基于仿生運(yùn)動(dòng)的康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

黎蘭豪崎 嚴(yán)榮 潘楠

（昆明理工大學(xué)民航與航空學(xué)院 云南省昆明市 650500）

雖然我國(guó)的康復(fù)醫(yī)學(xué)水平正處于快速發(fā)展的過(guò)程中，但是康復(fù)醫(yī)學(xué)大部分的情況都是治療師一對(duì)一對(duì)患者進(jìn)行治療和指導(dǎo)，這種方式不僅僅效率較低，同時(shí)治療質(zhì)量也將會(huì)直接取決于康復(fù)師的技能水平。而康復(fù)機(jī)器人屬于在近些年來(lái)出現(xiàn)的全新機(jī)器人，需要進(jìn)行更深層次的研究。本文主要針對(duì)于人體的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了分析，提出了康復(fù)理論對(duì)于康復(fù)機(jī)器人康復(fù)活動(dòng)起到的影響，闡述了未來(lái)康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式以及優(yōu)化方法。

1 人體仿生關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

康復(fù)機(jī)器人在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，大部分的情況都是針對(duì)于人體的下肢來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且康復(fù)機(jī)器人將會(huì)直接與人體進(jìn)行接觸。因此，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要考慮到康復(fù)機(jī)器人的舒適性，這將會(huì)直接與康復(fù)機(jī)器人擬人化結(jié)構(gòu)的狀態(tài)起到掛鉤的關(guān)系。因此，在研究結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，首先需要明確人體下肢的生理結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)特性、康復(fù)利潤(rùn)。在充分研究了之后，可以進(jìn)行合理的配置，從而選擇更加合適的康復(fù)機(jī)器人類(lèi)型。而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要的依據(jù)就是盡量簡(jiǎn)單輕便，搭配合理[1]。

1.1 人體下肢康復(fù)理論

在對(duì)人體功能恢復(fù)的過(guò)程中，對(duì)于這方面的研究成為了一個(gè)全新的領(lǐng)域，那就是康復(fù)醫(yī)學(xué)。與治療醫(yī)學(xué)不同之處在于，康復(fù)醫(yī)學(xué)的主要目的就是幫助暫時(shí)性、永久性殘疾人實(shí)現(xiàn)功能恢復(fù)，克服障礙，搭建出與常人相似或相同的功能[2]。

對(duì)于正常人來(lái)說(shuō)，下肢運(yùn)動(dòng)主要依靠骨、骨連接、骨骼肌三部分組成，大腦通過(guò)神經(jīng)來(lái)控制人體下肢，同時(shí)也是神經(jīng)的存在，讓人體下肢能夠規(guī)避一些危險(xiǎn)的傷害。骨骼與骨骼之間的連接部分就是骨連接，也被稱(chēng)為關(guān)節(jié)。下肢的所有骨骼通過(guò)骨連接進(jìn)行連接，再通過(guò)骨骼肌來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，最終構(gòu)成了人體下肢。因此可以說(shuō)，骨骼是支柱，骨骼肌是動(dòng)力，骨連接是齒輪。而想要讓人體實(shí)現(xiàn)康復(fù)，恢復(fù)正常人的行走功能，這三者缺一不可。如果由于意外或者傷害，比如說(shuō)截肢等等導(dǎo)致缺少了其中的一樣或者幾樣，那么就需要使用外力來(lái)頂替原有的缺少部分，從而達(dá)成運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，這就是人體下肢康復(fù)理論[3]。

