基于步态规律的康复训练机器人机构设计与分析

0 引言

近年来，我国脑卒中发病率总体呈上升趋势。脑卒中病发后大部分患者都会伴有语言、感知和运动等方面的障碍，严重影响了他们的日常生活质量，同时给社会与家庭带来沉重的负担[1-2]。康复治疗是降低致残率和提高患者生活质量的主要途径。但目前脑卒中患者数量多，康复治疗师缺口极大，远远无法满足患者的康复需求。因此，借助康复训练设备对偏瘫患者进行康复治疗的理念便应运而生[3]。

康复训练机器人不仅可以减轻医疗人员的负担，提高患者的康复效率，而且还可以详细客观地记录训练过程中的治疗数据，为康复治疗师分析和评价康复训练效果提供参考依据[4]。康复机器人已成为国际机器人领域的一个研究热点。比较典型的国外下肢康复训练机器人有德国的Loco-Help、瑞士Lokomat、美国的Litegait等，这类康复训练机器人具有良好的康复效果，但受训者身体悬挂绑定，上体的活动受到限制，使用体验不佳，且价格昂贵[5]。目前国内外报道的康复机器人中，关于步态运动机构的研究，大部分都是针对不同结构产生的主运动的性能分析，很少涉及基于步态规律和改变步长的康复训练，不能保证运动过程中下肢关节的运动符合人体规律，也不能实现步长可调节[6-7]，不能够满足不同身高不同康复期患者的需求。所以，根据人体步态规律设计一款轨迹可调康复训练机器人具有一定的现实意义[8-10]。

对于偏瘫患者下肢残疾问题研究发现，步态障碍是残疾的重要因素，患者是否具有良好的步行能力直接关系到其生活的独立性[11-13]；通过改善步态，重获行走能力是最常见的偏瘫患者康复的既定目标[14]。因此，获取正常人行走的步态规律，根据步态规律设计符合步态规律的训练轨迹，对于患者恢复正常的行走能力具有重要的意义。但是由于不同患者的身高和腿长都不尽相同，即使同一患者在不同康复训练期对康复训练的步态轨迹、幅度的要求也不相同。如何研制一款符合步态规律且可实现不同步态的康复训练机器人成为了一项具有重要现实意义的研究工作。

如果说亚细亚生产劳动形式下只能产生不稳定的文明群落，那么在古代的所有制下的劳动形式则使得文明进一步扎根于土地。土地变为领土，世袭制出现，在这种劳动形式中，共同体成员必须有共同体成员的身份才能生产自身。“一个人之所以是罗马人，只是因为它在一部分罗马土地上享有这样的主权。”［4］131随着劳动能力的变化，从完全依赖于自然客观条件过渡到更多依赖于工具、技能和手段，人类历史从乡野进入到城市。亚细亚历史是城市与乡村无差别的统一的历史，城市“附庸”农村；古典古代历史是以农业为基础的城市历史，而日耳曼时代的城乡则出现了对立，人类历史从农村出发，在城市得到栖息。

本文中我们依据步态规律和不同身高患者和同一患者不同康复期的运动特点，基于变胞康复训练机构研制一种轨迹可变、幅度可调、符合步态规律、操作简单、安全可靠的康复训练机器人。

(2)原生铜矿床的成矿与中三叠世岛弧环境下的岩浆活动关系密切。伴随中晚三叠世火山活动，成矿热液沿火山通道上升，并在火山通道或火山碎屑岩中发生矿质初始富积。晚期矿化作用，区域构造运动加强，火山喷发产生的火山气体以及英安斑岩的侵入作用使铜矿物质再次富集，从而形成与火山-次火山岩(英安斑岩)相关的铜多金属矿。

1 正常步态运动规律的探索

康复训练的目的就是能够使偏瘫患者恢复正常行走的能力，人体正常步态运动是一个复杂的多肢体相互协调的运动过程，是全身各肢体间按照一定规律相互配合运动的结果。为了探究人体步态运动规律，课题组设计健康成人正常步态行走试验，统计正常步态的步长、步速以及下肢各关节步态周期中的运动规律。由文献[15]的试验数据可以得到正常步态人体下肢棍棒图，如图1所示，把踝关节的运动轨迹作为设计康复训练机器人运动轨迹的目标。

  

图1 正常步态人体下肢棍棒图

另据文献[16]研究，偏瘫患者的步速、步长都小于健康人，如表1所示。偏瘫患者的康复过程伴随着患肢步长与离地高度逐渐趋于正常水平，故要求机器人能够实现不同的步态轨迹。

