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淺談機器人學(xué)與康復(fù)醫(yī)學(xué)相結(jié)合的康復(fù)機構(gòu)設(shè)計
前言
康復(fù)的目的是使病人的身體、感官和心理功能恢復(fù)正常，當(dāng)今社會經(jīng)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(jīng)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(fù)和常規(guī)的物理運動，逐步增加肌肉鍛煉強度，這種恢復(fù)過程需要的時間和費用都是比較多的。而康復(fù)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(fù)和逐步增加力量練習(xí)，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(yīng)用在許多醫(yī)療中心，使患者也實現(xiàn)了許多康復(fù)目的。
CPM的概念在1970年代首次被引入后，在康復(fù)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(yīng)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(dāng)?shù)姆瓷�，這個不當(dāng)?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(shè)備，可以完成基于病人的四肢反射的康復(fù)過程中的實時反饋�？祻�(fù)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(fù)練習(xí)（輔助運動機器人）。
1 國內(nèi)外康復(fù)醫(yī)療現(xiàn)狀
軀干和下肢承重能力下降是導(dǎo)致不能正常步行的重要原因[2]。近年來減重步行訓(xùn)練在臨床上的應(yīng)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(xùn)練[3]。比利時布魯塞爾Vrije大學(xué)開展了一項稱為使用可調(diào)式康復(fù)訓(xùn)練機器人的運動訓(xùn)練，有效加快康復(fù)進程，提高了治療效果[4]。下肢康復(fù)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(xué)研發(fā)的有一種具有特殊性能的康復(fù)機器人。這種康復(fù)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(diào)和能否對稱的問題[6]。這種訓(xùn)練機是一種 被動式的醫(yī)療器械，它的訓(xùn)練是靠跑步機帶動的被動訓(xùn)練。
2 人體下肢系統(tǒng)簡介
設(shè)計下肢康復(fù)機構(gòu)，前提是要使其符合人體運動學(xué)的自然規(guī)律。因此，在設(shè)計開始階段，首先對人體下肢從醫(yī)學(xué)角度出發(fā)，對人體下肢的關(guān)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(jié)構(gòu)上更易于實現(xiàn)。
人體下肢骨骼結(jié)構(gòu)主要由趾骨、跗骨構(gòu)架、腓骨、脛骨、髕骨以及股骨組成，構(gòu)成三個關(guān)節(jié)：人體腿部總共具有7個自由度，包括兩個球副關(guān)節(jié)，一個旋轉(zhuǎn)副關(guān)節(jié)。其中踝關(guān)節(jié)有三個自由度，最為復(fù)雜。（1）踝關(guān)節(jié)是由腓骨、脛骨和跗骨構(gòu)架所構(gòu)成。踝關(guān)節(jié)有三個自由度，可以完成腳部的側(cè)翻、旋轉(zhuǎn)、翹起和弓背運動形式。（2）膝關(guān)節(jié)具有一個自由度，可以實現(xiàn)小腿的屈伸運動。（3）髖關(guān)節(jié)有一個球形關(guān)節(jié)，具有3個旋轉(zhuǎn)自由度，大腿可以實現(xiàn)三種方式的旋轉(zhuǎn)運動。如圖1所示。
3 下肢康復(fù)機構(gòu)初步設(shè)計
按照空間并聯(lián)機構(gòu)自由度計算公式
�。�1）
式中：并聯(lián)機構(gòu)自由度用字母F；活動構(gòu)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(gòu)由16個活動構(gòu)件，21個轉(zhuǎn)動副，2個移動副構(gòu)成，所以該機構(gòu)的自由度為3。如圖2所示。
該機構(gòu)實際上是在兩個垂直平面上的空間并聯(lián)機構(gòu)，可以看做是平面機構(gòu)來簡化計算和分析。該機構(gòu)有三個驅(qū)動A、B是常數(shù)電機驅(qū)動，C是伺服電機驅(qū)動。該并聯(lián)機構(gòu)是由C伺服電機驅(qū)動的曲柄搖桿機構(gòu)，用以實現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練。A、B常數(shù)電機驅(qū)動的實現(xiàn)滑塊的往復(fù)運動，用以實現(xiàn)踝關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練。
三個電機驅(qū)動，由A、B常數(shù)電機驅(qū)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(fù)運動；由C伺服電機驅(qū)動實現(xiàn)D腳踏板在平面內(nèi)的搖動。這兩種運動可以輔助訓(xùn)練膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。
4 結(jié)論
依據(jù)人體運動學(xué)規(guī)律，設(shè)計了一種新型下肢康復(fù)機構(gòu)。該機構(gòu)有3個自由度，可以實現(xiàn)腳部的翹起，還可以實現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練。該機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，結(jié)合了混合驅(qū)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(fù)計劃。
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