柔性踝关节康复机器人的设计与人机耦合性能分析
中风是全球人口第二大死因，许多中风患者会出现踝关节功能障碍，同时伴随踝关节不稳、足下垂和步态异常等持久性症状。采用踝关节康复机器人进行介入治疗是解决这一问题的重要手段。研究表明，在患者积极参与治疗的过程中，踝关节康复机器人对其康复进程产生了积极影响。
当前，踝关节康复机器人尚存在人机运动不匹配及人机耦合性能不佳等问题。为解决这些问题，东莞理工学院教授曾达幸率领团队，对柔性踝关节康复机器人的设计与人机耦合展开研究，并将研究成果发布在IEEE网站。
▍柔性等效轴的缆索驱动FARR模型设计原理：
该团队首先依据踝关节的运动特性和生理结构，构建了踝关节的等效模型，并确定了其工作空间。其次，提出了具备柔性等效轴的缆索驱动FARR设计模型，并完成了FARR的结构设计。通过分析机器人的运动学和动力学，计算得到了机器人的工作空间。通过对比踝关节与机器人的工作空间，验证了机器人运动函数的完整性。
踝关节的运动轴及其等效模型
此外，团队在研究过程中还构建了HRC动态理论模型及HRC动态仿真模型，用于解析HRC系统在运动过程中的关节扭矩。分析结果显示，HRC关节扭矩较小且变化稳定，这说明在机器人运动过程中，关节所承受的负担较为轻微。为进一步验证，团队打造了FARR原型，并开展了基于HRC系统的运动功能实验，以验证HRC系统下实际人体运动与FARR运动之间的匹配性。
▍构建具有仿生特性的FARR人机映射模型：
针对踝关节的生理结构及功能特性，研究团队设计了一种FARR配置，构建了具有仿生特性的FARR人机映射模型图。其中，红线代表机构中的旋转轴，与人体踝关节相对应；绿线代表机构中的驱动索，对应于人体踝关节运动所需的主要肌肉；蓝线则表示机构中的柔性部件（弹簧），与人体的踝关节韧带相对应；黑线则为机构中的刚性部件，象征性地代表人体踝关节的骨骼。
FARR 的人机映射模型图
依据人机映射模型图，研究团队提出了FARR的整体结构模型。此外，团队还利用改进的D-H法对等效模型进行了运动学分析，通过柔性等效轴的电缆驱动，计算FARR的工作空间。为进一步评估FARR的综合性能，研究团队建立了HRC动态模型。
FARR 的结构模型
▍研究结论：
结论一：该实验研究了人体踝关节的结构特征，包括骨骼、韧带和肌肉。提出了踝关节的等效模型，并利用改进的 D-H 法对等效模型进行了运动学分析。得到了等效踝关节模型的运动轨迹和工作空间，验证了踝关节运动轴分析和运动理论的合理性。
结论二：提出了一种具有柔性等效轴的电缆驱动 FARR 配置。机器人的工作空间分析结果与踝关节等效模型的工作空间进行了比较。结果表明，机器人的工作空间范围大于等效模型的工作空间范围，表明所提出的 FARR 在工作空间方面满足了踝关节康复的要求。
HRC动态理论模型
结论三：建立了HRC动态理论模型，并获得了运动过程中耦合关节的扭矩变化和HRC模型的角度变化。结果表明，耦合关节扭矩的整体幅度较小且稳定，HRC 模型的角度变化与人体的实际运动角度变化相吻合，表明所设计的 FARR 具有良好的 HRC 性能。
HRC 状态下的极限位置
结论四：运动实验在无负荷状态和HRC状态下进行。使用姿势角度传感器测量了角度变化曲线，并与踝关节的实际角度变化曲线进行了比较。结果显示，两者的运动值和趋势非常接近，验证了 FARR 用于康复的有效性和准确性。
▍关于作者：
曾达幸 东莞理工学院机械工程学院，主要从事机器人学、机构学基础理论及应用研究，耦合多轴驱动装备设计与分析；重型装备构型综合与机电集成技术等研究工作。
▍科研情况：
一、国家交通战备办公室、空军装备技术研究院项目（军工项目）：某装卸平台设计。
二、2017年国家自然科学基金项目：魔方中的机构拓扑学理论和方法研究。
三、2019国家重点研发计划项目子课题：大型轴类楔横轧制机器人化生产线及其应用示范。
四、2018年河北省自然科学基金资助项目：三自由度混合运动解耦并联机构型综合理论及其应用研究。
五、2011年国家自然科学基金资助项目：基于螺旋理论的解耦并联机构型综合方法及新机型综合。
论文地址：
https://ieeexplore.ieee.org/document/10306273