课前预习对于学生和课堂都是非常必要的。因此，学校应该对课前预习引起重视，使预习发挥一定的作用，提高小学语文课堂的效率，并且让学生拥有一定的独立自主学习的能力。

 

表1 偏瘫患者与正常成人步速、步长对比表

  

步行时空参数病例组健侧患侧平均值对照组步速/(m/s)——0.45±0.301.23±0.12步长/m0.28±0.110.42±0.180.35±0.150.65±0.06

2 实现固定步态轨迹的机构设计

将四杆机构作为实现康复训练机器人的机械结构，可通过设置合理的杆长来实现不同的运动轨迹，但是平面四杆机构连杆上一点要精确通过预定的9个点位的轨迹问题是很难精确求解的课题，因此大部分基于四杆机构的康复训练器的训练轨迹都是近似求解，但是患者对康复训练轨迹要求高，否则易形成异常步态。因此，模拟步态规律的康复训练机器人的运动轨迹设计要求很精确的经过9个预定点位。传统的图谱法和解析法难以满足本文中的设计要求，因此，采用优化算法实现固定轨迹的优化。

  

图2 四杆机构训练器示意图

选取240 mm≤l3≤540 mm，分析步长为50 mm，分析结果如图6所示。

由图2中的几何关系可知，在坐标系x-O-y中

 

为了使连杆上的轨迹点能够适应理想步态要求，连杆曲线M(xm， ym)与给定曲线上第i点(xi， yi)的差值最小，设计目标函数为

 

以f(x)为目标函数，利用Matlab计算软件，使用惩罚函数法对杆长进行优化求解。

约束条件如下：

(1)所有的杆件长度均为非负数，即

g1(x):min[l1，l2，l3，l4，l5]≥0

2015年我科住院患者29930人次,男1666例,女1320例,;年龄55~99岁,平均年龄(71.2±3)岁;病程最短的5天,最长的25年,平均病程为(5.3士2)年;2016年我科住院患者27630人次,男1579例,女1251例;年龄55~99岁,平均年龄(71.3±3.2)岁;病程最短的3天,最长的25年,平均病程为(5.1±3)年。

对于混凝土结构，分析时通常关注结构是否处于不利的受拉状态，尤其是非直接受压区域，借助有限元软件，能够通过最大主应力直观判断出结构拉压状态，若结构主应力为拉应力，则应结合各个方向应力状态，采取针对性改善措施；同时，在结构直接承压区域通常重点关注结构最小主应力，以避免出现局部压溃、开裂现象。为了达到上述目的，本文从锚固区横向应力、竖向应力、纵向应力及主应力多方面进行分析。计算均采用国际单位，应力值正值为拉应力，负值为压应力。由于模型中未考虑普通钢筋影响，计算应力值较实际结构应力偏大，重点关注应力变化趋势。

而获得了知识和美德的人，就可以出色地运用其天生就具备的武器(即各种能力)，而美德一旦武装起来就能形成极强的能力；如果人们的品德败坏了，比如极其邪恶和残暴，无比放荡和贪婪，就会把我们天生的武器用于做极恶劣的事情。“不公正被武装起来将会是莫大的祸害。”[2](P7)善德与恶德对于个人和团体的生活之影响十分巨大，所以，政治的作用就是要采取优良政体，或者促使时下的各种政体能够得到改善，其标准就是：有效地安排各种善，并使美德的价值优先；同时政体的安排要有助于公民获得美德，并且可以按照政体能在多大程度培养公民的完整美德来衡量其优良程度。

综合上述对各个影响轨迹变化因素的分析可知，选择调节曲柄长度l1或机架长度l4较为合适，主要因为这二者幅度与曲柄长度成比例关系，基本不影响M点运动轨迹形状，不影响轨迹的幅度，轨迹的中心点变化较小，较适合偏瘫患者康复训练使用。故选择调节曲柄长度l1作为主要调节件，机架长度l4在一定范围变化对M点输出轨迹影响较小，适合作为辅助调节件。而其他因素导致运动轨迹的中心以及轨迹形状变化比较大，选取表2中的优化目标值作为它们的杆件尺寸。

(3)为了保证机构良好的传动性，选取最大压力角为30°，即

 

对某一身高为161 cm试验者的步态运动轨迹作为优化目标，利用Matlab软件中自带约束非线性规划问题的Fmincon函数工具集，对四杆机构训练器杆长尺寸进行优化求解，优化结果如表2所示。

 

