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穿戴式下肢外骨骼康复机器人机械设计

Design

XXXoftherobot。aswellasthekeyissuesinthedesign

process。wereanalyzedbasedonitsnandworkingprinciple。

nicswasusedtodesignthedegreeoffreedom。rangeofn。and

linksizeoftheexoskeletonrobot。XXXresearch。analysis。and

design.

XXX:XXX。XXX。nics。XXX.

穿戴式下肢外骨骼康复机器人是一种带有助力功能的外骨

骼装置，被穿戴在患者的下肢外部。除了提供助力、保护和身

体支撑等功能外，它还融合了传感、控制、信息获取和移动计

算等机器人技术，使得机器人能够在患者的无意识控制下完成

助力行走等任务，是一个典型的人机一体化系统。在医学领域，

许多机构正在积极投入研究，如XXX的eLEGS、XXX的

HAL系列下肢外骨骼机器人、XXX的“动力辅助服”PAS和以

色列的rewalk助走器等。

本文设计的穿戴式下肢外骨骼康复机器人主要用于截瘫、

踝部以上部位下肢手术患者以及骨关节炎患者的康复治疗。对

于截瘫患者，它能够与患者实现人机结合，以正确的助力方式

带动病人进行类正常人的行走，从而协助患者迅速康复。对于

踝部以上部位下肢手术患者，外骨骼机器人可用于手术后下肢

体的运动康复，加快患者下肢肌肉运动能力的恢复。对于骨关

节炎患者，外骨骼机器人可以通过助力减轻行走过程中膝关节

的疼痛感。

穿戴式下肢外骨骼康复机器人的工作原理是通过符合或跟

随人节拍的适当转矩、驱动机器人髋、膝、踝关节转动，从而

在穿戴者腿部绑带及足部产生相应的助行力，实施了对患者的

康复助行。设计中的关键问题是在实现目标功能的基础上，充

分考虑轻量化、集成小型化、穿戴方便和快速可调的原则。机

械结构基于仿生学原理，实现对下肢外骨骼康复机器人的关节

布置、自由度分配及动作设计。电机驱动方式被采用，具有易

于控制、运动精度高和响应快等优点。

对于截瘫或踝部以上部位下肢手术患者，康复治疗的重点

在于髋关节和膝关节。因此，现有的康复机器人设计并未考虑

踝关节的屈伸自由度，而是采用了不能旋转的刚性结构来支撑

患者的体重。但对于一些仍具有活动能力的患者，如骨关节炎

患者，如果将其足部与小腿绑定，会增加其行走的不舒适性。

因此，需要设置有踝部的屈伸自由度的外骨骼康复机器人。

综上所述，本文设计的下肢外骨骼机器人具有8个自由度，

包括髋关节屈/伸运动、髋关节外展/内收运动、膝关节屈/伸运

动、踝关节背屈/跖屈运动，其中踝关节的背屈/跖屈运动可以

根据不同病人选择是否锁死。

根据正常人行走过程中下肢各关节的运动范围，本文设计

了穿戴式下肢外骨骼智能康复机器人的各关节运动范围，包括

髋关节屈/伸范围-35～25度、外展/内收范围-10～5度、膝关

节屈/伸范围-70～度、踝关节背屈/跖屈范围-20～25度。

为了适应不同身高的人群，机器人的大小腿连杆及腰部连

杆必须设计成可以调节的形式。根据中国成年人人体部分尺寸

标准，本文设计了康复机器人各机构的合理尺寸，包括大腿杆

尺寸范围380～524mm、小腿杆尺寸范围310～418mm、腰

杆长度尺寸范围274～350mm。

在连杆机构设计方面，需要考虑机器人的稳定性和操作性。

本文设计了一种可锁死的被动式踝关节屈/伸自由度，可

根据需要对踝关节进行开锁或者锁死。这种设计可以帮助外骨

骼机器人评估、重建和提高残疾肢体运动肌灵活性。从仿生学

角度为外骨骼机器人配置自由度，设定关节活动范围及连杆尺

寸，对机械结构进行了初步设计，为进一步的研究、分析、设

计工作打下了基础。

参考文献：

1]G。L。Guglielmelli。XXXandpersonalrobots:XXXof

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2]XXX，XXX，XXX。康复机器人研究进展。XXX，

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