法( s p e e c ht h e r a p y ，s t ：) 是语言障碍患者的语言学习或再学习过程。 d 气功疗法：是通过主动的“调身、调息、调心 ，对机体生理功能进行调节 的一种方法。 被动治疗 被动治疗包括理疗、针灸、推拿、牵引治疗，以及药物治疗等。除直接的功 能治疗作用外，多数作用在消除炎症及症状，为功能恢复创造条件，并为功 能锻炼提供方便，也是临床上的非手术治疗。 康复工程 为残疾人设计制作各种功能辅助或功能替代装置，如假肢、轮椅、助听器等。 康复手术 指旨在改善功能的手术，如白内障恢复手术、人工关节置换等，对某些残疾 的康复起关键作用。 康复心理学 观察患者各阶段的心理反应，采取必要对策 康复护理 康复护理要求执行活动性生活制度，防止过多休息，在日常护理工作中要生 理护理、心理护理并重，结合进行功能训练及心理引导，为功能恢复创造良好条 件。 运动疗法在骨科领域常称之为“功能锻炼 ( f u n c t i o n a lt r a i n i n g ) ，是利用运动 锻炼，通过促进功能恢复或功能代偿的途径来促进机体康复的方法。运动疗法对 预防并发症及保持整体健康有重要意义，是骨科康复的基本疗法。 运动疗法中的肢体运动，可按肌肉的作用程度分为主动运动( a c t i v e m o v e m e n t ) 、被动运动( p a s s i v em o v e m e n t ) 与助力运动( a s s i s t i v em o v e m e n t ) 。 主动运动：是由肌肉主动收缩完成，是医疗运动的主要方式，克服外加阻 力进行的主动运动又称抗阻运动( r e s i s t i v em o v e m e n t ) 被动运动：是由外力进行，肌肉不做主动收缩。常用以牵伸痉挛的肌肉、 肌膛及韧带组织，保持或恢复关节活动度或放松痉挛肌肉。用专用器械在一定范 围内作持续的被动运动以改善关节及周围组织的血液淋巴循环，改善组织营养的 方法称为连续被动运动( c o n t i n u o u sp a s s i v em o v e m e n t ，c p m ) 。 上海大学碰学位论文 助力运动：在肌肉主动收缩的基础上旆加被动助力，以保持或改善肌力及 关节活动度。 2 3 踝关节结构及运动 人在行走时足与踝关节是两个关键，因为全身重量都传导到这两个部位，它 们的结构很适于完成其功能。在行走或跑步时足跟或跖下的厚脂肪垫可以缓冲 震荡。在不同路面行走时，两侧踝关节能起调整作用，使身体很好地保持平衡。 踩关节为人体最大的负重关节，由内、外、后三踝及周围韧带组成，在行走时负重 为人体体重的2 5 倍，且作用于踝关节的承重应力得到缓冲甚少。腿部力量特别 是踝关节的力量在日常活动中的重要性，通过对踝关节力量的测试可以预测人摆 动、平衡、跌跤的可能性，腿部肌肉和踝部肌肉的另外一个重要作用是能够吸收 来自地面的冲击，对关节起到保护作用。 2 3 1 踝部关节结构 踝部关节包括踩关节和距骨下关节。前者由小腿的胫骨和胖骨下端与距骨体 上面组成后者在前者的下面，由距骨f 面与跟骨组成( 如图2l 所示) 。踝关节 和距骨下关节尽管在临床解剖学上是相互独立的两个关节，但是它们在实现下肢 负重和行走功能上的作用是分不开的，因此统称为踝部关节惴。 图2 1 踩部关节的骨性结构和部分外侧韧带( 左) 踩部关节的x 光摄像( 右) 上海大学硕士学位论文 2 3 2 踝关节的构成 踝关节由胫骨下端、腓骨下端和距骨组成。胫骨下端内侧的突出部分形成内 踝，腓骨外侧的突出部分形成外踝，胫骨下端和内外踝构成一个方形的踝穴。