表2 某一试验者步态轨迹优化结果

  

l1/mml2/mml3/mml4/mml5/mm166.585 3391.359 8329.725 9325.928 2563.200 1α0/radβ/radxa/mmya/mmf(x)0.000 00.000 0-331.107 2-377.327 26.74

根据优化的尺寸设计的四杆机构训练器脚踏点M的运动轨迹点图与所需拟合运动轨迹的拟合程度如图3所示。

  

图3 实现固定轨迹的运动拟合效果对比

3 实现不同步态轨迹的机构设计

由于不同患者以及患者在不同康复期所形成步态运动轨迹幅度均不相同，而单自由度曲柄连杆机构的运动轨迹是固定不变的，仅可满足偏瘫患者某一身高或康复期的训练需要，难以适应整个使用群体以及某一患者的整个康复过程。为满足大众患者的使用需求，康复训练机器人被要求输出多种步态轨迹。因此，在上节由优化结果确定的四杆机构的基础上，添加一个或几个自由度，从而组成多自由度的连杆机构。

在决定四杆机构输出运动轨迹中的9个影响因素中，A点坐标(xa， ya)决定了输出轨迹在平面上的坐标位置，不影响其形状大小；机架安装的倾角α0，只会影响运动轨迹的倾斜角度，不会对其输出的运动轨迹形状产生影响。因此，去除以上3个因素，本文中基于上节康复训练器的尺寸，对影响四杆机构训练器输出6个因素进行单因素影响分析。

g2(x):l1l2，l3，l4]

(1)曲柄长度l1变化影响。在其他优化结果不变的情况下，根据曲柄摇杆机构的存在条件，选择l1的取值范围：l1<265 mm，分析取60 mm<l1<260 mm，分析步长为40 mm，分析结果如图4所示。

  

图4 不同曲柄长度对M点输出轨迹的影响

曲柄长度l1对运动轨迹影响较大，主要影响轨迹的幅度，幅度与曲柄长度成正比关系，基本不影响M点运动轨迹形状，且类椭圆的中心点几乎不变。

(2)连杆长度l2的影响。在其他优化结果不变的情况下，根据曲柄摇杆机构的存在条件，选择l2的取值范围为

 

选取180 mm≤l2≤480 mm，分析步长为50 mm，分析结果如图5所示。

连杆长度l2主要影响轨迹的中心位置，在一定范围内对轨迹形状与类椭圆的长轴影响不大；大于或者小于一定范围时，不仅改变其中心位置还会改变形状与类椭圆短轴的值。

  

图5 不同连杆长度对M点输出轨迹的影响

南桐选煤厂采用小直径重介质旋流器分选0.5～0.075 mm粒级的高硫难选煤，其分选可能偏差Ep值为0.057，煤泥降硫率达到14.3%，总精煤硫分下降4.83%。与常规浮选基本没有降硫效果相比，煤泥重介质旋流器是分选粗煤泥的一种较好方法[3]。

 

建立如图2所示的坐标系，四杆机构训练器在某一时刻脚踏点M的坐标为(xm，ym)，该点的位置坐标取决于四杆机构ABCD的各杆件长度l1、l2、l3、l4、l5、A点坐标(xa， ya) 、曲柄转角α、机架安装倾角α0、连杆倾角β等参数。

摇杆长度l3主要对轨迹的中心位置影响比较大，在一定范围内对轨迹形状与类椭圆的短轴影响不大；大于某一范围时不仅改变其中心位置，而且会增大其幅值。

(4)机架长度l4变化影响。在其他条件不变情况下，根据曲柄摇杆机构存在条件，选择l4的取值范围为

 

选取240 mm≤l4≤540 mm，分析步长为50 mm，结果如图7所示。

  

图6 不同摇杆长度对M点输出轨迹的影响

  

图7 不同机架长度对M点输出轨迹的影响

机架长度l4主要影响轨迹形状与幅度；随着长度增加，轨迹由“瘦”变“胖”，随着l4长度的增加，类椭圆的长轴和短轴均增加，去除极端数据l4=540 mm，在一定范围内椭圆中心变化不大，基本不影响M点运动轨迹形状。

师傅告诉他，原始记录是总结经验、摸清操作规律的依据，记录过程千万草率不得。董松江把这句话牢牢地记在了心里。他每填写一个数据，都要核对仪表多次，以防出错。每班456个数据，四五年间，他记录了近76万个数据，没有一次漏记错记。

(5)BM长度l5变化影响。在其他参数条件不变的条件下，在[200 mm， 700 mm]范围内，对l5以100 mm为步长进行分析，如图8所示。

  

