基于MATLAB的多功能下肢康复训练辅具的机构运动分析

　　1 引言

　　近年来，随着科技进步和人民生活水平的提高，人们对康复器械的要求也越来越高。从第一台在商业上获得巨大成功的康复机器人—Handy1[1] 至今，康复机器人的研究得到了巨大的发展。目前，应用于残障患者的辅助器械有很多，如电动轮椅、肢体康复训练器械、室内移动辅具等。但大多数产品是针对患 者的某一需求进行设计的，实现的功能比较单一。根据残障人或老年人日常生活自理的需求，运用人机工程学理论设计开发了一款新型的下肢康复训练辅具，可以实 现不同运动方向的动力驱动和定位，具有移动行驶、下肢康复训练、旋转辅助转接、高处取物等多种功能，并可以在无人护理的情况下，完全由使用者自己来完成。 该新型下肢康复训练辅具满足了残障人和老年人日常生活的自理和下肢减重康复训练的需求，一定程度上解决了社会和家庭护理病人难的问题。

　　从人机工程学的角度出发，应用Pro/E 软件完成下肢康复训练辅具的虚拟设计，针对该辅具的上肢提升机构，建立机构运动学方程，应用MATLAB 软件建立运动学仿真模型进行运动仿真分析，确定该机构的相对运动关系，为辅具的智能控制提供必要的理论参考依据。

　　2 多功能下肢康复训练辅具的虚拟设计

　　根据残障人或老年人日常行为活动的需求进行功能分析，确定实现各功能的机构原理，应用Pro/E 软件进行零部件的设计和康复辅具的装配，最后应用Pro/E Mechanical 完成装配干涉验证和运动仿真。如图1 所示。

　　1.驱动轮组件2.主架体3.主体升降电动推杆4.提升架5.座椅架6.手臂支撑架7.座椅回收电机8.脚踏回收电机9.脚踏回收机构

　　本康复辅具主要完成的功能：下肢减重康复训练、代步工具、高处取物、辅助转接(入厕和座椅转接等)、辅助起居。如图2 所示。

　　整个辅具的结构尺寸设计依据人机工程学的原理[3]，架体的高度和宽度依据GB10000-88 给出人体尺寸数据并结合室内家具和门框的高度和宽度来设计。

　　座椅设计一方面考虑符合人体各部分的尺寸要求，另一方面还要考虑座椅舒适度要求，依据GB/T14774—93 标准给出了工作座椅设计的一般人机工程学要求、结构形式和主要尺寸，从而确定座椅高度、座椅宽度、扶手高度、脚踏板到座椅面的高度等参数。

　　3 机构的建模和仿真分析

　　整个下肢康复训练辅具从机构学的角度可分为三个独立部分：上肢提升机构、座椅回收机构、脚踏回收机构。每部分的运动均依靠电机驱动完成。从运动原理上分析，均可简化为摆动导杆机构。以上肢提升机构为例，进行机构的运动仿真分析。