距 骨体紧密地嵌置于踝穴内，构成整个踝关节，如图2 2 所示。构成踝关节的骨骼 是由踝关节周围的三组主要韧带紧密地连接在一起，其由内向外依次为内侧带 ( 三角韧带) 、下胫腓带及外侧韧带。 2 3 3 踝关节的运动 2 妊毡 人体所有的关节的运动可分析为绕3 个互相垂直的轴心，沿着3 个互相垂直的 平面运动，即环绕额状轴在矢状面上运动、环绕矢状轴在额状面上运动和环绕垂 直轴在水平面上运动( 如图2 3 所示) 。人体各关节按活动功能，可以分为单轴关节、 图2 3 人体运动的轴和平面 1 3 上海大学硕士学位论文 双轴关节和三轴关节。单轴关节只能绕一个轴在一个平面上运动；双轴关节可绕 两个轴在两个平面上运动：三轴关节可绕三个轴在三个平面上运动。踝关节只限 于绕额状轴在矢状面上的运动，因此为单轴关节，但与距关节活动合在一起，即 成为能绕二轴旋转的二轴关节侧( 如图2 4 所示) 。 踝关节的关节面相互关节构成了一个滑车关节，其运动主要是绕冠状轴做屈 ( 跖屈) 和伸( 背伸) 运动。足向足背方向的运动，使足背与小腿间的夹角减小称为 伸，反之为屈，这也是踝关节的主要运动方式。踝关节的另外两种运动方式为外 翻和内翻，在踝关节正常的屈伸运动中，常伴有内翻域外翻动作。 一矿 一 、 j 一一， lf o ( c 图2 4 踝关节的四种运动方式 2 3 4 踝关节肌肉动力学模型 肌肉的力学性质十分复杂，它跟组成肌肉各成分的力学特性以及肌肉的兴 奋状态和疲劳有关。1 9 5 0 年，英国著名生理学家希尔( h i l la 提出了一个由三 个元素组成的肌肉结构力学模型( 图2 4 ) ，用此反应肌肉的功能。模型弹性成 1 4 上海大学硕士学位论文 分的弹性类似弹簧。对肌肉( 模型) 施以拉力时，弹性成分伸长。力的功等于 弹性形变能，当弹性成分恢复形变时，弹性形变能变成机械功。 整块肌肉的工作，按其工作性质可以分为两种情况：一种是动力性工作， 人体通过肌肉的缩短或者拉长，使身体环节发生运动的动力性工作，这时肌肉 完成机械工；另一种是静力性工作，工作时肌肉的长度不变，以肌纤维的高度 张力变化而进行的静力性工作，这时肌肉完成生理功。在步态康复训练中患者 主要利用的是肌肉的动态运动特性。 并骥弹性元 收缩元 串啜襻挫元 图2 5 骨骼肌的三原素模型 2 4 踝关节的机构设计 骨是有机体内部最坚固的结构，在有机体生活中起机械作用。全身各骨通过 骨连结构成骨骼，构成人体的支架。人类的骨骼由低级到高级逐渐进化，形态结 构比较完善与复杂，功能比较坚固及灵活。附于骨骼上的肌称骨骼肌，肌收缩时， 牵引骨移动位置，产生运动。如图2 6 所示骨、肌关系图。骨骼肌与骨、键连结 共同组成运动器官，其作用除了被动承受、传递外力以外，还能够执行神经系统 下达的指令，使身体发生运动。从解剖学知识知道，肌的两端通过键和骨相连， 当肌收缩时，它所产生的拉力即通过键传到骨上，使骨发生运动并在运动过程中 做功。可见肌提供使骨运动的主动力。肌相当于能收缩的单向活塞致动筒，骨相 当于连杆，键相当于接头，关节相当于铰链。如图2 7 所示为踝关节的运动机构 模型。所以，人体复杂的踝关节结构可简化连杆铰链机构，给机构设计、控制、 数学模型的建立和解算的方便。因此，本课题研究踝关节结构拟采用连杆铰链机 构。 1 5 上海大学硕士学位论文 惫 图2 6 踝关节骨肌解剖图 2 5 本章小结 囊 图2 7 运动机构模型 本章的综述分析康复训练的原理和方法，并且阐述了踝关节的组成、运动。 