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淺談機器人學與康復醫(yī)學相結合的康復機構設計
前言
康復的目的是使病人的身體、感官和心理功能恢復正常，當今社會經濟使病人來彌補赤字，是一種不正常的治療消費。一般來說，一個有運動型功能障礙的人由于手臂或腿的問題需要經歷很長一段時間的治療性治療。傳統(tǒng)療法是需要一個理療師輔助患者做一系列重復和常規(guī)的物理運動，逐步增加肌肉鍛煉強度，這種恢復過程需要的時間和費用都是比較多的。而康復機器人可以輕松的實現(xiàn)循環(huán)運動，機器人有很好的控制功能，它們可以很準確的重復和逐步增加力量練習，機器人這種更準確的輔助治療被稱為“持續(xù)被動運動”，廣泛的應用在許多醫(yī)療中心，使患者也實現(xiàn)了許多康復目的。
CPM的概念在1970年代首次被引入后，在康復過程中患者有時移動四肢有一些突發(fā)異常反射，而傳統(tǒng)的機器不能應付這種反射，因此有時不適合使用物理療法。如果病人在機器輔助理療過程中有一個不當?shù)姆瓷洌@個不當?shù)姆瓷浜蜋C器給的負荷不符，這種現(xiàn)象有可能會損害病人的肌肉或肌腱組織。正因為如此，需要一個智能設備，可以完成基于病人的四肢反射的康復過程中的實時反饋。康復機器人可以分為三組：
1） 幫助殘疾人特殊需要與他們的日常生活活動。
2） 支持移動性。
3） 幫助治療師使患者進行重復練習（輔助運動機器人）。
1 國內外康復醫(yī)療現(xiàn)狀
軀干和下肢承重能力下降是導致不能正常步行的重要原因[2]。近年來減重步行訓練在臨床上的應用越來越廣泛。它是用減重吊帶使患者步行時減少下肢負重，借助于運動平板進行步行能力訓練[3]。比利時布魯塞爾Vrije大學開展了一項稱為使用可調式康復訓練機器人的運動訓練，有效加快康復進程，提高了治療效果[4]。下肢康復機器人還能夠自動平衡人的一部分重力，針對這一問題，提出了一種具有重心軌跡自動控制和重力平衡功能的重心軌跡控制系統(tǒng)[5]。東北大學研發(fā)的有一種具有特殊性能的康復機器人。這種康復機器人為智能仿生腿研究提供有利條件，于此同時可用于研究人腿與智能腿之間的能否協(xié)調和能否對稱的問題[6]。這種訓練機是一種 被動式的醫(yī)療器械，它的訓練是靠跑步機帶動的被動訓練。
2 人體下肢系統(tǒng)簡介
設計下肢康復機構，前提是要使其符合人體運動學的自然規(guī)律。因此，在設計開始階段，首先對人體下肢從醫(yī)學角度出發(fā)，對人體下肢的關節(jié)進行必要的分析[7]。人體行走分為單腳支撐階段、雙腳支撐階段和雙腳支撐但有一腳處于冗余狀態(tài)。通過這樣的簡化，人體的步態(tài)在機械結構上更易于實現(xiàn)。
人體下肢骨骼結構主要由趾骨、跗骨構架、腓骨、脛骨、髕骨以及股骨組成，構成三個關節(jié)：人體腿部總共具有7個自由度，包括兩個球副關節(jié)，一個旋轉副關節(jié)。其中踝關節(jié)有三個自由度，最為復雜。（1）踝關節(jié)是由腓骨、脛骨和跗骨構架所構成。踝關節(jié)有三個自由度，可以完成腳部的側翻、旋轉、翹起和弓背運動形式。（2）膝關節(jié)具有一個自由度，可以實現(xiàn)小腿的屈伸運動。（3）髖關節(jié)有一個球形關節(jié)，具有3個旋轉自由度，大腿可以實現(xiàn)三種方式的旋轉運動。如圖1所示。
3 下肢康復機構初步設計
按照空間并聯(lián)機構自由度計算公式
（1）
式中：并聯(lián)機構自由度用字母F；活動構件
數(shù)為k；運動副數(shù)為g；第i個運動副的自由度數(shù)用fi表示；F0為冗余自由度數(shù)。此機構由16個活動構件，21個轉動副，2個移動副構成，所以該機構的自由度為3。如圖2所示。
該機構實際上是在兩個垂直平面上的空間并聯(lián)機構，可以看做是平面機構來簡化計算和分析。該機構有三個驅動A、B是常數(shù)電機驅動，C是伺服電機驅動。該并聯(lián)機構是由C伺服電機驅動的曲柄搖桿機構，用以實現(xiàn)膝關節(jié)的康復訓練。A、B常數(shù)電機驅動的實現(xiàn)滑塊的往復運動，用以實現(xiàn)踝關節(jié)的康復訓練。
三個電機驅動，由A、B常數(shù)電機驅動實現(xiàn)末端D腳踏板的繞板中心的前翹起和后翹起的重復運動；由C伺服電機驅動實現(xiàn)D腳踏板在平面內的搖動。這兩種運動可以輔助訓練膝關節(jié)和踝關節(jié)。
4 結論
依據(jù)人體運動學規(guī)律，設計了一種新型下肢康復機構。該機構有3個自由度，可以實現(xiàn)腳部的翹起，還可以實現(xiàn)膝關節(jié)的康復訓練。該機構結構簡單，結合了混合驅動易于控制的優(yōu)點，可以滿足有運動性功能障礙者的康復計劃。
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