图8 不同BM长度对M点输出轨迹的影响

BM长度l5不仅影响轨迹的中心位置，而且影响其形状与幅度；从B点开始随着长度增加，轨迹由“胖圆”变“瘦长”直至过C点；过C点后，随着长度增加轨迹形状变“胖”、类椭圆的长、短轴变大。

(6)倾角β变化影响。在其他条件不变情况下，选择倾角β取[0°， 10°， 20°， 30°， 40°， 45°， 60°， 90°]进行分析，分析结果如图9所示。

  

图9 不同倾角β对M点输出轨迹的影响

倾角β既改变了轨迹的中心位置，又改变运动轨迹的形状与幅度，主要影响类椭圆短轴变化，对长轴影响不大；当角度从0°增至20°时，类椭圆轨迹的短轴逐渐变短，长轴几乎不变；超过20°时，随着角度增加，类椭圆的长轴几乎不变化，而短轴值不断变大。

在招标时，百安居要全面衡量第三方的网络覆盖能力、运营能力以及服务质量等等。对物流服务商的考核指标：准时到达率、商品完好率、服务态度等进行严格的监控与考核，对于第三方物流造成的货物超时配送以及货损进行严格的处罚机制，多次考核不合格的第三方物流服务商，百安居须即刻结束与其的合作伙伴关系，从而避免由于劣质的客户服务水平给百安居带来的不良影响。

g3(x):l1+2max[l2，l3，l4]<l2+l3+l4

(3)摇杆长度l3变化影响。在其他优化结果不变的情况下，根据曲柄摇杆机构的存在条件选择l3的取值范围为

(2)曲柄摇杆机构杆件的长度要求

  

图10 康复训练机器人结构示意图

在可实现固定步态康复训练器的基础上，基于平面连杆机构设计了一种“五杆变胞机构”座式康复训练机器人，根据患者实际康复需求，通过动力机构调节调整杆与水平夹角以及驱动曲柄l1，可得到不同轨迹。为使偏瘫患者在下肢进行康复训练的同时上肢也可以进行运动，因此在下肢“五杆变胞机构”基础上增加一个零自由度的Ⅱ级杆组，如图10所示。其中，1为曲柄、2为调整杆、3为连杆、4为脚踏支撑杆、5为杆五、6为踝关节、7为膝关节、8为杆八、9为腕关节、10为肩关节、11为肘关节、12为髋关节。

4 样机与试验

患者的康复过程也是其肌力恢复的过程，人体的下肢运动主要在矢状面内，将一对在矢状面内相位差为180°的五杆变胞机构对称地布置于座椅两侧作为康复训练机器人的训练机构。康复训练机器人样机如图11所示，主要由人机交互系统、训练机构、脚踏、机架、椅面等组成。根据患者的个体特征与所需训练的轨迹，调整变胞策略，满足不同身高患者或不同康复期患者个性化训练需求。

  

图11 康复训练机器人实物图

通过机构末端脚踏绑定记号笔试验，测量机构末端实际运动轨迹，绘制机构末端不同步态轨迹图。

（1）通过学生的互补学习，有效促进学生共同进步。通过加强学生间的互补学习可以有效促进学生共同进步，取得多赢的效果。将全部学生分为若干个小组，学生在小组内通过自由探索和多方互动讨论的方式进行学习，不仅有利于培养学生的学习兴趣，而且能够活跃学生的思维，使其专注的投入到学习中去。学生在学习小组内，通过老师适时的引导以及同学间的相互帮助、相互学习，可以最大程度的发挥自身的主观能动性，并且在教师正确的引导下更有利于学生的学习。

(1)规划步长为200 mm轨迹试验。调整机构的变胞策略，使调整杆与水平面夹角为60°，绘制康复训练机器人规划步长为400 mm的脚踏位置的步态轨迹，如图12所示。实际测量步态长度结果为206 mm，误差为3%。

  

图12 步长为200 mm的步态轨迹

(2)规划步长为400 mm步态轨迹试验。调整变胞策略，使调整杆与水平面夹角30°，绘制康复训练机器人规划步长为400 mm步态轨迹，如图13所示，实际测量为402 mm，误差为0.5%。

Kentar Y, Zastrow R, Bradley H, et Al. Prevalence of Upper Extremity Pain in a Population of People with Paraplegia. Spinal Cord, 2018, 56(7): 695-703.

(3)规划步长为600 mm步态轨迹试验。调整杆角度规划步长为600 mm步态轨迹，绘制康复训练机器人绘制脚踏位置轨迹，如图14所示，运动轨迹实际测量结果为582 mm，误差为3%。

通过圆的引入，帮助学生创设了探究情境，学生在教师的引导之下，进行独立思考和合作探究，从而对椭圆的相关基础概念有了一定的认识.激发学生兴趣的同时提升了学生自主探究的信心.

