基于柔索驱动的踝关节康复机器人的研究.pdfVIP

· 现代设计与先进制造技术 · 黄海灵 吴洪涛 陈 柏 基于柔索驱动的踝关节康复机…… 27 基于柔索驱动的踝关节康复机器人的研究 黄海灵，吴洪涛，陈 柏 (南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016) 摘要：根据人体踝关节的运动特点和柔索驱动并联机构的优势，提 出了一种新型柔索驱动的3自 由度并联机构踝关节康复机器人。采用封闭矢量四边形法则，建立了该机构的逆向运动学模型， 并根据踝关节康复运动规律，对柔索驱动机器人进行了运动学仿真，得出驱动柔索长度变化规 律，柔索长度变化的连续性证明了该机构的可操作性。 关键词：踝关节康复机器人；柔索驱动；并联机构；运动学模型；运动学仿真 中图分类号：THll2 文献标识码 ：A 文章编号：1672—1616(2012)03—0027一O3 由于踝关节是人体的承重关节，人足在站立和 达工作空间大、惯性小、制造成本低、易于进行结构 行走时承担着身体的全部重力，尤其是在奔跑、跳 变更等一系列优点，正被逐步应用于康复运动的主 跃和身体负重的时候，踝关节承受着巨大的载荷和 动控制中_55_。因此设计一种基于柔索驱动的康复 冲击，致使踝关节扭伤在 日常生活中较为常见 J。 机器人以满足不同患者对踝关节的康复需求，这不 随着科技的发展，汽车等交通工具的广泛应用以及 仅拓宽了柔索驱动并联机器人的应用范围，而且在 人 口老龄化，越来越多的人遭受着因疾病或意外事 探索康复机器人领域的研究中有着重要的理论价 故带来的踝关节运动障碍或损伤。临床治疗证明， 值。同时，将踝关节康复机器人转化为机器人产 外力辅助下的康复理疗能有效预防关节肌肉的萎 品，为踝足关节损伤患者提供一种更安全可靠的康 缩，实现肢体和关节机能的恢复，然而医护人员如 复设备，也具有重要的实际意义。 理疗专家的短缺已不能满足 日益增长的康复需求。 目前临床使用的辅助踝关节康复训练的医疗 1 踝关节运动特点 器械主要有弹力绷带、塑料泡沫滚筒、Biodex平衡 分析踝关节的运动特点是设计踝关节康复机 系统、Biodex3多关节系统等2，这些器械大多需 器人的前提，也是评价踝关节康复效果的主要依 要人力来完成，且功能单一，大多仅提供关节一个 据[6l。 方向的运动，对关节整体功能的恢复尚存不足，而 人体踝关节可视为球面副，其运动可简化为在 且使用不当易造成关节的再次损伤。美国新泽西 3个平面 内的转动，最主要运动为背伸 ～25。～ 大学研制成功的基于Stewart机构、具有6个 自由 一 30。、趾屈 40。～50。，此外还有 内收25。～30。、外 度的并联踝关节康复机器人_33¨，其运动平台可以 展一25。～一30。和外翻 15。、内翻一35。～一40。2种 实现三维转动，同时还会带动脚掌和小腿进行移 运动方式 7【l。 动，结合虚拟现实系统可以使患者模拟进行多种情 景下的康复训练。文献[4]提出了4一UP(Pe)S／S 生物融合踝关节康复机器人，上述机器人大多是以 2 柔索驱动踝关节康复机器人整体 杆件驱动，在辅助患者作康复训练过程中较易产生 设计方案 有害冲击，造成患者的不适与不安。所以如何综合 由于柔索只能施加单向的拉力，所以必须有冗 只具有