一种生物融合式踝关节康复机器人的设计-中国康复医学杂志.pdf

Chinese Journal of Rehabilitation Medicine, Jul.2013, Vol.28,No.7 ·康复工程· 一种生物融合式踝关节康复机器人的设计* 边 辉 汪 琦 刘 晓 赵铁石1 2 1 1 摘要 目的：设计一种康复机器人用于损伤踝关节的运动康复治疗。 方法：基于对踝关节生理结构的分析，结合机构学理论知识将其等效为球面副，应用生物融合式康复机构设计理念 得到包含弹性转动副的人机闭环机构; 应用球面几何、影响系数法对该机构进行康复运动分析，并综合考虑安全、 卫生、患者康复体位等因素完成踝关节康复机器人样机设计。 结果：本研究所设计的康复机器人在运动过程当中，可以通过对机械驱动量的改变实现踝关节一定姿态下输出作用 力的调整。同时，还可以在机械驱动量不变的条件下通过对踝关节主动作用力的改变实现其位姿的调整；实验验证 该康复机器人样机在电机驱动下可实现踝关节典型康复运动，能够满足踝关节康复治疗对机器人运动形式的要求。 结论：基于生物融合式康复机构所研制机器人在完成踝关节基本康复运动的同时，可以充分发挥患者能动性从而实 现更好的康复治疗效果。 关键词 踝关节;生物融合;康复机器人;运动分析;设计 中图分类号：R496 文献标识码：B 文章编号：1001-1242（2013）-07-0650-05 踝关节扭伤是骨科临床常见的运动伤，其发生率在下肢 动，但由于转动中心位于机械机构内部、空间上不能够与踝 损伤中居第二位。一方面由于踝关节相对灵活的生理结构， 关节中心重合，使得康复运动过程中踝关节的位置不断改变 另一方面由于踝关节在奔跑、跳跃和身体负重时承受了巨大 而导致康复角度不准确；③由于不具有移动自由度而不能结 的载荷和冲击，综合导致踝关节扭伤在日常生活中较为常 合康复需求对踝关节进行牵引治疗；④踝关节的运动完全由 见。踝关节扭伤的治疗除了及时采取冷敷和药物治疗外，还 机械确定，人体不能从机构层面影响康复运动，安全性差。 需要在关节肿胀消退、疼痛减轻后，积极地进行康复训练，防 针对上述问题，本文提出一种生物融合式踝关节康复机器 止关节粘连的同时加速关节组织的愈合，增强踝关节周围韧 人。这是一种以机械力学与生物生理运动学相结合的设计, 带肌肉力量，提高踝关节的柔韧性、稳定性及协调性，预防踝 它不仅可以实现脚掌围绕踝关节中心的复合康复运动以及 [1—3] 关节反复扭伤或功能障碍等后遗症的产生 。随着运动康 对踝关节的牵引治疗，且由于人体可以从机构层面对机器人 复理论及机器人技术的发展，出现多种踝关节康复机器人辅 运动进行调节，使其具有较高的安全性。 助治疗师为患者进行踝关节的运动康复治疗。康复机器人 运动平稳可控，不仅可以保证训练的效率和强度，而且能够 1 踝关节及其机构学等效 在康复过程中对各种数据进行实时记录用于治疗效果的评 踝关节又叫距骨小腿关节，是由小腿的胫骨和腓骨远程 价及治疗方案的修正，其使用改进了传统的康复治疗手段并 关节面与距骨滑车构成的复关节，具体结构如图1所示。踝 [4—9] 提高康复治疗的效果和效率 。 关节的解剖结构决定其可实现绕3个互相垂直轴的转动运 目前出现的多种踝关节康复机器人虽然各具特色且一 动，即人足的内翻/外翻、背屈/跖屈运动和内收/外展运动。 [10—16] 考虑到人体中骨骼和关节与机构学中的构件和运动副 定程度上提高了踝关节康复治疗的效率和效果 ，但也存 在着一些不足：①因机构自由度不足，机器人只能实现踝关 的相似性，从工程学角度，对人体进行机构学等效建模。跖 节个别运动的康复治疗；②虽然具有3个转动自由度可以带 骨形状不规则使得踝关节3条运动轴线不是交与一点而是 动踝关节进行外翻