基于SolidWorks空间造型的下肢康复机设计

　　目前，随着人口老龄化及各种疾病导致的肢体运动障碍患者增多，康复医学与机构学结合起来的康复机技术正逐渐成为国内外研究的热点。下肢康复机是一种用于辅助治疗下肢运动功能障碍类疾病的自动化医疗设备，主要由电动机、变曲柄机构、步态运动机构及控制系统等组成。各部件通过协调运动带动患者模拟人的正常步态进行训练，从而逐渐恢复患者的下肢运动机能。人体的步态运动是由行走时双脚整体相对于地面，轨迹类似于椭圆的运动以及脚板绕脚踝的摆动。

　　1 人体运动学分析

　　下肢康复机的功能部件必须符合人体运动学基本规律，提供人体步态运动的类似轨迹。人体下肢骨胳结构如图 1 所示，主要由髋关节、膝关节、踝关节等组成。

　　(1)髋关节由股骨与髋骨等组成，股骨端部与髋骨的下部构成了具有 3 个旋转自由度的球形关节，实现了大腿绕 3 个方位轴的旋转运动。

　　(2)膝关节由股骨、髌骨和胫骨等组成。股骨与胫骨处形成了具有1个自由度的旋转关节，实现了小腿的屈伸运动。

　　(3)踝关节由腓骨、胫骨以及跗骨构架等组成，胫骨和腓骨的端部与跗骨形成了具有 3 个自由度的旋转关节，实现了脚部的侧翻、旋转和翘起。下肢康复机通过给患者脚部提供行走时的步态运动，带动下肢的各个关节运动，从而起到训练康复作用。本文借鉴国内外已有康复机的点，考虑对人体的下肢进行刚性和柔性康复训练以及不同患者的不同特点，设计了一种新型下肢康复机器。

　　2 机构原理分析

　　新型下肢康复机根据机构型综合的原理，通过平行四边形机构来调节曲柄长度(如图 2 所示)，从而达到根据不同患者的个性特征调节连杆上功能点的轨迹。用于调节曲柄长度的平行四边形机构是利用改变丝杆有效长度来实现的。

　　现有的下肢康复机绝大多数通过曲柄连杆机构中连杆上的一点来实现步态运动的。连杆 BD 上的中点 C 的轨迹如图 3 所示，为曲柄 DF 在 10 种不同长度时所得到的 10 种轨迹曲线。表明此康复机能够调节锻炼步态轨迹，从而达到适合不同人群锻炼和不同锻炼程度的效果，克服了传统康复机不能调节的缺点。

　　整个机构是由两套完全相同并且存在 180°相位差的变曲柄摇杆机构并联而成的。变曲柄为原动件，由一个电机经链传动主轴来驱动，这样便可实现两脚步态的协调运动。

　　根据机构学可知，曲柄连杆 2 上各点的运动轨迹各不相同。端点轨迹为圆弧和圆，而连杆中点的轨迹类似于椭圆运动，结合人体下肢解剖学，人体下肢运动为：大腿的大幅度前摆，小幅度的后摆;膝关节的大幅度后摆;足部绕踝关节在竖直平面内的转动。可知，连杆中点处安放脚踏板，最适合人体的下肢运动。