基于仿生运动的康复机器人结构设计与优化

黎兰豪崎 严荣 潘楠

（昆明理工大学民航与航空学院 云南省昆明市 650500）

虽然我国的康复医学水平正处于快速发展的过程中，但是康复医学大部分的情况都是治疗师一对一对患者进行治疗和指导，这种方式不仅仅效率较低，同时治疗质量也将会直接取决于康复师的技能水平。而康复机器人属于在近些年来出现的全新机器人，需要进行更深层次的研究。本文主要针对于人体的关节运动特性进行了分析，提出了康复理论对于康复机器人康复活动起到的影响，阐述了未来康复机器人的结构设计方式以及优化方法。

1 人体仿生关节的设计基础

康复机器人在设计的过程中，大部分的情况都是针对于人体的下肢来进行设计，并且康复机器人将会直接与人体进行接触。因此，在设计的过程中需要考虑到康复机器人的舒适性，这将会直接与康复机器人拟人化结构的状态起到挂钩的关系。因此，在研究结构的过程中，首先需要明确人体下肢的生理结构、运动特性、康复利润。在充分研究了之后，可以进行合理的配置，从而选择更加合适的康复机器人类型。而在结构设计的过程中，主要的依据就是尽量简单轻便，搭配合理[1]。

1.1 人体下肢康复理论

在对人体功能恢复的过程中，对于这方面的研究成为了一个全新的领域，那就是康复医学。与治疗医学不同之处在于，康复医学的主要目的就是帮助暂时性、永久性残疾人实现功能恢复，克服障碍，搭建出与常人相似或相同的功能[2]。

对于正常人来说，下肢运动主要依靠骨、骨连接、骨骼肌三部分组成，大脑通过神经来控制人体下肢，同时也是神经的存在，让人体下肢能够规避一些危险的伤害。骨骼与骨骼之间的连接部分就是骨连接，也被称为关节。下肢的所有骨骼通过骨连接进行连接，再通过骨骼肌来进行驱动，最终构成了人体下肢。因此可以说，骨骼是支柱，骨骼肌是动力，骨连接是齿轮。而想要让人体实现康复，恢复正常人的行走功能，这三者缺一不可。如果由于意外或者伤害，比如说截肢等等导致缺少了其中的一样或者几样，那么就需要使用外力来顶替原有的缺少部分，从而达成运动结构，这就是人体下肢康复理论[3]。

1.2 人体下肢运动特性

人体下肢机器人的主要服务对象就是行动不便人群，因此未来在保证能够针对于实际情况进行自由配置之前，还需要考虑到配置对象的关节特性以及关节情况。可以说关节的重要性要远远超过骨骼肌，关节是连接不同骨骼的桥梁，失去了关节也就失去了运动能力。在人体的下肢当中，关节包括有髋关节、膝关节、足关节、踝关节以及一些小关节，这些关节对于人体的行走有着不同的意义和作用。髋关节的内收外展运动就是人体行走时的主要动力，同时也将会起到平衡作用，具体来说就是通过不断的屈伸来驱动下肢。髋关节相比较其他的关节更加稳定，主要的原因就是髋关节的运动范围和运动幅度比较小。而膝关节则是人体最大也是最复杂的关节，其中包括了非常多的不同部分，能够开展屈伸运动，还能够进行微小的旋转运动。而足关节当中，距小腿关节就是我们常提到的踝关节，这一关节对于人体行走有着非常关键的意义[4]。

1.3 人体步行序列

只有在充分的了解了人体的运动规律，才能够设计出符合人体下肢运动状态的康复机器人。本文这里提出的步行序列，就是人体步行的主要基础。步行是人体运行的关键方式，同时也是一种较为复杂，运动难度较高的运动，未来设计康复机器人的过程中，这也是主要的测评目标。步行运动是一种循环式的运动，从足跟接触地面开始，到同一足跟再次接触地面结束。想要使用康复机器人，首先需要分析病人的步长、步幅、步速等等参数，这些参数是设计机器人的关键基础[5]。

2 康复机器人仿生关节的设计

顾名思义，仿生关节的设计目标就是能够达到正常人的关节水平，更加关注拟人性的水平。因此，在设计仿生关节的过程中，需要尽量考虑到仿生性的实际需求，下文将从康复机器人仿生关节的型号选择、自由度分配、驱动等等方面进行分步骤分析[6]。

2.1 关节型号选择

站在拟人化思想上进行设计的康复机器人，关节将会使用仿生学的角度进行设计，具体来说就是模仿人类的下肢关节。一般来说，在设计的过程中空间机构有着非常多的选择，比如说移动副、转动副、虎克铰、螺旋副、圆柱副、球面副、平面副等等。下文将会针对于不同的设计方式来进行分析，从而更好的进行选择。

首先是移动副，这种设计方式在运动过程中较为常见，属于平面运动的协助方式，能够保证基础运动状态[7]。

第二则是转动副，这一设计方式是将两个构建进行连接，保证两个构建可以发生相对转动，也是属于平面级别的协助方式。

第三则是圆柱副，圆柱副的结构相对来说更加复杂，可以看作为一个移动副与一个转动副进行组合，主要的目的就是在使用的过程中应对一些较为复杂的运动情况，总体来说依旧属于平面级别运动方式。

第四则是螺旋副，这种运动方式并不常见，约束住一边，让另一边进行运动，同时主要的运动方式为螺旋转动，属于平面级别运动方式。

第五则是虎克铰，这种运动方式两边来说都较为自由，由于虎克铰的独特特点，在运动的过程中轴线将会正面相交。因此效果上来讲属于将两个轴线进行正面相交，从而约束刚体，因此虎克铰需要看作为空间级别运动方式。

