徐桂元，王 鑫，楊茂秀，高麗蘭，呂林蔚，張春秋*

（1.天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津理工大學(xué)機(jī)電工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，天津 300384；2.天津金輪自行車集團(tuán)有限公司，天津 301700）

0 引言

踝關(guān)節(jié)是人體下肢的主要承重關(guān)節(jié)之一，是人體移動、跳躍的啟動器及緩沖器[1]。膝、踝關(guān)節(jié)損傷發(fā)病率高，其中踝關(guān)節(jié)在人體所有關(guān)節(jié)韌帶損傷中占據(jù)首位[2]，兩關(guān)節(jié)損傷也往往會導(dǎo)致人體下肢活動功能障礙。有關(guān)膝、踝關(guān)節(jié)功能性損傷以及結(jié)構(gòu)性改變的術(shù)后康復(fù)研究表明，利用康復(fù)訓(xùn)練裝置進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練可加快恢復(fù)進(jìn)程、提高關(guān)節(jié)活動度[3-4]，是一種有效的康復(fù)手段。

針對膝、踝關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練裝置研究近年來發(fā)展較快，種類較多，按功能大致可以分為踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置、膝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置與下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置3 種，不同類型各有優(yōu)缺點(diǎn)。當(dāng)前使用廣泛的踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置按結(jié)構(gòu)分為理療機(jī)、串聯(lián)式康復(fù)設(shè)備、并聯(lián)式康復(fù)設(shè)備以及踝足矯形器等類型[5-7]。其中傳統(tǒng)的理療機(jī)訓(xùn)練動作、模式都較為單一，康復(fù)訓(xùn)練不全面；串聯(lián)式康復(fù)設(shè)備多為三自由度設(shè)計(jì)，控制方便，易測量實(shí)時扭矩，但結(jié)構(gòu)普遍復(fù)雜臃腫，驅(qū)動較多，易造成誤差累計(jì)；并聯(lián)式康復(fù)設(shè)備設(shè)計(jì)體積小，訓(xùn)練自由度通常在2～6 之間，但正向位置解不唯一[8]，機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動中心易與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動中心不匹配[9]，通過更換柔性驅(qū)動可一定程度上緩解該問題；踝足矯形器結(jié)構(gòu)緊湊、人機(jī)耦合度高，主要研究集中在輔助行走時的人機(jī)交互控制策略上，且行走助力大多針對踝關(guān)節(jié)的跖屈、背伸動作，康復(fù)訓(xùn)練面較窄[10-12]。膝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置主要有臥式、坐式關(guān)節(jié)屈伸裝置，踏板式步態(tài)行走設(shè)備以及外骨骼式膝關(guān)節(jié)康復(fù)設(shè)備。簡單的膝關(guān)節(jié)屈伸類訓(xùn)練裝置[13-14]往往受限于單一自由度，動作只能刺激固定肌群；步態(tài)行走設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)膝關(guān)節(jié)參與多組動作訓(xùn)練，但其結(jié)構(gòu)難以緊湊[15-16]；而外骨骼式設(shè)備反饋控制復(fù)雜[17]。具有下肢整體康復(fù)功能的外骨骼類設(shè)計(jì)人機(jī)交互程度高，但對踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練通常只有跖屈/背伸一個自由度。踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置和膝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置針對性較強(qiáng)，不具備多關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練功能，下肢康復(fù)訓(xùn)練裝置可同時對膝、踝關(guān)節(jié)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，但大多對踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練自由度單一，因此缺少一種結(jié)構(gòu)簡單，適用于不同康復(fù)階段患者，能同時對膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)多自由度康復(fù)訓(xùn)練的裝置。

基于當(dāng)前研究現(xiàn)狀，本文基于騎行方式，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡單，擁有主動、被動2 種訓(xùn)練模式的膝、踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置，以適用于不同康復(fù)階段的患者。通過設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)，本裝置可同時對踝關(guān)節(jié)跖屈/背伸、內(nèi)翻/外翻以及膝關(guān)節(jié)屈伸動作進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動協(xié)調(diào)性，提高患者的膝、踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性。