1.2 人體下肢運(yùn)動(dòng)特性

人體下肢機(jī)器人的主要服務(wù)對(duì)象就是行動(dòng)不便人群，因此未來(lái)在保證能夠針對(duì)于實(shí)際情況進(jìn)行自由配置之前，還需要考慮到配置對(duì)象的關(guān)節(jié)特性以及關(guān)節(jié)情況。可以說(shuō)關(guān)節(jié)的重要性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)骨骼肌，關(guān)節(jié)是連接不同骨骼的橋梁，失去了關(guān)節(jié)也就失去了運(yùn)動(dòng)能力。在人體的下肢當(dāng)中，關(guān)節(jié)包括有髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、足關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)以及一些小關(guān)節(jié)，這些關(guān)節(jié)對(duì)于人體的行走有著不同的意義和作用。髖關(guān)節(jié)的內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)就是人體行走時(shí)的主要?jiǎng)恿Γ瑫r(shí)也將會(huì)起到平衡作用，具體來(lái)說(shuō)就是通過(guò)不斷的屈伸來(lái)驅(qū)動(dòng)下肢。髖關(guān)節(jié)相比較其他的關(guān)節(jié)更加穩(wěn)定，主要的原因就是髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍和運(yùn)動(dòng)幅度比較小。而膝關(guān)節(jié)則是人體最大也是最復(fù)雜的關(guān)節(jié)，其中包括了非常多的不同部分，能夠開(kāi)展屈伸運(yùn)動(dòng)，還能夠進(jìn)行微小的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。而足關(guān)節(jié)當(dāng)中，距小腿關(guān)節(jié)就是我們常提到的踝關(guān)節(jié)，這一關(guān)節(jié)對(duì)于人體行走有著非常關(guān)鍵的意義[4]。

1.3 人體步行序列

只有在充分的了解了人體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，才能夠設(shè)計(jì)出符合人體下肢運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的康復(fù)機(jī)器人。本文這里提出的步行序列，就是人體步行的主要基礎(chǔ)。步行是人體運(yùn)行的關(guān)鍵方式，同時(shí)也是一種較為復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)難度較高的運(yùn)動(dòng)，未來(lái)設(shè)計(jì)康復(fù)機(jī)器人的過(guò)程中，這也是主要的測(cè)評(píng)目標(biāo)。步行運(yùn)動(dòng)是一種循環(huán)式的運(yùn)動(dòng)，從足跟接觸地面開(kāi)始，到同一足跟再次接觸地面結(jié)束。想要使用康復(fù)機(jī)器人，首先需要分析病人的步長(zhǎng)、步幅、步速等等參數(shù)，這些參數(shù)是設(shè)計(jì)機(jī)器人的關(guān)鍵基礎(chǔ)[5]。

2 康復(fù)機(jī)器人仿生關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)

顧名思義，仿生關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是能夠達(dá)到正常人的關(guān)節(jié)水平，更加關(guān)注擬人性的水平。因此，在設(shè)計(jì)仿生關(guān)節(jié)的過(guò)程中，需要盡量考慮到仿生性的實(shí)際需求，下文將從康復(fù)機(jī)器人仿生關(guān)節(jié)的型號(hào)選擇、自由度分配、驅(qū)動(dòng)等等方面進(jìn)行分步驟分析[6]。

2.1 關(guān)節(jié)型號(hào)選擇

站在擬人化思想上進(jìn)行設(shè)計(jì)的康復(fù)機(jī)器人，關(guān)節(jié)將會(huì)使用仿生學(xué)的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體來(lái)說(shuō)就是模仿人類(lèi)的下肢關(guān)節(jié)。一般來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中空間機(jī)構(gòu)有著非常多的選擇，比如說(shuō)移動(dòng)副、轉(zhuǎn)動(dòng)副、虎克鉸、螺旋副、圓柱副、球面副、平面副等等。下文將會(huì)針對(duì)于不同的設(shè)計(jì)方式來(lái)進(jìn)行分析，從而更好的進(jìn)行選擇。

首先是移動(dòng)副，這種設(shè)計(jì)方式在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中較為常見(jiàn)，屬于平面運(yùn)動(dòng)的協(xié)助方式，能夠保證基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[7]。

第二則是轉(zhuǎn)動(dòng)副，這一設(shè)計(jì)方式是將兩個(gè)構(gòu)建進(jìn)行連接，保證兩個(gè)構(gòu)建可以發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，也是屬于平面級(jí)別的協(xié)助方式。

第三則是圓柱副，圓柱副的結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)更加復(fù)雜，可以看作為一個(gè)移動(dòng)副與一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副進(jìn)行組合，主要的目的就是在使用的過(guò)程中應(yīng)對(duì)一些較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)情況，總體來(lái)說(shuō)依舊屬于平面級(jí)別運(yùn)動(dòng)方式。

第四則是螺旋副，這種運(yùn)動(dòng)方式并不常見(jiàn)，約束住一邊，讓另一邊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)主要的運(yùn)動(dòng)方式為螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)，屬于平面級(jí)別運(yùn)動(dòng)方式。

