第!"卷!增刊!#$%%年!%%月!华中科技大学学报!自然科学版"
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收稿日期
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作者简介!王!勇!%"B"A"#男#教授#=AF*1<$
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下肢康复机器人的设计与仿真分析
王!勇!张!英!刘正士
!合肥工业大学机械与汽车工程学院"安徽合肥#!$$$"#
摘要!针对偏瘫患者在康复期缺乏合适训练器的问题#基于曲柄连杆机构上的点可实现椭圆轨迹的原理#设
计了一款下肢康复机器人’此机器人可安装在普通椅子两边#带动偏瘫下肢做康复锻炼’首先进行了健康者坐
在椅子上做类似于骑自行车的蹬腿运动实验#确定了蹬腿轨迹和腿部运动参数%运用4-<1>X-;WR对此机器人
进行三维建模
#确定了合适的安装尺寸和安装位置%又运用SeSO4对其进行仿真#分析了使用它实现的轨

迹形状&达到的轨迹幅度和下肢达到的锻炼角度情况’结果证明$这款机器人可以满足偏瘫患者进行下肢康复
训练的要求
#长期使用它进行锻炼可达到修复受损肌肉&增强肌肉活力的目的

’

关键词!康复机器人%四杆机构%轨迹%下肢%仿真分析
中图分类号!7P#C#!!文献标志码!S!!文章编号!%BE%ACI%#!#$%%"
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目前国内外对康复器械的研究主要有以下
#

种$一种是哈尔滨工业大学等进行的穿戴式辅助
器的研究’%(%另一种是运用虚拟现实技术的训练
器研究’#7!(8以上研究都运用了计算机#训练时可
以实时采集和处理各种数据#具有较高的精度
’C(
%

但是#它们必须有专门的人员操作并在实验室中
进行#且器械的价格较昂贵#故不能满足大部分患
者的需求
8

针对上述情况#本研究提出了一种在室内外都可以使用的训练器#它具有结构简单&适用范围广&经济实用等特点88!结构设计888!设计依据88888!医学依据痉挛是偏瘫患者肢体运动功能恢复的主要障碍#常见于上肢屈肌和下肢屈肌痉挛’I(8偏瘫患者的痉挛模式在下肢表现为典型的伸肌模式!或称伸肌优势"#具体表现为患侧骨盆旋后&上提#髋关
节伸展#内收&内旋#膝关节伸展#足跖屈&内翻#足
跖屈曲&内收8必须找出一种运动形式#使其既符

DOI：CNKI:42-1658/N.20111111.1412.183 网络出版时间：2011-11-11 14:12
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1658.N.20111111.1412.183.html
合康复训练中抗痉挛模式的要求!又能保证患者
的安全8但对于偏瘫患者康复训练中下肢运动轨
迹及各部分的参数国内外还没有统一的标准8查
阅相关的医学资料得知"患者在做类似自行车的
蹬腿运动时可以使骨盆#大腿#膝关节#小腿#踝#
脚等多处的肌肉得到锻炼8为了获得这方面的数
据!本研究首先测量了正常人坐在椅子上做类似
于自行车的蹬腿运动时脚部的轨迹和腿部的角度
变化!通过观察与分析测量可以得出""’下肢的
运动轨迹主要取决于脚后跟的运动轨迹$3’脚后
跟的运动轨迹为一个近似椭圆的封闭曲线$*’脚
沿轨迹发生位置改变会导致大腿与椅面的夹角#
大腿与小腿的夹角发生改变$)8大腿与椅面的夹
角范围在$g%!$g!大腿与小腿的夹角范围在
CIg%%I$g8
88889
!

机构学依据

在已知运动轨迹的平面四杆机构设计中!使
用图谱法可从连杆曲线图册中查到与所要求实现
的轨迹非常接近的连杆曲线!从而确定该机构的
参数%B&8其中G是连杆49上一点!当杆长
L4
i

49i9QiQL]%i#i%8Ii#时!G
点可形成
图中类似椭圆的轨迹!并且选取不同的点会形成
不同的轨迹
%E&
8

889
!

设计方案

动力源采用的是直流电机!其运动方式为单
向整周转动!现要实现椭圆轨迹运动!故考虑采用
直流电机带动曲柄连杆机构作为下肢康复锻炼的
机构!再从曲柄连杆机构上寻找一点来实现椭圆
轨迹!如图
%8

图#!脚部训练机构三维图
该款康复机器人的使用者为偏瘫患者!并且实现
该传动并不需要太大的力!所以只须保证该器材
使用的安全性和稳定性8在此拟采用带传动来实
现电机到腿部运动的传递8先由带传动将电动机
的整周转动传递到转盘即曲柄L4上!转盘再带
动脚杆4R转动!脚放在脚杆的末端R处!该四杆
机构可以实现其上某一点的椭圆轨迹!从而实现
患者的蹬腿运动
8
安装时!根据椅子的空间位置布

置!将左右#个转盘相差半个圆周!就可以实现
#

只脚的交错运动8这样重复多次康复锻炼可以调
动机体内部的潜能!重新建立一个神经功能网络!
提高过去机体相对无效突触的效率!促进突触的
重新生成!从而促进神经功能的重组或功能的再
现
%D&
8

9
!

仿真分析

988
!

四杆机构的仿真

通过理论设计可知四杆机构符合对空间位置
和结构要求!下面运用分析软件SeSO4对椭圆
轨迹的水平方向和垂直方向位移进行仿真8考虑
到偏瘫患者在恢复阶段不宜做大幅度运动
!通过

软件仿真优选了%组四杆机构参数!得到该机构
某点的运动轨迹!该轨迹基本符合设计的要求
8

图!中摇杆9Q为#I$FF!连杆49为
%I$

FF!曲柄L4为EIFF!脚杆4R为%$$FF8
R
点是脚杆末端的点!也是待确定的点8在
SeSO4

中对R点的运动进行分析得到图中的椭圆轨迹!
并测得其在#个方向的位移变化%"&8图C中通过
测量仿真结果得到脚后跟水平方向的位移幅度约
为#!"FF’垂直方向的位移幅度约为
%!EFF

’其中K为时间(8由仿真结果知这样的轨迹和位
移范围可以满足偏瘫患者下肢训练的要求
8

)!I#)
增刊!!!王勇!等"下肢康复机器人的设计与仿真分析
!!!!!
图!!脚部训练机构仿真模型及轨迹

图I!腿部仿真模型