1 膝、踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用SolidWorks 軟件進(jìn)行建模，完成建模后的膝、踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。本裝置由雙向踏板結(jié)構(gòu)、軌道凹槽結(jié)構(gòu)、機(jī)架、外殼以及動力輸出結(jié)構(gòu)5 個部分組成，如圖2 所示。裝置踏板可以進(jìn)行前后、左右2 個方向的旋轉(zhuǎn)動作，可實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)內(nèi)、外翻和跖屈、背伸康復(fù)動作訓(xùn)練。

圖1 膝、踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置模型圖

圖2 膝、踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置結(jié)構(gòu)示意圖

（1）雙向踏板結(jié)構(gòu)：雙向踏板結(jié)構(gòu)由踏板、踏板支撐件、踏板軸、可拆卸踏板架、伸縮桿、齒條、齒輪、軸承、開口直線軸承、曲柄以及雙軸傾角傳感器組成。伸縮桿通過開口直線軸承周向固定于可拆卸踏板架上，可相對于踏板架軸向直線運(yùn)動。伸縮桿一端與軌道凹槽結(jié)構(gòu)相連，另一端安裝齒條，與帶齒輪的踏板軸連接。踏板軸與踏板支撐件之間通過花鍵連接，并利用軸承裝配在可拆卸踏板架上?？刹鹦短ぐ寮芘c曲柄連接。伸縮桿、踏板軸、可拆卸踏板架選用304 不銹鋼制作，齒輪制作、齒條選用45#鋼制作，曲柄選用Q235 鋼材制作。

（2）軌道凹槽結(jié)構(gòu)：軌道凹槽結(jié)構(gòu)由圓形軌道、放置軌道的圓板以及固定軌道的圓板擋圈3 個部分組成。圓形軌道帶有軸向延伸的凹槽和齒輪結(jié)構(gòu)，凹槽通過連接伸縮桿的一端，可以引導(dǎo)伸縮桿做軸向直線運(yùn)動。齒輪結(jié)構(gòu)與動力輸出結(jié)構(gòu)連接，驅(qū)動軌道在圓板內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。圓板擋圈用來限制軌道軸向位移，保證軌道在圓板內(nèi)活動。圓板與圓板擋圈選用Q235 鋼材制作，圓形軌道選用鋁合金制作。

（3）機(jī)架：機(jī)架作為裝置的支撐件，由方鋼管以及鋼板焊接而成，用于固定裝置各個結(jié)構(gòu)。

（4）外殼：外殼由殼體與底板組成，材質(zhì)為塑料。

（5）動力輸出結(jié)構(gòu)：動力輸出結(jié)構(gòu)由TUNYO D5-120L-15-12DM 型直流伺服電動機(jī)、TUNYO 5GU-20RT 型直角減速器、齒輪減速機(jī)構(gòu)、中心軸組成。中心軸與曲柄連接，齒輪減速機(jī)構(gòu)輸出軸上的齒輪與圓形軌道的齒輪嚙合。齒輪減速機(jī)構(gòu)使用單向軸承，可實(shí)現(xiàn)由電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)切換中心軸或后輸出軸輸出，實(shí)現(xiàn)不同訓(xùn)練模式的轉(zhuǎn)換。齒輪減速機(jī)構(gòu)的齒輪、齒輪軸以及中心軸材質(zhì)均為45#鋼，減速機(jī)構(gòu)兩側(cè)固定板采用鋁合金制作。

