新型下肢康复外骨骼与轮椅组合系统的设计与研究

# 新型下肢康复外骨骼与轮椅组合系统的设计与研究 ## 1. 引言 下肢外骨骼能够帮助下肢残疾人士站立和行走，不过现有的商业化外骨骼机器人在患者独立行走时无法提供足够的稳定性，长时间的步态训练会导致过度疲劳和平衡困难。为解决这些问题，设计了一种下肢康复外骨骼与轮椅相结合的系统，该系统能满足长时间步态训练和坐下来休息的需求，还能帮助用户稳定地起身和坐下，无需拐杖。 ## 2. 机械结构设计 ### 2.1 下肢外骨骼机械结构设计 #### 2.1.1 整体结构设计 下肢康复外骨骼与轮椅组合系统是一种可穿戴机器人系统，适用于下肢无力或残疾的患者。外骨骼的结构应根据人体下肢的解剖结构进行设计。 人体每个下肢基于人体运动学有 8 个自由度（DOF），考虑到人体下肢在矢状面上的运动在步态运动中起重要作用，只确定了矢状面上髋、膝和踝关节的自由度。人体下肢关节在矢状面上的运动角度范围如下表所示： | 关节 | 自由度 | 人体运动范围 | | ---- | ---- | ---- | | 髋关节 | 伸展/弯曲 | 120°/30° | | 膝关节 | 伸展/弯曲 | 10°/140° | | 踝关节 | 跖屈/背屈 | 50°/30° | 根据人体步态分析，行走时的步态运动呈现周期性规律。外骨骼每条腿在矢状面上有三个旋转自由度（即髋、膝和踝），将髋关节和膝关节设置为主动驱动关节。为适应不同人的身高，在髋关节和膝关节附近设置了可调节连杆，在踝关节附近设置了支撑杆。外骨骼各关节的旋转范围如下表所示： | 关节 | 自由度 | 人体运动范围 | | ---- | ---- | ---- | | 髋关节 | 伸展/弯曲 | 110°/20° | | 膝关节 | 伸展/弯曲 | 5°/90° | | 踝关节 | 跖屈/背屈 | 20°/20° | #### 2.1.2 髋关节结构 髋关节设置在大腿和连杆之间，安装了高扭矩电机来驱动整个下肢抬起和摆动。通过 Opensim 模拟身高 180 cm、体重 100 kg 的人体模型行走，确认电机的驱动扭矩不能低于 60 Nm。为避免电机输出轴直接承受高扭矩，设置了一个与电机和电机安装座相连的拉伸弹簧。拉伸弹簧的伸长量可以通过余弦定理公式计算： \[ \begin{align*} \Delta L_{life} &= L_{AB} - L_{AC} = L_{AB} - \sqrt{R^2 + (L_{AB} - R)^2 - 2R(L_{AB} - R)\cos(180 - \alpha)}\\ \Delta L_{swing} &= L_{AB} - L_{AD} = L_{AB} - \sqrt{R^2 + (L_{AB} - R)^2 - 2R(L_{AB} - R)\cos(180 - \beta)} \end{align*} \] 其中，\(\Delta L_{life}\) 和 \(\Delta L_{swing}\) 分别是腿部向前抬起和向后摆动时拉伸弹簧的伸长量，\(L_{AB}\)、\(L_{AC}\) 和 \(L_{AD}\) 分别是 AB、AC 和 AD 的距离，\(R\) 是拉伸弹簧固定端在电机上的旋转半径。 #### 2.1.3 膝关节结构 为减轻外骨骼的重量和髋关节的负载扭矩，设计了一种鲍登电缆驱动机构。膝关节的驱动电机设置在背部，与输入端绕线轮相连，输出端绕线轮与膝关节相连。鲍登电缆的安装方法是将其绕在输入端和输出端绕线轮上，然后用螺栓和垫圈压入内槽。基于 Opensim 的步态模拟，驱动膝关节的电机输出轴扭矩不能低于 58 Nm。 #### 2.1.4 踝关节结构 在足部组件的外壳上设置了一个挡板，以避免踝关节旋转超过其运动范围而损坏患者。使用扭转弹簧来复位踝关节，并在行走过程中通过其弹力为患者提供抓地力，促进康复。足部底部的刚性材料在步态训练中起支撑作用，由柔性材料制成的鞋套铰接在刚性支架上，并设置了一个扣环来定位患者的脚。 ### 2.2 集成轮椅机械结构设计 #### 2.2.1 整体结构 整体轮椅机械结构包括与外骨骼组合的集成机构、辅助患者在站立和坐姿之间转换的姿势转换机构以及驱动轮椅的移动机构。根据中国电动轮椅标准，确定轮椅的