[实用新型]一种新型踝关节康复机器人

说明书

技术领域

本实用新型属于康复机器人技术领域，涉及一种新型踝关节康复机器人。

背景技术

康复机器人是一类辅助病患或老年人进行日常锻炼的自动化装置。近年来，机器人辅助物理治疗的研究方兴未艾，主要源于康复训练是一项大量重复性的工作，康复师工作量大且容易疲惫，而这一类型工作正是机器人的强项。踝关节康复机器人便是典型代表。踝关节是人体保持步态平衡和承重的重要关节，具有绕解剖平面三自由度的旋转运动功能。踝关节扭伤是一种常见的下肢运动损伤，且具有恢复缓慢的特点。利用机器人技术进行踝关节辅助康复训练，便于康复师制定多种针对性康复训练方案，同时可以定量化地评估和收集训练数据，对于损伤患者的快速康复具有重要意义。

针对踝关节辅助康复训练，国内外很多学者对此进行了研究，并研制成功了多种不同构型、不同控制方法的康复设备。Girone在1999年基于六自由度的Stewart机构研制了“Rutgers Ankle”机器人[1]，并利用力反馈技术和虚拟现实技术构建了多种训练场景，可实现平衡、力量、灵活性训练。该设备成功利用并联机构作为踝部康复设备，但是具有多余自由度，带来控制复杂性。其气动驱动方式并不适合医疗或家用环境要求的静音、便携特点。Liu在2006年利用三自由度并联机构3RSS/S研制了电机驱动的踝关节康复设备，结构较为紧凑[2]。Saglia2009年研制了两自由度并联康复机器人[3]，该设备具有三支链，冗余驱动的特点。其关节驱动采用了一种新型的绳驱动将电机转动转化为活塞直线运动的装置。根据踝关节的生理结构，多数学者提出的康复设备均采用三转动自由度的配置形式。Tsoi提出了一种3-UPS结构的并联康复设备，并讨论了自适应的交互控制方法[4]。李大顺将3-RSS机构用于踝关节康复机器人的研制[5]。曾达幸提出了一种PU-CRRU-CRRR机构，具有三自由度并联解耦的特点[6]。

踝关节术后康复一般分为早期、中期、后期三个阶段，病患会循序渐进地恢复关节活动范围和肌肉力量。在早期阶段，康复训练一般被动活动为主；而在中后期阶段，则主动活动为主，被动活动为辅。因此，康复机器人的控制方式分为主动和被动两种方式，分别控制机器人末端的运动轨迹和输出力/力矩。Saglia开发的康复设备采用位置控制方式，机器人引导患者踝关节运动套，适应于早期康复训练。胡进将康复机器人的力控制分为力位混合控制和阻抗控制两种方法[7]。Ju利用模糊控制器实现了两自由度康复机器人的力位混合控制[8]。Tsoi则采用阻抗控制方式，施加一定的阻力到患者踝部，从而实现患者的主动训练[4]。

踝关节康复机器人的工作空间和自由度配置必须与踝关节的结构和运动特性保持一致。通常，踝关节的运动可认为是绕着三个解剖平面（即额状面、矢状面、水平面）的法线方向旋转运动，如图1所示。其中，绕着矢状面法线的旋转称为背伸/跖屈运动；绕水平面法线的旋转称为外伸/内展运动，绕额状面法线的旋转称为内翻/外翻运动。这三个解剖平面是相互正交的，所以踝关节的运动可等价于绕某一转动中心做球面运动。如表1所示，每种运动的转动范围并不相同，但其运动范围都比较小[9]。

表1 踝关节各运动的角度范围

参考文献

[1] Girone M, Burdea G, Bouzit M, et al. A Stewart Platform-Based System for Ankle Telerehabilitation[J]. Autonomous Robots, 2001, 10(2):203-212.

[2] Liu G, Gao J, Yue H, et al. Design and Kinematics Simulation of Parallel Robots for Ankle Rehabilitation[C] Mechatronics and Automation, Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on. IEEE, 2006:1109-1113.

[3] Saglia J A, Tsagarakis N G, Dai J S, et al. A High-performance Redundantly Actuated Parallel Mechanism for Ankle Rehabilitation[J]. International Journal of Robotics Research, 2009, 28(9):1216-1227.