由此提出踝关节康复机器人踝关节机构设计模型，为下一步具体结构设计提供依 据。 1 6 上海大学硕士学位论文 第三章下肢矫形器足踝关节结构设计 3 1 引言 下肢矫形器踝关节主要是通过带动人体踝关节按照人类标准步态运动从而 实现康复功能，为此，在机械结构设计过程中，包括：关节机构的设计和驱动、 运动自由度的分配和布置等工作。 本章节主要任务是进行下肢矫形器踝关节机械结构的设计，首先在上一章 节对人体踝关节认识及机构设计的基础上选择合适的自由度，然后根据下肢矫 形器工作环境、负载情况等因素选择合适的驱动方式，最后进行足踝机械结构 设计，其中包括了驱动器的设计、踝关节连接设计、足部结构以及其他一些组 成部分的设计。 3 2 下肢足踝关节结构设计要求 由文献 4 1 表明，人体直线步行时踝关节在矢状面运动的背伸和跖屈是最主 要的运动。根据主动步态矫形器( p o w e r e dg a i to r t h o s i s ，p g o ) 设计，且为 了保证患者的安全和结构一致性，踝关节只考虑背伸和跖屈运动。 康复机器人的足部机构设计是一个重要的组成部分，对于患者踝关节的康复 特别重要。设计的足部机构要有如下功能： 充分考虑到仿生学和人体工程学的因素最大模拟真实下肢功能。 使机器人能够适用于不同患者。有些患者由于足部发育不足，产生畸形， 在训练中要保证患者的足部保持正确的姿势；而有些患者足部发育良好，只要 保证正确的运动轨迹； 由于足部结构要接触跑步机，人体和外骨骼的重量要通过它传送到跑步 机上，因此要保证它有足够的强度和使用寿命； 这是人与外骨骼接触的重要部位之一，必须保证穿戴舒适。如果不舒服 的穿戴将产生不规则的步伐和在患者足部产生额外的力，可能伤害患者； 1 7 上海大学硕士学位论文 必须便于穿戴； 必须能与下肢康复训练机器人下腿装配。 3 3 人体踝关节运动特性 由临床步态测试( c l i n i c a lg a i ta n a l y s i s ，c g a ) 训删可知踝关节主要 运动背伸跖曲角度曲线如图3 1 、踝关节背伸跖屈力矩曲线如图3 2 、踝关节背 伸跖曲功率曲线如图3 3 ，可以看出： 背伸的最小角度为2 0 。且发生在摆动阶段初始时；跖曲的最大角度为+ 1 0 。， 且发生在站立阶段的后期。 最大的力据点发生在背伸阶段且是站立的后期，力矩非常大，大概1 2 0 n * m ， 而在摆动阶段力矩很小，基本为0 。 踝关节功率最大处也在站立阶段的后期，平均功率是正功率，踝关节需要做 功，因此对于患者来说要用驱动器取代来做功，且最大值为2 0 0 w 。 耄 摹 彩祭 厂、 ，。、- - 、，圆 0 ； ， 、， t o 霸l n g 图3 1 踝关节背伸跖屈角度曲线 细膏( ) 图3 2 踝关节背伸跖屈力矩曲线 1 8 上海大学硕士学位论文 瞻哺i 图3 3 踝关节背伸跖屈功率曲线 3 4 踝关节及足部总体设计 由上一章得出踝关节的机构模型，设计机构模型简图( 图3 4 ) 。由上一 节可知，当关节角度位置为背伸1 0 0 ，即l 与l 4 之间的角度为8 0 0 ，此刻当l 3 与l 4 垂直时，f 所需要的力最小。由人体构造和机械机构首先要设定参数 l 。= 2 9 3 m m ；l , = 9 6 m m ，由三角关系可得l 4 = 1 0 4 m m 。 囊 图3 4 踝关节机构模型简图 在布置好驱动器的位置之后，接下来的工作就是要确定驱动器的运动范 围，即行程。显而易见，每个驱动器的直线运动范围是由它所对应的关节屈伸 运动的摆动幅度所确定的。踝关节屈伸角度变化的平均值和标准偏差。