人体足部步态模拟机构的设计研究

　　在临床医学工程研究里，所强调的就是即时即效性，但是康复辅具的设计必须因人而异，根据病人的病理状态进行筛选，经常遇到这种情形: 比如某病人踝关节扭伤，当康复辅具设计完成后，病人的病理状态可能已发生改变，因而导致辅具设计的延迟或者失败。鉴于以上问题，本文主要在于设计一个模拟人体步态所呈现动作的机构，完全以机构的动作来模拟人的要求，先以正常人的步态为主要目标，待机构建立完成以后，可以根据病人的实际情况与正常人的差异进行调整，进一步可以模拟病人的运动方式。这对临床医学中踝关节辅具的设计测试具有指导意义和应用价值。

　　1 足部驱动器机构设计

　　关于步态模拟的研究比较少，主要是由于人体步态变化过于复杂。一般利用双足机器人来模拟人体步态，利用伺服控制的方式来达到双足运动的效果，Fumio Miyazaki[1]以动态追踪的方式得到步态资料，再利用控制的方式作动态模拟; Hirofumi和Isao[2]发表了5 种不同设计的双足机器人，并作了相应的动静态测试; Furusho[3]则设计了一套九连杆双足机器人; 由于这些研究方法没有设计足部驱动器，因此并没有从真正意义上通过机构的运动来达到人体踝关节步态的模拟。在步态模拟机构模型研究方面，Bejune[4]利用Chebyshev连杆机构来带动一个足部模型，并配合底板高度的变化产生与人体走路相似的正向力曲线。笔者引用Chebyshev 连杆机构作为驱动机构，与Bejune不同的是，本文采用左右对称的双Chebyshev 机构，将足部固定在两个耦杆之间，另外，笔者固定地板高度，以人体踝关节的运动物理性质作为设计依据，结构简图如图1。通常利用Chebyshev 四杆机构的耦杆中点C( 如图2) 来达到直线的要求，但是经过研究可以发现，Chebyshev 机构输入杆和输出杆的交点F 在适当的运动范围内，运动轨迹亦近似为一直线，因此可将其模拟为地板，将小腿与足部固装在耦杆间，在运动过程中犹如足部在一平地上行走。本机构利用双Chebyshev 四杆机构作为足部机构的主要驱动器，然后通过优化设计的方法找到一个最佳的耦点( 如图1) ，使得该耦点与人体外踝关节的运动轨迹相同。

　　2 踝关节的简化模型设计

　　踝关节机构的设计，我们以单一关节轴为设计基础，该关节轴与外踝关节轴一致。由于扭转弹簧能够正扭转时提供反向力矩，反扭转时提供正向力矩，正好能满足设计要求。如图3 所示，大齿轮固定在足部上方，齿轮圆心点为踝关节轴，整个机构以踝关节轴为回转轴，在左下侧固定座上固定扭转弹簧的下端，并安装一压缩弹簧，压缩弹簧的目的在于分担扭转弹簧的扭矩，当扭转弹簧遭受压缩时，其下端会对压缩弹簧产生一逆时针方向扭矩，该扭矩将引起压缩弹簧形变，对扭转弹簧产生一反向力矩，避免扭转弹簧压缩量过大。另外扭转弹簧另一端则用一个圆形销抵住，该圆形销通过一个连杆和小齿轮相连，当小齿轮转动时，就能够通过传动机构改变弹簧上端的力臂。另外，小腿机构同样以踝关节轴为回转中心，小齿轮固定在小腿机构上，在小腿构件的左侧有一槽状构造的固定件( 如图4) ，其作用是在运转过程中，当扭转弹簧的上端嵌入该槽后便会被卡住，此时扭转弹簧将提供足部的扭转力矩。在机构的另一侧同样装有一扭转弹簧，但是该弹簧的方向与前者相反，其上方以一个圆形销作为小腿和踝关节的施力点，下方则固定在足部。图5 为该机构后侧视图。