1.2 尺寸計(jì)算

在腳踏式膝、踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置設(shè)計(jì)過程中，由于雙向踏板結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)需要連接配合，因此需要對2 個結(jié)構(gòu)的具體尺寸進(jìn)行計(jì)算。雙向踏板、軌道結(jié)構(gòu)如圖3 所示。雙向踏板結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)動過程中，伸縮桿相對于踏板架做直線運(yùn)動，伸縮桿件頭部與齒條相連，齒條長度為T。伸縮桿尾部為圓片結(jié)構(gòu)，圓片直徑D、厚度L、軌道凹槽寬度X、軌道凹槽偏移角度θ 之間滿足關(guān)系式Dtan θ+L≤Xsec θ。踏板架高度為H，踏板寬度為W，圓形軌道內(nèi)徑為R，踏板軸與伸縮桿的距離為d，為避免齒輪齒條發(fā)生脫齒現(xiàn)象，取T=4Rtan θ。踏板的架高度過低會影響踏板外翻角度φ 的大小，由踏板、軌道結(jié)構(gòu)可知φ=，且φ 取值范圍為0°～30°。踏板架高度過高會增大裝置內(nèi)、外翻驅(qū)動力矩，繼而增大齒輪齒條徑向力。根據(jù)曲柄長度標(biāo)準(zhǔn)，選擇曲柄長度為165 mm，軌道內(nèi)徑R 取344 mm，軌道凹槽偏轉(zhuǎn)角度θ 取1.5°，伸縮桿與踏板軸的距離d為30 mm，為防止踏板底部與伸縮桿發(fā)生干涉，踏板架高度H 應(yīng)≥，綜上H 取35 mm。

圖3 雙向踏板、軌道結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

1.3 功能模式

本裝置設(shè)計(jì)2 種康復(fù)訓(xùn)練模式：人體被動訓(xùn)練模式和人體主動訓(xùn)練模式。

（1）人體被動訓(xùn)練模式。

人體被動訓(xùn)練模式適用于踝關(guān)節(jié)損傷康復(fù)初期的患者，主要分為單一踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練和膝、踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練2 種模式。

①單一踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練模式：單一踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練模式采用兩腳并行訓(xùn)練方式，訓(xùn)練過程中曲柄無轉(zhuǎn)動，踏板與腳的位置保持靜止，電動機(jī)正轉(zhuǎn)帶動軌道轉(zhuǎn)動，從而帶動周向固定于踏板上的伸縮桿進(jìn)行軸向運(yùn)動，帶動踏板與踝關(guān)節(jié)做內(nèi)、外翻動作。單一踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練模式內(nèi)部動力傳輸方式如圖4（a）所示。

圖4 膝、踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置不同模式內(nèi)部動力傳輸方式示意圖

②膝、踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練模式：膝、踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練模式采用人體被動騎行訓(xùn)練方式，既可以雙腿訓(xùn)練也可以單腿訓(xùn)練，單腿、雙腿之間的切換是利用可左右移動的傳動齒輪同連接左右曲柄的左右軸選擇性嚙合來實(shí)現(xiàn)。在此過程中，電動機(jī)反轉(zhuǎn)驅(qū)動曲柄與踏板轉(zhuǎn)動，踝關(guān)節(jié)做內(nèi)、外翻動作訓(xùn)練和跖屈、背伸動作訓(xùn)練，以及膝關(guān)節(jié)屈伸動作訓(xùn)練。其中，踝關(guān)節(jié)內(nèi)、外翻動作作為踏板周轉(zhuǎn)伴隨性動作，具有強(qiáng)制性，踝關(guān)節(jié)跖屈、背伸動作以及膝關(guān)節(jié)屈伸動作在騎行過程中實(shí)現(xiàn)，具有自主性。膝、踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練模式內(nèi)部動力傳輸方式如圖4（b）所示。

以上2 種模式的動力輸出方向的轉(zhuǎn)變由驅(qū)動電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及安裝在齒輪軸上的單向軸承實(shí)現(xiàn)。在被動康復(fù)訓(xùn)練時，為保證人體踝關(guān)節(jié)安全，設(shè)計(jì)踏板底部帶有傾角傳感器，可實(shí)時測量踏板內(nèi)、外翻角度。裝置使用的起始位置處，踏板翻傾角近似為0°，處于水平狀態(tài)。在裝置使用時，踏板做內(nèi)、外翻運(yùn)動，踝關(guān)節(jié)不會長時間處于內(nèi)翻、外翻狀態(tài)。當(dāng)踏板停止位置處于內(nèi)翻或外翻狀態(tài)時，通過傾角傳感器的角度反饋信號驅(qū)動控制電動機(jī)繼續(xù)運(yùn)行至踏板內(nèi)、外翻角度為0°～5°范圍內(nèi)停止，避免人體踝關(guān)節(jié)長時間處于內(nèi)翻或者外翻狀態(tài)。