试验结果表明，该机器人训练轨迹符合人体步态运动规律。可通过调整变胞策略，实现训练轨迹可变，满足不同患者不同康复期个性化的康复训练需要。由于样机的加工、制造、装配等原因造成试验结果与仿真规划步长存在一定的误差，误差范围小于5%。机器人满足设计要求，能够为不同康复期的患者提供个性化的步态轨迹训练。

  

图13 步长为400 mm的步态轨迹

  

图14 步长为600 mm的步态轨迹

5 结论

(1)针对步态运动规律，设计了一款基于四杆机构的康复训练器，并结合某一身高试验者的步态轨迹对训练器进行了尺寸优化。

(2)针对四杆机构康复训练器难以满足不同患者、不同康复期个性化的实际临床康复需求的矛盾，对影响训练器运动规律的主要因素进行分析。基于分析结果，设计了一款可实现不同步态轨迹的康复机器人。

(3)对所设计康复训练机器人进行了样机制作与试验。结果表明，该机器人能够为不同康复期的患者提供个性化的步态轨迹训练，满足设计要求。

该机器人的研制对改善偏瘫患者康复训练现状具有一定的现实意义，同时也为康复机器人设计提供了参考。

参考文献

[1] 张通．中国脑卒中康复治疗指南(2011完全版)[J]．中国康复理论与实践， 2012， 4(6)：301-318.

[2] 赵豫玉．穿戴式下肢康复机器人的研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工程大学， 2009：1-3.

[3] OSTWALD S K， DAVIS S， HERSCH G， et al．Evidence-based educational guidelines for stroke survivors after discharge home[J]. Journal of Neuroscience Nursing， 2008， 40(3)：173-191.

[4] 王涛， 倪朝民， 范文祥， 等．社区康复对脑卒中患者功能和生存质量的远期疗效观察[J]．中国康复医学杂志， 2009， 24(10)：934-937.

[5] 史小华， 王洪波， 孙利， 等．外骨骼型下肢康复机器人结构设计与动力学分析[J]．机械工程学报， 2014， 50(3)：41-48．

[6] 刘瑞素， 邢新闯， 刘亚男， 等. 脚踏式下肢康复训练机器人结构设计及运动学仿真[J]. 中国机械工程学报， 2016， 27(20)：2722-2727.

[7] 秦涛， 张立勋．考虑跖趾关节运动的踏板式步行康复机器人运动规划[J]．机器人， 2014， 36(3)：330-336．

[8] NAKAJIMA S． RT-Mover：A rough terrain mobile robot with a simple leg-wheel hybrid mechanism[J]. The International Journal of Robotics Research， 2011， 30：1609-1626．

[9] DEACONESCU T， DEACONESCU A．Pneumatic muscle actuated isokinetic equipment for the rehabilitation of patients with disabilities of the bearing joints[C]∥ Proceeding of the International MultiConference of Engineers and Computer Scientists 2009， IMECS 2009， March 18-20， 2009， Hong Kong， China. Saint John: IAENG Society of Computer Science， c2009：21-25.

[10] 张立勋， 伊蕾， 白大鹏．六连杆助行康复机器人鲁棒控制[J]．机器人， 2011， 33(5)：585-590.

[11] 姜礼杰， 陈进， 王良诣， 等． 肢体协调运动康复机器人的机构设计与实验[J]．自动化学报， 2016， 42(12):1808-1818．

[12] 王岚， 李趁前， 刘艳秋， 等．基于力阻抗控制的手臂康复机器人实验研究[J]．中国机械工程学报， 2008， 19(13)：1518-1522．

[13] 刘艺， 黄敬．脑卒中偏瘫患者3种步行训练方法的效果比较[J]．中国康复理论与实践， 2014， 20(3):272-275．

[14] BEAUCHAMP M K， SKRELA M， SOUTHMAYD D， et al. Immediate effects of cane use on gait symmetry in individuals with subacute stroke[J]. Physiotherapy Canada， 2009， 61(3):154-160．

[15] 姜礼杰， 王良诣， 王勇， 等．一种混合输入并联拟人步态康复机器人的机构设计与分析[J]．机器人， 2016， 38(4):495-503．

[16] 王桂茂， 严隽陶， 刘玉超， 等．脑卒中偏瘫步态的时空参数与骨盆运动学分析[J]．中国康复医学杂志， 2012， 27(3):227-230．