第五則是虎克鉸，這種運(yùn)動(dòng)方式兩邊來(lái)說(shuō)都較為自由，由于虎克鉸的獨(dú)特特點(diǎn)，在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中軸線將會(huì)正面相交。因此效果上來(lái)講屬于將兩個(gè)軸線進(jìn)行正面相交，從而約束剛體，因此虎克鉸需要看作為空間級(jí)別運(yùn)動(dòng)方式。

第六則是球面副，這種運(yùn)動(dòng)方式就是使用一個(gè)構(gòu)件圍繞另一個(gè)構(gòu)件在三維空間內(nèi)部對(duì)于任意一點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。站在效果上來(lái)講，可以看作為三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，但是這種方式的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線匯聚一個(gè)點(diǎn)，讓轉(zhuǎn)動(dòng)副的剛體失去自由，因此球面副屬于空間級(jí)別運(yùn)動(dòng)方式[8]。

未來(lái)設(shè)計(jì)康復(fù)機(jī)器人仿生關(guān)節(jié)的過(guò)程中，為了更好的檢測(cè)所有自由度水平，需要使用不同的轉(zhuǎn)動(dòng)副來(lái)應(yīng)對(duì)不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。比如說(shuō)可以將螺旋副、圓柱副、球面副進(jìn)行動(dòng)效結(jié)合，保證更好的運(yùn)動(dòng)水平。一方面擁有了移動(dòng)副的靈活性，另一方面擁有了轉(zhuǎn)動(dòng)副的自由性。

2.2 自由度分配

在本文研究的過(guò)程中，提出康復(fù)機(jī)器人屬于基于擬人化思想來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要的目的就是能夠讓下肢受傷害或者受疾病困擾的患者順利恢復(fù)健康。因此在設(shè)計(jì)的過(guò)程中就需要著重關(guān)注病人下肢的運(yùn)行狀態(tài)以及需求方向。經(jīng)過(guò)前文的分析之后可以發(fā)現(xiàn)，如果病人的下肢看作為一種機(jī)電系統(tǒng)，那么就需要針對(duì)于“齒輪”、“液壓”、“杠桿”多個(gè)部分來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充，保證能夠?qū)崿F(xiàn)解密結(jié)合，多個(gè)部分共同運(yùn)行。對(duì)于環(huán)境來(lái)說(shuō)，這種方式將會(huì)可以自我調(diào)節(jié)，因此可以看作為一種高智能化系統(tǒng)。對(duì)于正常人來(lái)說(shuō)，可能行走較為簡(jiǎn)單，但是對(duì)于機(jī)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，運(yùn)行的方式較為復(fù)雜，需要經(jīng)過(guò)詳細(xì)的分析[9]。

針對(duì)于康復(fù)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，主要的方式就是通過(guò)機(jī)電運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬下肢運(yùn)動(dòng)，而人類(lèi)不會(huì)僅僅只有行走一種下肢運(yùn)動(dòng)，那么這就要求康復(fù)機(jī)器人可以具有更多的擬人化狀態(tài)，自由度需要盡量接近人體下肢。自由度一旦增加，那么結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也會(huì)隨著提升。因此，本文主要針對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來(lái)進(jìn)行討論和分析，盡量做出更多的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)原則。而自由度分配就是主要的研究方向，人體下肢有著非常多的關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)除了屈伸之外，還將會(huì)具有細(xì)微轉(zhuǎn)動(dòng)等等運(yùn)動(dòng)方向，為了更好的進(jìn)行分析，同時(shí)也為了保證研究質(zhì)量，本文不考慮輕微轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，這不會(huì)影響康復(fù)機(jī)器人的最終運(yùn)行效果。自由度的分配意味著康復(fù)機(jī)器人的主要管理方向，比如說(shuō)髖關(guān)節(jié)可以屈伸，那么此時(shí)有了兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方式，而在髖關(guān)節(jié)屈伸的過(guò)程中膝關(guān)節(jié)也可以做出屈伸，那么就有了四個(gè)可能，比如說(shuō)髖關(guān)節(jié)彎曲，膝關(guān)節(jié)也彎曲或者伸直。當(dāng)來(lái)到踝關(guān)節(jié)時(shí)，再加上左右腿的考慮，可以說(shuō)人體行走單側(cè)有了八個(gè)自由度[10]。