（2）人體主動訓(xùn)練模式。

人體主動訓(xùn)練模式用于增強(qiáng)踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性，要求患者具備一定的活動能力，適用于踝關(guān)節(jié)損傷患者后期康復(fù)訓(xùn)練，主要包括騎行訓(xùn)練模式和自由踏板訓(xùn)練模式2 種。

①騎行訓(xùn)練模式：裝置無動力，人體主動騎行訓(xùn)練，由電動機(jī)與齒輪減速機(jī)構(gòu)提供固定阻抗，實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)內(nèi)、外翻，跖屈、背伸以及膝關(guān)節(jié)屈伸訓(xùn)練。

②自由踏板訓(xùn)練模式：通過拆卸連接軌道和踏板的伸縮桿，使踏板內(nèi)、外翻動作不受限制，實(shí)現(xiàn)自由踏板結(jié)構(gòu)。此時踏板可以在內(nèi)外、前后兩自由度上實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)動。

2 裝置動力學(xué)仿真

2.1 運(yùn)動學(xué)仿真

利用ADAMS 軟件對膝、踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，分析裝置運(yùn)行的可行性。

在對膝、踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真之前，查閱中國人體尺寸、體質(zhì)量的相關(guān)數(shù)據(jù)，在裝置模型上添加身高為175 cm、體質(zhì)量為65 kg 的人體等比例下肢腿部坐姿模型，座位與機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動中心距離為52 cm。將康復(fù)訓(xùn)練裝置模型導(dǎo)入ADAMS 軟件，設(shè)置約束并添加驅(qū)動，如圖5 所示。

圖5 運(yùn)動學(xué)仿真示意圖

在仿真過程中，為便于約束雙向踏板的活動自由度，對踏板支撐結(jié)構(gòu)添加一個與地面平行的約束，使踏板結(jié)構(gòu)在仿真過程中始終與地面平行。因此仿真時踏板前后俯仰角度為0°，而實(shí)際裝置運(yùn)行過程中，人體腳部與踏板并不一定平行于地面，會有一定的活動角度。

在踝關(guān)節(jié)的相關(guān)研究中[18-19]，通過實(shí)驗(yàn)采集測得的人體日?；顒又絮钻P(guān)節(jié)跖屈、背伸、內(nèi)翻、外翻動作相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻、外翻、跖屈、背伸動作數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

通過運(yùn)動學(xué)仿真可以得到在騎行訓(xùn)練時，膝、踝關(guān)節(jié)訓(xùn)練角度范圍如圖6 所示。從圖中得到的數(shù)據(jù)可以看出，在仿真過程中，踝關(guān)節(jié)內(nèi)、外翻最大角度分別為37°、25°，活動角度范圍為62°，跖屈、背伸動作最大角度分別為15°、16°，活動角度范圍為31°。膝關(guān)節(jié)屈伸動作訓(xùn)練角度范圍為61°～101°。以上兩關(guān)節(jié)的3 組動作角度范圍均在關(guān)節(jié)的正常活動范圍內(nèi)，保證了裝置在對膝、踝關(guān)節(jié)康復(fù)大角度訓(xùn)練過程中的安全性。

圖6 膝、踝關(guān)節(jié)訓(xùn)練角度范圍

除了關(guān)節(jié)角度安全范圍，還需考慮人體關(guān)節(jié)運(yùn)動速度的影響。為了適配踝關(guān)節(jié)在運(yùn)動時的角速度范圍，對裝置在不同運(yùn)行速度下進(jìn)行仿真，分別測試裝置轉(zhuǎn)速為30、25、20、15 r/min 時踝關(guān)節(jié)內(nèi)、外翻角速度，結(jié)果如圖7 所示。從圖中可以得出裝置在轉(zhuǎn)速為25、20、15 r/min 時，踝關(guān)節(jié)內(nèi)、外翻角速度小于70°/s，在踝關(guān)節(jié)正常內(nèi)、外翻運(yùn)動角速度范圍內(nèi)（因本裝置對踝關(guān)節(jié)跖屈、背伸動作的訓(xùn)練幅度較小，故此處不考慮跖屈、背伸角速度的影響）?？紤]人體舒適度以及裝置的康復(fù)訓(xùn)練效率，采用轉(zhuǎn)速n=15 r/min 作為裝置正常訓(xùn)練速度以及零部件選型的額定轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 膝、踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置不同轉(zhuǎn)速下踝關(guān)節(jié)內(nèi)、外翻角速度

