机器人：一种基于3RSSS并联机构的踝关节康复机器人

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1、万方数据第29卷第6期2005年11月燕山大学学报JournalofYanshanUniversityV0129No．6NOV．2005文章编号：1007-791×(2005)06-0471-05一种基于3-RSS／S并联机构的踝关节康复机器人赵铁石1，于海波1，戴建生2(1．燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛066004；2．国王学院，伦敦大学，伦敦，英国)摘要：提出了一种用于踝关节康复的康复训练机器人，该机器人采用3-RSS／S并联机构，具有3个转动自由度，可以帮助患者进行多种复合运动的康复训练：本文对基于3-RSS／S并联机构的踝关节康复机器人的自由度，工作空

2、间和运动进行了分析，并且给出了工作空问范围和运动曲线。关键词：躁关节：康复；机器人；工作空间中圈分类号：TP242文献标识码：A0前言机器人应用于康复领域，越来越受到人们的关注[1-21Q国外已经开展了用于踝关节康复训练的机器人系统的研究工作。1。其研制的样机不仅可以帮助踝关节扭伤者进行康复训练，也可以帮助中风病人进行恢复性练习。试验表明，使用机器人进行康复性训I练具有很好的康复治疗效果，并且由于采用了虚拟现实技术，使患者在康复过程中，不再感到枯燥和乏味”“。但该系统十分复杂，造价很高，难以推广应用。国内目前对丁踝关节康复机器人的研究还相对比较少。由于踩关节是人体

3、的承重关节，且参与运动，因此极易发生扭伤”1。现有的一些康复器械通常具有一个或两个自由度，使用的步态参数和训练步法比较有限，通常只能模拟平地时的踝关节运动”1。踝关节康复训练机器人在对患者进行康复训练时，所采取的控制策略与康复训练运动疗法中的患者被动运动相对应，以运动速度和位罱为控制对象“1，同时限定每个分支驱动电机的最大输出力矩。本文提出的基于3-RSS／S并联机构的踝关节康复机器人则具有3个转动自由度，能够真实模拟具有3个自由度的踝关节的运动，在康复训练过程中，可以根据踝关节的运动能力调整训练时的运动轨迹，而且通过对不同步法和步态的研究，实现平地，上下楼梯，地

4、面不平等多种情况F的踝关节运动练习，这对于提高踝关节扭伤病人的康复效果有更大的帮助。1踝关节损伤分析与踝关节康复方法分析踝关节的组成与运动是设计踝关节康复机器人的前提，也是评价踩关节康复效果的主要依据”。下面引入康复工程学的观点⋯，将人一机一环境作为一个系统，对踝关节康复运动进行分析，然后运用优化设计的方法，进行机构选型。1．1踝关节的组成与运动踝关节由两个独立的关节组成，如图1所示。踝关节是由小腿的胫骨和腓骨的远端与足部的距骨组成。胫骨远端内侧的突出部分形成内踝，腓骨外侧的突}n部分形成外踝。此外，胫骨远端后缘也有一突出部分，叫做后踝”。距骨图1踝关节结构Fig

5、．1Ananklecomplex收稿日期：2(105—08—20作者简介：赵铁石(1963-)，男．河北秦皇岛人。教授，博+生导师。主要研究方向为并联机器人理论与应用，微操作与微机电系统，康复机器人技术．光机电～体化席用技术。万方数据472燕山大学学报踝关节具有4种运动方式，最经常的运动方式是背伸和跖屈，这也是人正常行走是的踝关节运动方式；另外两种运动是外翻与内翻。1．2踝关节的损伤与康复当踝关节跖屈时，距骨后面窄的部分进入踝穴前面宽的部分，躁关节相对不稳定，容易发生扭伤。特别是，球类等技术复杂的运动，要求不断改变方向、急停急起，尤其是篮球运动中的抢篮板球，排球运

6、动中的跳起扣球，离开地面在腾空阶段，足就处于跖屈内翻位，如果落地时身体重心不稳，向侧倾斜或踩在他人的足上和球上，或高低不平的地面上，就会以足的前外侧着地，使足内翻，导致损伤。持续被动运动(ContinuousPassiveMovementCPM)训练，是近年来国内外专家、学者提出的关节外科新方法，用于患者下肢手术后关箝的康复。采取运动的方式进行康复，不仅可以增加关节软骨的营养和代谢能力，刺激多能间质细胞分化成关节软骨，加速关节软骨的愈合，而且还可以防止关节囊的挛缩、粘连、僵硬等后遗症，同时不影响切口愈合，使患者治疗和功能康复同步进行。1．3踝关节运动学模型的建立踝

7、关节常被简化成只有具有一个转动的转动副，然而这样的简化很难反映出踝关节的真实运动情况。胫骨远端、外踝和内踝分别与距骨形成3个方向不一致的关节，因此将踝关节的运动简化为在3个平面内的转动更为准确，如图2所示，径向平面定义在zx所在的平面，在该平面的运动为绕y轴的转动，横向的平面定义成砂面，其运动为沿2轴的转动；朝前的平面定义成班平面，其运动为绕x轴的转动。崮2踩关节运动模型Fig2Kinematicsmodelofallanklejoint根据图2的踝关节运动模型，在不考虑韧带和肌肉组织对踝关节运动的限制的情况下，通过计算，得到图3的踝关节运动范围曲线。考虑约束条件

8、下，经过试