外骨骼式步态康复训练机器人构型研究

引言

人体下肢支撑着人的身体,担负着行走的功能,在日常生活中发挥着重要的作用,人体下肢康复训练机器人的研究具有重要的理论意义和实际应用价值,已成为康复机器人领域的研究热点。

目前,下肢步态康复训练机器人大多采用机械外骨骼结构或者踏板结构实现康复运动,或者通过驱动人体盆骨来校正人体步态。采用外骨骼结构的步态康复机器人如Lokomat步态康复训练机器人,其主要由步态矫正器、体重支持系统和步行台组成。其步态矫正器为外骨骼结构,每条外骨骼具有两个自由度,可实现髋关节和膝关节在矢状面内的运动。秦涛等设计的踏板式步态康复训练机器人,左右两套踏板采用同一台电机驱动,可实现步态控制、踝关节姿态控制以及跖趾关节姿态控制。RGR(RoboticGaitRehabilitation)系统则采用了驱动人体盆骨进行步态康复训练的方式,此系统由体重支撑系统、盆骨运动系统和步行台构成,盆骨运动系统在人体左右两侧各有一个运动单元,每个运动单元由两个相互垂直的滑轨构成,机器人通过臀部连接支架与患者相连,应用线性电机作为执行元件,可对盆骨的异常运动产生作用力。

机械外骨骼可以直接驱动人体下肢的各个关节,且结构相对简单,但是通常需要与步行台配合使用实现康复训练,并且康复训练过程中步行台会对人体的步态产生一定的影响。踏板结构虽然不需要使用步行台,但由于其不能直接驱动下肢关节,所以使用中难以使患者下肢各关节按一定的步态参数进行康复训练。通过驱动人体盆骨来校正人体步态可以达到一定的康复训练效果,但是需要步行台配合进行康复训练,并且与踏板结构类似,此种方式也不能直接驱动下肢关节。

根据偏瘫患者步态康复训练的需要,现设计了一种能够支撑患者体重,并且不需要步行台的下肢外骨骼式步态康复训练装置,该装置能够实时检测患者健肢的运动参数,生成步态模型,并以该模型作为患肢运动的参考,当患者患肢能够自主运动时,患肢侧外骨骼系统跟随患者患肢运动,不对患肢运动产生影响。当患肢的运动参数与健肢相关参数产生的误差超出许可值时,患肢侧外骨骼系统带动患肢运动,帮助患者完成康复训练。这样,既使患者的步态更加自然,又增加了患者的主动参与程度。

1步态康复训练机器人结构

本文所设计的步态康复训练机器人机构包括腋下支撑机构、患肢侧外骨骼机构以及健肢侧机构,如图l所示。

康复训练时,腋下支撑机构支撑于患者的腋下,支撑人体部分体重,以减轻下肢的负担。患肢侧外骨骼机构安装有伺服电机,能够带动人体患肢运动,并安装有压力传感器,用以感知患者患肢与患肢侧外骨骼间的相互作用力。健肢侧机构能够检测人体步态参数,以健肢的各关节的运动参数作为患肢运动的参考,并能模拟地面,为健肢的步行运动提供足底反力。

康复机器人的整体结构采用对称结构,进行康复训练时,患肢为左腿的偏瘫患者进行康复训练时面向A向,而B向可为患肢为右腿的偏瘫患者进行康复训练,只需要更换脚部部件,患者从不同的方向进入,康复训练机器人就可为具有不同患肢的患者提供康复训练。

2各部分结构与功能

2.1腋下支撑机构

腋下支撑结构用以承担患者部分体重,同时起到固定人体躯干的作用,其结构示意图如图2所示。

图2腋下支撑机构

腋下支撑机构具有两个自由度,可以在水平方向和垂直方向进行手动调节,以适应不同的患者。水平方向调节机构采用了丝杠螺母传动机构,垂直方向调节结构采用了丝杠螺母与涡轮蜗杆相结合的传动机构,以实现自锁。

2.2患肢侧外骨骼机构

患肢侧外骨骼机构要能够带动患者患肢实现矢状面内的运动,患肢侧外骨骼结构如图3所示。

图3康复机器人患肢侧外骨骼结构

1一踝关节轴2一膝关节轴3一髋关节轴4一髋关节电机

5一膝关节电机6一大腿连接装置7一踝关节电机

8一小腿连接装置9一脚部支撑及检测装置

患肢侧外骨骼包括三个关节:髋关节、膝关节和踝关节。髋关节通过支撑机构和连接机构固定于架体上。髋关节结构为:髋关节伺服电机4与减速器连接,减速器经联轴器带动锥齿轮传动,锥齿轮带动髋关节轴3运动,进而带动外骨骼大腿部分运动。膝关节、踝关节与髋关节原理类似,伺服电机和减速器分别固定于机器人大腿和小腿上,通过锥齿轮传动带动各关节运动。大腿和小腿部分采用了两根连杆,伺服电机、减速器以及传动机构位于两个连杆中间,既增加了结构的强度,又提高了安全性。

