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淺談機(jī)器人學(xué)與康復(fù)醫(yī)學(xué)相結(jié)合的康復(fù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(huì)經(jīng)濟(jì)使病人來(lái)彌補(bǔ)赤字，是一種不正常的治療消費(fèi)。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)有運(yùn)動(dòng)型功能障礙的人由于手臂或腿的問(wèn)題需要經(jīng)歷很長(zhǎng)一段時(shí)間的治療性治療。傳統(tǒng)療法是需要一個(gè)理療師輔助患者做一系列重復(fù)和常規(guī)的物理運(yùn)動(dòng)，逐步增加肌肉鍛煉強(qiáng)度，這種恢復(fù)過(guò)程需要的時(shí)間和費(fèi)用都是比較多的。而康復(fù)機(jī)器人可以輕松的實(shí)現(xiàn)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人有很好的控制功能，它們可以很準(zhǔn)確的重復(fù)和逐步增加力量練習(xí)，機(jī)器人這種更準(zhǔn)確的輔助治療被稱為“持續(xù)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)”，廣泛的應(yīng)用在許多醫(yī)療中心，使患者也實(shí)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(guò)程中患者有時(shí)移動(dòng)四肢有一些突發(fā)異常反射，而傳統(tǒng)的機(jī)器不能應(yīng)付這種反射，因此有時(shí)不適合使用物理療法。如果病人在機(jī)器輔助理療過(guò)程中有一個(gè)不當(dāng)?shù)姆瓷洌@個(gè)不當(dāng)?shù)姆瓷浜蜋C(jī)器給的負(fù)荷不符，這種現(xiàn)象有可能會(huì)損害病人的肌肉或肌腱組織。正因?yàn)槿绱�，需要一個(gè)智能設(shè)備，可以完成基于病人的四肢反射的康復(fù)過(guò)程中的實(shí)時(shí)反饋�？祻�(fù)機(jī)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(dòng)。
2） 支持移動(dòng)性。
3） 幫助治療師使患者進(jìn)行重復(fù)練習(xí)（輔助運(yùn)動(dòng)機(jī)器人）。
1 國(guó)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(lái)減重步行訓(xùn)練在臨床上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。它是用減重吊帶使患者步行時(shí)減少下肢負(fù)重，借助于運(yùn)動(dòng)平板進(jìn)行步行能力訓(xùn)練[3]。比利時(shí)布魯塞爾Vrije大學(xué)開展了一項(xiàng)稱為使用可調(diào)式康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，有效加快康復(fù)進(jìn)程，提高了治療效果[4]。下肢康復(fù)機(jī)器人還能夠自動(dòng)平衡人的一部分重力，針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種具有重心軌跡自動(dòng)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(jī)器人。這種康復(fù)機(jī)器人為智能仿生腿研究提供有利條件，于此同時(shí)可用于研究人腿與智能腿之間的能否協(xié)調(diào)和能否對(duì)稱的問(wèn)題[6]。這種訓(xùn)練機(jī)是一種 被動(dòng)式的醫(yī)療器械，它的訓(xùn)練是靠跑步機(jī)帶動(dòng)的被動(dòng)訓(xùn)練。
2 人體下肢系統(tǒng)簡(jiǎn)介
設(shè)計(jì)下肢康復(fù)機(jī)構(gòu)，前提是要使其符合人體運(yùn)動(dòng)學(xué)的自然規(guī)律。因此，在設(shè)計(jì)開始階段，首先對(duì)人體下肢從醫(yī)學(xué)角度出發(fā)，對(duì)人體下肢的關(guān)節(jié)進(jìn)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(guò)這樣的簡(jiǎn)化，人體的步態(tài)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上更易于實(shí)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(gè)關(guān)節(jié)：人體腿部總共具有7個(gè)自由度，包括兩個(gè)球副關(guān)節(jié)，一個(gè)旋轉(zhuǎn)副關(guān)節(jié)。其中踝關(guān)節(jié)有三個(gè)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(gè)自由度，可以完成腳部的側(cè)翻、旋轉(zhuǎn)、翹起和弓背運(yùn)動(dòng)形式。（2）膝關(guān)節(jié)具有一個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)小腿的屈伸運(yùn)動(dòng)。（3）髖關(guān)節(jié)有一個(gè)球形關(guān)節(jié)，具有3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，大腿可以實(shí)現(xiàn)三種方式的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如圖1所示。
3 下肢康復(fù)機(jī)構(gòu)初步設(shè)計(jì)
按照空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式
（1）
式中：并聯(lián)機(jī)構(gòu)自由度用字母F；活動(dòng)構(gòu)件
數(shù)為k；運(yùn)動(dòng)副數(shù)為g；第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副的自由度數(shù)用fi表示；F0為冗余自由度數(shù)。此機(jī)構(gòu)由16個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，21個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，2個(gè)移動(dòng)副構(gòu)成，所以該機(jī)構(gòu)的自由度為3。如圖2所示。
該機(jī)構(gòu)實(shí)際上是在兩個(gè)垂直平面上的空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，可以看做是平面機(jī)構(gòu)來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算和分析。該機(jī)構(gòu)有三個(gè)驅(qū)動(dòng)A、B是常數(shù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，C是伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。該并聯(lián)機(jī)構(gòu)是由C伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，用以實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練。A、B常數(shù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)滑塊的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，用以實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練。
三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由A、B常數(shù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)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(yùn)動(dòng)；由C伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)D腳踏板在平面內(nèi)的搖動(dòng)。這兩種運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，設(shè)計(jì)了一種新型下肢康復(fù)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)有3個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)腳部的翹起，還可以實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)合了混合驅(qū)動(dòng)易于控制的優(yōu)點(diǎn)，可以滿足有運(yùn)動(dòng)性功能障礙者的康復(fù)計(jì)劃。
【淺談機(jī)器人學(xué)與康復(fù)醫(yī)學(xué)相結(jié)合的康復(fù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)】相關(guān)文章：
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