下肢康复机器人设计与分析

杨力¹,徐林森²，王海平^3

(1.常州工业职业技术学院轨道交通学院，江苏 常州 213164)

(2.中国科学院合肥物质科学研究所，安徽 合肥 230031)

(3.江苏理工学院机械工程学院，江苏 常州 213163)

基金项目：国家重点研发计划(2017YFB1303202)；常州轻院校青年基金计划(QN201813101017)

作者简介：杨力（1981—），男，讲师，硕士，主要研究方向为机械设计制造，36915320@qq.com.

摘要：通过对脑卒中导致的偏瘫运动缺陷症状进行分析，建立不同运动状态下康复机器人的运动学和动力学模型，开展康复机器人构型综合与尺度优化设计，并对关键功能部件进行一体化、模块化与轻量化设计，完成了一款具有4个自由度的脑卒中下肢康复机器人的设计。同时，对各关节的康复训练进行参数化研究，使人体关节所承受的关节力均在可承受范围内，以保证康复训练的安全性。

关键词：下肢康复机器人；结构优化；分析仿真

中图分类号：TP242   文献标识码：B   文章编号：2095-509X(2020)12-0028-04

下肢康复机器人基于运动再学习理论而研发，是用于辅助肢体运动功能有障碍的患者进行康复训练,并能提供患者康复信息的辅助治疗自动化设备。机器人与人在同一个作业空间内带动患肢完成康复训练,使患肢逐渐恢复运动功能。机器人辅助治疗的优点为:可以将治疗师从康复训练过程中解放出来,使其能专心地针对患者病情变化制定合理的训练方案；能精确记录训练参数,对康复过程和效果进行客观评价；还能让患者直观地看到自己的训练进展,使训练过程更具有吸引力,从而提高患者参与治疗的积极性。

目前国内外市场上已投入生产的下肢康复机器人多为助力式直立行走模式或是悬吊减重模式^［1-2］，前者需要患者有足够的上肢力量，其有一定的平衡性隐患，后者则因为设备安装要求高、整体尺寸过大等难以普及。国内外相关机构正在研究坐姿下肢康复机器人^［3-4］，该机构具有结构简单、功能齐全、适用于家庭康复等优点。

本文根据坐姿下肢康复机器人特点，开展康复机器人构型与尺度优化设计，并对关键功能部件^［5］进行一体化、轻量化设计，进一步保证患者使用该机器人康复训练的安全性与康复效果。

1 下肢康复机器人结构设计与计算

如图1所示，该下肢康复机器人共有4个自由度，即髋关节外展/内收、髋关节屈伸、膝关节屈伸、踝关节背屈/跖屈，适用于身高150～190 cm、体重在120 kg之内的用户，左右脚通用，运动范围：髋关节屈伸10°～120°，膝关节屈伸0°～135°，踝关节背屈30°～跖屈45°。