2.2 動力學(xué)仿真

采用人體相關(guān)統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)，對人體下肢模型質(zhì)量進(jìn)行賦值，模擬正常人體腿部質(zhì)量。仿真過程中測得的曲柄軸扭矩和踝關(guān)節(jié)內(nèi)、外翻驅(qū)動扭矩情況如圖8 所示。曲柄軸處扭矩即裝置帶動人體康復(fù)訓(xùn)練過程所需的扭矩，啟動扭矩大小為13 N·m，循環(huán)扭矩T 最大為27 N·m。從圖中可以看出，裝置踝關(guān)節(jié)內(nèi)、外翻訓(xùn)練動作最大驅(qū)動扭矩為4.3 N·m。根據(jù)踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動參數(shù)指標(biāo)，內(nèi)、外翻扭矩大小在6 N·m左右，仿真結(jié)果偏小?？赡苁怯甚钻P(guān)節(jié)距骨關(guān)節(jié)窩處摩擦系數(shù)設(shè)置與真實(shí)人體踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動阻抗之間的差距造成的。

圖8 膝、踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置驅(qū)動扭矩及踝關(guān)節(jié)內(nèi)、外翻扭矩

裝置運(yùn)行過程中，伸縮桿起到了拉伸踏板做內(nèi)、外翻動作的作用，伸縮桿同時受到軸向力與徑向力的作用，又因?yàn)槠錇殚L軸狀結(jié)構(gòu)，容易發(fā)生彈性變形。通過測量伸縮桿頭部Maker 點(diǎn)受力情況，得到其所受徑向力隨踏板內(nèi)、外翻角度的變化情況如圖9（a）所示，其中徑向力最大為213.8 N。伸縮桿所受軸向力大小情況如圖9（b）所示，其中內(nèi)翻軸向力最大為416 N，外翻軸向力最大為297 N。

圖9 伸縮桿所受力變化

在仿真過程中，將得到的裝置額定轉(zhuǎn)速下的循環(huán)扭矩最大值T=27 N·m 作為裝置運(yùn)行所需的額定扭矩，利用公式，則可以得到裝置運(yùn)行功率為42.4 W。裝置減速機(jī)構(gòu)的齒輪傳動效率η=0.69，考慮到裝置多處連接存在摩擦，為裝置驅(qū)動功率留有3 倍安全裕度，故安全裕度S=3，則裝置所需功率為P=·S=184.3 W。因此選用200 W 的TUNYO D5-120L-15-12DM 型直流伺服電動機(jī)，其額定扭矩為0.637 N·m，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。減速器選用TUNYO 5GU-20RT 型直角減速器，減速比為20∶1，裝置驅(qū)動中心軸的減速機(jī)構(gòu)的減速比為5∶1，驅(qū)動圓形軌道的減速比為25∶1，滿足裝置驅(qū)動需求。

3 有限元仿真分析

在設(shè)計(jì)伸縮桿與踏板軸之間的齒輪齒條傳動配合時，要考慮伸縮桿受徑向力發(fā)生形變對齒輪齒條配合的影響，防止發(fā)生脫齒現(xiàn)象對訓(xùn)練中的踝關(guān)節(jié)造成二次損傷。同時，裝置用于固定軌道的圓板受到伸縮桿軸向力的作用發(fā)生形變，繼而會影響伸縮桿伸縮長度，最終會造成訓(xùn)練過程中踏板結(jié)構(gòu)內(nèi)翻、外翻角度的變化。為研究其形變對裝置使用以及效果的影響，對伸縮桿和圓板2 個零件進(jìn)行有限元分析。