患肢侧外骨骼设计中,不仅要考虑将患者腿部与外骨骼进行连接,还要考虑到康复过程中对患肢与外骨骼间的相互作用力的感知,以及患肢位置的检测。患肢的位置可由各关节伺服电机中的编码器进行检测。为了获得患肢与外骨骼间的相互作用力,设计了具有力检测功能的患肢腿部连接装置。患者在大腿和小腿及脚部与机器人相连,大腿和小腿的连接装置结构相同,其结构如图4所示。

图4腿部连接装置

连接装置前后方向各设计内板和外板,外板起固定患者腿部的作用,内板与外板之间装有弹簧,外板内侧装有压力传感器,用来测量患者腿部与康复机器人外骨骼之间的作用力,弹簧可以起到缓冲的作用。

脚部连接装置不但要支撑患者部分体重,还要能够检测脚面以及脚背与外骨骼之间的相互作用力,所设计的脚部连接装置如图5所示。

图5脚步支撑及检测装置

在踏板中后部设计了一个中空的脚部垫块,用来支撑人体的重量。脚部连接装置上下各有一个压力传感器,进行康复训练时,患者脚的前部放在检测机构中间。这样,可以实现支撑患肢及检测脚部与外骨骼间相互作用力的目的。

2.3健肢侧机构

健肢侧机构包括三自由度外骨骼式关节运动参数检测装置、具有平面四杆结构的原地步行机构,以及安装于其间的力检测装置,如图6所示。

三自由度外骨骼式关节运动参数检测装置结构如图7所示,该结构具有3个自由度,髋、膝、踝关节各有1个旋转自由度。每个关节各装有1个角位移传感器,测量各个关节的运动参数,用以建立步态模型。该步态模型,一方面作为患者患肢康复训练时的参考依据,另一方面为原地步行机构足底反力的控制提供位置信息。

偏瘫患者健肢具有运动能力,以患者健肢的运动参数作为患肢的运动参考是较为理想的康复训练模式。固定式康复训练装置在康复训练中,需要为患者健肢提供模拟地面的平台。

外骨骼式康复训练设备,其髋关节固定,人体下肢支撑相(A1一B1一C1)的运动如图8所示。脚部的运动轨迹为弧线,而在地面上行走时,脚部与地面接触,其轨迹为直线。

为了使患者在进行康复训练时,感觉如地面上行走一样,设计了具有平行四边形结构的原地步行机构,其运动简图如图9所示。A轴为平行四边形机构的驱动轴,进行康复训练时,A轴与健肢髋关节轴线重合,AB为机架,AD的长度与人体髋关节到脚底部的长度相等,在支撑相,脚部与杆CD接触,在9取值范围内,杆CD始终与地面平行。控制四杆机构的运动,在整个步态周期内,使踝关节的运动轨迹始终处于AD杆上,在摆动相及支撑相前半段,由伺服电机带动四杆机构跟随患者健肢运动,在支撑相后半段,四杆机构为健肢提供足底反力,这样可以有效模拟地面,实现原地步行。

图9原地步行机构运动简图

本文所设计的原地步行机构如图10所示。脚部支撑用以支撑患者的踩踏力,伺服电机与减速器相连,减速器的输出端与旋转式磁流变阻尼器外壳相连,阻尼器内轴与锥齿轮相连,伺服电机与旋转式磁流变阻尼器联合使用,可为平面四杆机构的运动提供驱动力矩或阻尼力矩,驱动力矩用以驱动原地步行机构跟随健肢运动,阻尼力矩用以模拟人体脚部与地面的水平作用力。运动过程中,脚部支撑始终与地面保持平行。

图10原地步行机构

康复训练过程中,在健肢摆动相以及支撑相的前半段,原地步行机构随患者健肢一起运动,这一过程中,阻尼器输出最大阻尼力矩,其作用相当于联轴器,伺服电机根据下肢关节运动参数机构与原地步行机构间相互作用力,驱动原地步行机构跟随患者健肢一起运动。

在支撑相后半段,伺服电机保持静止,阻尼器根据人体足底反力变化规律输出变化的阻尼力矩,为患者健肢提供足底反力。

为了检测健肢关节运动参数装置与原地步行机构间相互作用力,在其间设置了力检测装置,如图11所示。

图11力检测装置

该装置主要由外框、弹簧、导杆以及压力传感器等部件组成。运动过程中,键肢带动踝关节运动的同时,也带动外框运动,弹簧受到压缩,压力传感器产生压力信号,数据采集卡采集压力信号,工控机获得压力信息后,发送指令驱动伺服电机运动,使原地步行机构跟随健肢运动。

3结语

本文设计了具有原地步行功能的下肢步态康复训练机器人机构,患肢侧外骨骼三个自由度可以实现人体下肢的髋关节的屈/伸、膝关节的屈/伸、踝关节的屈/伸运动,与人体连接装置中的压力传感器可以感知人体与机器人间的相互作用力。健肢侧机构中的健肢运动参数检测装置可以检测患者健肢髋关节、膝关节和踝关节的运动,建立步态模型后可以作为患肢运动的参考,原地步行机构具有平行四边形结构,能够较好地模拟地面,并能够为患者健肢提供足底反力。所设计的外骨骼式步态康复训练机器人可以较好地为偏瘫患者提供康复训练功能。