虽然具 体到每个人来说，由于个人走路习惯的不同，可能每两个人的变化曲线都不尽 相同，但一般正常人的角度变化轨迹都应该在标准偏差之内，即处于图3 1 所 1 9 t 海大学顿学位论文 示的曲线所包含的范围内。所以，根据这三条包络线，就可以确定屈伸角的最 大变化范围。根据人体运动学的统计数据，人在正常步行的时候，踝关节关节 的摆动范围大概为3 4 度。其中背伸为1 4 0 ，跖屈为2 0 6 。 图35 踝关节机构模型示意图 在得到关节屈伸运动的摆动幅度后为求解驱动器的直线运动范围，需要 了解驱动机构的几何特性。将外骨骼的三维结构进行简化，可以提取出踝关节 的机构示意图，如图3 5 所示。可以发现，这两个机构都是常用四杆机构中的 导杆机构，均为平面机构。在外骨骼其余部分几何尺寸确定和踝关节角度变化 范围己知的情况下，利用三角函数关系可以很容易地求得可变边长l 的变化范 围，从而确定丝杆的长度。 根据上述的各项设计要求以及设计模型，设计出下肢康复训练机器人踩关 节的机械结构，主要是利用s o l i d w o r k s 进行三维造型和结构设计。图3 6 是下 肢外骨髂康复机器人整体踩关节机械结构。 电 萨夕 碰 图3 6 踝关节设计 上湃儿心 上海大学硕士学位论文 3 5 驱动方式的选择与实现 如果把连杆以及关节想象为机器人的骨骼，那么驱动器就起到肌肉的作用， 它通过移动或转动连杆来改变矫形器的构型。驱动器必须有足够的功率对负载 加速或者减速。同时，驱动器本身要精确、灵敏、轻便、经济、使用方便可靠 且易于维护。驱动器选择的要求： ( 1 )驱动装置的质量尽可能的轻，单位质量的输出功率要高； ( 2 )反应速度快，即要求力与质量比和力矩转动惯量比要大； ( 3 ) 动作平滑，不产生冲击： ( 4 )控制尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小； ( 5 ) 安全可靠，经济合理。 3 5 1 驱动方式选择 目前机器人的驱动方式主要有液压驱动h 副、气压驱动和电机驱动h 6 1 三种方 式。其中电机驱动系统是利用电力设备并调节电参数来传递动力和进行控制的 一种传动方式。其优点是能量传递方便( 导线柔软，连接方便) 、信号传递迅速、 标准化程度高、易于实现自动化、结构精简、无污染等。结合已十分成熟各种 控制方法，可以实现精确的过程控制。这里，下肢矫形器采用了电机驱动方式。 常用的驱动电机有交流伺服电机，直流电机和步进电机。由于交流伺服电 机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服电机还具有较 强的过载能力可以弥补一般步进电机过载能力的缺点，同时交流伺服系统的加 速性能较好也是在交变式的人体下肢步态中所需要的重要性能。根据实际情况， 在下肢矫形器中电机选择中采用交流伺服电机 利用电机驱动实现直线往复运动，有很多方案可以选择，较为精密的是： 1 电机带动齿轮齿条传动，2 电机带动滚珠丝杠传动，3 直线电机。齿轮齿条 传动涉及到齿轮加工的精度问题因此其传动精度没有后两者高，并且齿轮齿条 机构的在高速下的润滑也不好处理。直线电机精度超高，稳定性好，适用于高 速场合，加减速性能很好，但是价格太高，而且在康复训练过程中没有必要有 2 1 拇大学埔学位论文 这么商的定位精度。电机带动丝杠是较为常用的方式，丝杠的加工技术一直锻 稳定，加工精度很高，传动精度也很高，跟伺服电机步进电机配套使用其精度 可达到微米绂造价也还可以，主要缺陷是传递距离不够，但是经过计算外骨 骼康复机器人的直线运动范围是很小的。