2.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)屬于系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵基礎(chǔ)，由于主要的目的是進(jìn)行行走，那么康復(fù)機(jī)器人就需要具有可攜帶性與穿戴方便兩種要求，詳細(xì)來(lái)講需要達(dá)成：體積小、質(zhì)量輕、反應(yīng)速度快、便于控制、可靠性強(qiáng)幾方面的特點(diǎn)。對(duì)于當(dāng)下的康復(fù)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，常用的驅(qū)動(dòng)方式包括三方面：電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)三種類(lèi)型。

液壓驅(qū)動(dòng)屬于一種輸出量較大，可遠(yuǎn)程控制的方式。在同等的體積下，液壓驅(qū)動(dòng)輸出的動(dòng)力更大，性能更好。但是液壓驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題就在于液壓系統(tǒng)過(guò)于龐大，成本較高，很多時(shí)候液體介質(zhì)還會(huì)出現(xiàn)泄露，同時(shí)精度較差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)定比傳動(dòng)。同時(shí)液壓對(duì)于溫度的要求較高，很多時(shí)候溫度出現(xiàn)變化，液壓的精度也會(huì)受到影響。

氣壓傳動(dòng)主要的工作方式就是通過(guò)壓縮氣體來(lái)進(jìn)行傳播，通過(guò)氣體壓力來(lái)傳輸動(dòng)力，工作原理與液壓顯示，但是成本更低，使用無(wú)污染，不用擔(dān)心出現(xiàn)泄露問(wèn)題。但是氣體的壓縮性一般較大，因此，很多時(shí)候都無(wú)法對(duì)氣壓傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)精確的控制。同時(shí)這種傳動(dòng)方式非常容易出現(xiàn)噪音，可靠性較差。

電機(jī)傳統(tǒng)的類(lèi)型主要有四種，分別是交流電機(jī)、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)這種方式的響應(yīng)速度較快，控制較為方便，并且運(yùn)動(dòng)的精讀較高。可以說(shuō)信號(hào)的提取、傳遞、處理都達(dá)到了相應(yīng)的要求，成本較低并且穩(wěn)定性較高，屬于無(wú)污染的一種傳動(dòng)方式?？祻?fù)機(jī)器人在選擇驅(qū)動(dòng)方式的過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行選擇，比如病人使用的環(huán)境、病人的需求、病人的病情等等，都是需要考慮的范圍，詳細(xì)列舉之后再選擇更加合適的驅(qū)動(dòng)方式。

2.4 仿生關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)

在本文的研究過(guò)程中，主要的研究依據(jù)就是仿生學(xué)的理論，只有在考慮了下肢生理結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，才能夠更好的設(shè)計(jì)仿生關(guān)節(jié)。正如前文中提出，髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)有著一定的自由度選擇，但是一些細(xì)微的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)于人體走動(dòng)的影響不大，因此需要將之進(jìn)行忽略。人體行走的主要運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)就是踝關(guān)節(jié)，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)主要起到屈伸的作用，因此在設(shè)計(jì)康復(fù)機(jī)器人時(shí)，針對(duì)于不能行走的病人，需要在仿生踝關(guān)節(jié)位置進(jìn)行重點(diǎn)加強(qiáng)。之所以這樣設(shè)計(jì)，除了行走需求之外，踝關(guān)節(jié)也是人體承受重量的主要位置，加強(qiáng)這一位置，能夠更好的減輕病人負(fù)擔(dān)，在人體可承受的范圍之內(nèi)進(jìn)行逐漸鍛煉。對(duì)于一些自身機(jī)理沒(méi)有遭受到永久性損害的病人來(lái)說(shuō)，這種訓(xùn)練方式能夠更好的幫助病人早日自行行走，恢復(fù)健康。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文的主要研究?jī)?nèi)容就是對(duì)于康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行效果進(jìn)行了討論，首先分析了人體下肢康復(fù)理論以及下肢相關(guān)骨骼?；诳祻?fù)利潤(rùn)以及下肢骨骼，本文對(duì)于使用的康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行了自由度配置、關(guān)節(jié)選擇、驅(qū)動(dòng)方式選擇、仿生關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)五個(gè)部分的討論和闡述。最終得出結(jié)論，康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)需要給予康復(fù)理論和人體骨骼情況來(lái)選擇驅(qū)動(dòng)方式、配置方式，而康復(fù)機(jī)器人的優(yōu)化方式則是盡量加強(qiáng)踝關(guān)節(jié)，重視行走的基礎(chǔ)部分，只有這樣才能夠達(dá)到最佳的效果。