第六则是球面副，这种运动方式就是使用一个构件围绕另一个构件在三维空间内部对于任意一点进行旋转运动。站在效果上来讲，可以看作为三个转动副，但是这种方式的三个转动副轴线汇聚一个点，让转动副的刚体失去自由，因此球面副属于空间级别运动方式[8]。

未来设计康复机器人仿生关节的过程中，为了更好的检测所有自由度水平，需要使用不同的转动副来应对不同的运动状态。比如说可以将螺旋副、圆柱副、球面副进行动效结合，保证更好的运动水平。一方面拥有了移动副的灵活性，另一方面拥有了转动副的自由性。

2.2 自由度分配

在本文研究的过程中，提出康复机器人属于基于拟人化思想来进行设计，主要的目的就是能够让下肢受伤害或者受疾病困扰的患者顺利恢复健康。因此在设计的过程中就需要着重关注病人下肢的运行状态以及需求方向。经过前文的分析之后可以发现，如果病人的下肢看作为一种机电系统，那么就需要针对于“齿轮”、“液压”、“杠杆”多个部分来进行补充，保证能够实现解密结合，多个部分共同运行。对于环境来说，这种方式将会可以自我调节，因此可以看作为一种高智能化系统。对于正常人来说，可能行走较为简单，但是对于机电系统来说，运行的方式较为复杂，需要经过详细的分析[9]。

针对于康复机器人来说，主要的方式就是通过机电运动来模拟下肢运动，而人类不会仅仅只有行走一种下肢运动，那么这就要求康复机器人可以具有更多的拟人化状态，自由度需要尽量接近人体下肢。自由度一旦增加，那么结构的复杂性也会随着提升。因此，本文主要针对于结构设计角度来进行讨论和分析，尽量做出更多的运动预测原则。而自由度分配就是主要的研究方向，人体下肢有着非常多的关节，每个关节除了屈伸之外，还将会具有细微转动等等运动方向，为了更好的进行分析，同时也为了保证研究质量，本文不考虑轻微转动的情况，这不会影响康复机器人的最终运行效果。自由度的分配意味着康复机器人的主要管理方向，比如说髋关节可以屈伸，那么此时有了两个运动方式，而在髋关节屈伸的过程中膝关节也可以做出屈伸，那么就有了四个可能，比如说髋关节弯曲，膝关节也弯曲或者伸直。当来到踝关节时，再加上左右腿的考虑，可以说人体行走单侧有了八个自由度[10]。

2.3 驱动系统的设计

驱动系统属于系统运行的关键基础，由于主要的目的是进行行走，那么康复机器人就需要具有可携带性与穿戴方便两种要求，详细来讲需要达成：体积小、质量轻、反应速度快、便于控制、可靠性强几方面的特点。对于当下的康复机器人来说，常用的驱动方式包括三方面：电机驱动、液压驱动、气动驱动三种类型。

液压驱动属于一种输出量较大，可远程控制的方式。在同等的体积下，液压驱动输出的动力更大，性能更好。但是液压驱动的问题就在于液压系统过于庞大，成本较高，很多时候液体介质还会出现泄露，同时精度较差，无法实现定比传动。同时液压对于温度的要求较高，很多时候温度出现变化，液压的精度也会受到影响。

气压传动主要的工作方式就是通过压缩气体来进行传播，通过气体压力来传输动力，工作原理与液压显示，但是成本更低，使用无污染，不用担心出现泄露问题。但是气体的压缩性一般较大，因此，很多时候都无法对气压传动实现精确的控制。同时这种传动方式非常容易出现噪音，可靠性较差。

电机传统的类型主要有四种，分别是交流电机、直流电机、步进电机、伺服电机。电机驱动这种方式的响应速度较快，控制较为方便，并且运动的精读较高。可以说信号的提取、传递、处理都达到了相应的要求，成本较低并且稳定性较高，属于无污染的一种传动方式。康复机器人在选择驱动方式的过程中，需要根据实际情况来进行选择，比如病人使用的环境、病人的需求、病人的病情等等，都是需要考虑的范围，详细列举之后再选择更加合适的驱动方式。

2.4 仿生关节的设计

在本文的研究过程中，主要的研究依据就是仿生学的理论，只有在考虑了下肢生理结构的基础上，才能够更好的设计仿生关节。正如前文中提出，髋关节和踝关节的旋转有着一定的自由度选择，但是一些细微的转动对于人体走动的影响不大，因此需要将之进行忽略。人体行走的主要运动关节就是踝关节，髋关节和膝关节主要起到屈伸的作用，因此在设计康复机器人时，针对于不能行走的病人，需要在仿生踝关节位置进行重点加强。之所以这样设计，除了行走需求之外，踝关节也是人体承受重量的主要位置，加强这一位置，能够更好的减轻病人负担，在人体可承受的范围之内进行逐渐锻炼。对于一些自身机理没有遭受到永久性损害的病人来说，这种训练方式能够更好的帮助病人早日自行行走，恢复健康。

3 结束语

本文的主要研究内容就是对于康复机器人的运行状态以及运行效果进行了讨论，首先分析了人体下肢康复理论以及下肢相关骨骼。基于康复利润以及下肢骨骼，本文对于使用的康复机器人进行了自由度配置、关节选择、驱动方式选择、仿生关节设计五个部分的讨论和阐述。最终得出结论，康复机器人的设计需要给予康复理论和人体骨骼情况来选择驱动方式、配置方式，而康复机器人的优化方式则是尽量加强踝关节，重视行走的基础部分，只有这样才能够达到最佳的效果。