所以经过分析最终决定采用直流电机+ 同步带轮+ 滚珠丝杆。增加同步带轮主要是由于伺服电机转速较高，单纯丝杆的 减速比是不够的，本文通过选用简单的同步带来实现一级减速，如此即可以增 加减速比又能实现电机与丝杆之间的顺利连接。 3 5 2 驰动器设计 踩关节驱动是由自主开发的滚珠丝杠式电动直线驰动器驱动的。图3 7 和 3 8 分别是驱动器外观罔和驱动器内部爆破图。电动线性驱动器( 包括伺服电机、 滚珠丝杆、同步带、大小同步带轮、轴承和套简。将轴承，同步带，大同步带 轮依次安装在滚珠丝杠螺母上，然后将其装在套筒里。将支架和套简安装连接， 便于将电机安装在支架上。在电机的轴端，安装小带轮用同步带将小带轮和 大带轮连接。当电机转动，经同步带，带动丝杠螺母旋转，丝杠实现直线运动， 从而推动躁关节旋转运动。该机构可以提供较大的减速比以及较大的力矩，在 保证结构紧凑的同时实现很高的机械效率。 图3 7 驱动器外观图 上海大学顿士学位论文 倒3 8 驱动器内部爆破圈 一个7 5 k g 正常人在平坦的路面上以1 3 m s 速度行走时踩关节所需要的 最大输出功率。为2 0 0 w 最大输出力矩t 为1 2 0 n l i t ，且照大位置所在关节 角度为背伸1 0 0 左右 2 6 】，因此设计以此角度为标准。 昂= 2 0 0 w 乓- = = ， 。2 9 7 0 8 5 = 2 4 3 w ( 3 1 ) 丝杆的导程为l - 5 m m ，t - 1 2 0 n m ，则 f = t l 4 = 1 2 0 01 0 4 - 1 1 5 3 n( 3 2 ) t l f 1 m 一2 x o i o r a 。 00 0 5 1 1 5 3 2 3 1 4 2 09 7 0 8 5 = 0 5 7 n m ( 3 3 ) 考虑到患者是在跑步机上康复训练 功率和力矩，再加上还有减重系统 跑步机的运动抵消了人体正常运动的 最后选择日本安川的交流伺服电机 s g m a h 0 2 a 作为下肢矫形器的驱动源，表31 列出了交流电机的技术参数。图 3 8 为伺服交流电机s g m a h 0 2 a 的实物图。 i 海 学硕学位论文 图3 9 交流伺服电机外观图 表31 伺服交流电机s g m a h 0 2 a 技术参数 型号s g m a h 额定输出( k 矿) 02 额定转矩( _ m ) 06 3 7 转动惯量( k gm 2 ) 0 1 0 6 x 1 0 额定电流( 一) 2 l 额定转速( m i n 。1 ) 3 0 0 0 是高转速( m i n 。) 5 0 0 0 35 3 同步带轮的设计 同步带传动具有以下特点： ( 1 ) 传动准确工作时无滑动，具有恒定的传动比； ( 2 ) 传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低； ( 3 ) 传动效牢高，可达09 8 ，节能效果明显； ( 4 ) 维护保养方便，不需润滑，维护费用低； ( 5 ) 速比范围大，一般可达1 0 ，线速度可达5 0 r i g s ，具有较大的功率传递 范围可达几瓦到几百千瓦； ( 6 ) 可用于长距离传动，中心距可达1 0 m 以上。 同步带传动的主要失效形式是同步带疲劳断裂，带齿的剪切和压馈已经同 步带两侧边、带齿的磨损。同步带论传动设计时主要是限制单位齿宽的拉力。 上海大学硕上学位论文 表3 2 同步带传动的设计公式 计算项目 设计公式 设计功率p d = k a - p = 1 1 5