基于以上測得的力學(xué)數(shù)據(jù)，利用ANSYS 有限元分析軟件對伸縮桿零件進(jìn)行分析，可以得到其受力形變情況如圖10（a）所示。在安裝齒條的桿件頭部一端，由于齒輪齒條連接產(chǎn)生的徑向力作用，形變量較大，最大形變量Δ1=2.7 mm，齒輪齒條嚙合處形變量在0.8～2.07 mm 之間。為保證齒輪齒條嚙合的準(zhǔn)確性，防止齒輪齒條脫齒現(xiàn)象的發(fā)生，在齒輪配合中齒輪分度圓半徑與齒頂圓半徑之差大于伸縮桿形變量：Δ≤（m 為齒輪模數(shù)，z 為齒輪齒數(shù)），即Δ1≤m，在康復(fù)訓(xùn)練裝置設(shè)計(jì)中，齒輪模數(shù)m=3 滿足要求。對連接軌道的圓板進(jìn)行分析，動力學(xué)仿真所得到的內(nèi)翻軸向力最大為416 N，外翻軸向力最大為297 N，但由于圓板形變導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)角度變化，繼而造成內(nèi)、外翻軸向力一定程度增大。故在有限元分析時，將內(nèi)、外翻最大軸向力適度增大，內(nèi)翻軸向力增大為450 N，外翻軸向力增大為330 N，得到圓板形變情況如圖10（b）、（c）所示。內(nèi)翻時最大形變量Δ2=1.589 mm，外翻時最大形變量Δ3=1.258 mm。圓板在踏板內(nèi)、外翻時的形變會使伸縮桿運(yùn)動行程變大，進(jìn)而導(dǎo)致踏板在內(nèi)、外翻時角度變大，踏板內(nèi)、外翻角度增量θ1、θ2可利用公式θ=（i=2，3）計(jì)算。通過計(jì)算得到內(nèi)翻角度增大6°，外翻角度增大5°。因此，裝置在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于部分位置受到力的作用而發(fā)生形變，最終會對踝關(guān)節(jié)內(nèi)、外翻這一動作的訓(xùn)練角度產(chǎn)生影響，內(nèi)翻最大角度增大為43°，外翻最大角度增大為30°，增大后的踝關(guān)節(jié)內(nèi)、外翻角度范圍增大到73°，在人體踝關(guān)節(jié)正?；顒幼畲蠼嵌确秶鷥?nèi)。由此，可以得出在裝置實(shí)際運(yùn)行過程中產(chǎn)生的微小形變會對裝置的動作訓(xùn)練角度產(chǎn)生一定影響，但并不影響裝置的實(shí)際使用效果。

圖10 伸縮桿、圓板有限元仿真形變情況

4 結(jié)語

隨著康復(fù)領(lǐng)域研究的不斷發(fā)展，康復(fù)理念得到進(jìn)一步推廣，患者的功能訓(xùn)練越來越得到重視，有關(guān)膝、踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置的使用也越來越廣泛。本文研制的膝、踝關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練裝置能夠同時對下肢踝關(guān)節(jié)兩自由度、膝關(guān)節(jié)一自由度進(jìn)行訓(xùn)練，或踝關(guān)節(jié)內(nèi)、外翻針對性訓(xùn)練，踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻/外翻、跖屈/背伸訓(xùn)練角度分別為43°/30°、15°/16°，膝關(guān)節(jié)屈伸訓(xùn)練角度范圍為61°～101°，符合人體膝、踝關(guān)節(jié)正?；顒咏嵌纫?guī)律。本裝置訓(xùn)練動作相關(guān)數(shù)據(jù)符合人體運(yùn)動學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，且使用安全、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、功能較為全面，應(yīng)用場景比較廣泛。但本裝置仍存在不足之處：裝置軌道凹槽與伸縮桿接觸位置易產(chǎn)生較大摩擦，需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)與選材改進(jìn)，以提高裝置康復(fù)效率。