踝關節康復革命！仿生繩索機器人如何精準復刻人體螺旋密碼？

當機器人讀懂踝關節的運動密碼，康復訓練不再是一場生硬的拉扯。

踝關節受傷有多麻煩，運動愛好者最有發言權。

一次崴腳后，漫長的恢復期、疼痛的拉伸訓練、理療師短缺且成本高昂……即便投入大量時間金錢，康復后依然容易再受傷。據統計，約40%的踝關節損傷患者會遺留功能障礙。

近年來，踝關節康復機器人被寄予厚望。可市面上的大多數機器人像個剛硬的鐵架子，用電機硬推腳踝做固定軌跡運動，常帶來不適甚至二次傷害。

這背后的根本矛盾在于：大多數機器人將踝關節簡化為一個“球鉸”或“萬向節”，而真實的人體踝關節運動遠比這復雜。

近日，河北工業大學團隊在權威期刊《IEEE TBME》上發表了一項突破性研究，他們開發了一款像肌肉一樣靈活、能學習踝關節真實運動方式的繩索驅動機器人。

研究團隊融合了螺旋理論、運動捕捉與并聯機構設計，首次系統揭示并模擬了踝關節的瞬時有限螺旋運動，讓機器人不再是強行掰腳，而是引導運動。

▍破解密碼：踝關節的運動，不是“轉”而是“旋”

要設計出真正貼合人體的康復機器人，首先必須精確理解踝關節究竟如何運動。你或許以為踝關節就像門軸一樣轉動，實則不然。

研究團隊使用了一套高精度運動捕捉系統，6臺VICON紅外相機與慣性測量單元（IMU）協同工作，以每秒100幀的速度記錄受試者踝關節在三種基本動作（背屈/跖屈、內翻/外翻、內收/外展）中的軌跡。

踝關節運動識別。(a) VICON MX相機布置。(b)標記點和IMU的位置布局。

分析發現，踝關節運動并非圍繞固定軸的簡單旋轉，而是一種螺旋運動，伴隨著微小的平移，且旋轉軸時刻變化。

數據表明，其運動瞬時軸在空間中連續變化，軌跡形成一個動態的單葉雙曲面，同時伴隨微量的平移（扭轉螺距在-0.02米至0.02米之間變化）。

這一復雜運動形態被稱為“瞬時有限螺旋軸（IFHA）”，團隊基于螺旋理論建立數學模型，首次揭示了踝關節螺旋軸的分布規律與螺距變化區間，為機器人設計提供了真實的人體運動密碼。此前許多機器人設計正是基于過于簡化的關節模型，導致了人機不匹配。

踝關節在各種運動模式下的IFHA 分布

▍仿生設計：用“繩索與滑輪”模擬“肌肉與肌腱”

有了運動密碼，如何用機械系統來復現？

傳統的康復機器人多采用剛性連桿與電機直驅，體積笨重、慣性大，容易與患者肢體硬碰硬。

研究團隊則另辟蹊徑，提出了一種剛柔耦合的繩索驅動方案，即用四根繩索替代電機直接驅動，通過滑輪與絞盤系統實現高精度牽引。

這種機器人的核心構造主要由主體和驅動系統構成，此外，其中的設計巧思也不可或缺。

其主體框架采用3-US型并聯機構。三個相同的分支各含一個萬向節-U和一個球鉸-S，連接固定平臺與運動平臺，提供穩定的三維旋轉自由度。

驅動系統則由四根高強度繩索替代了傳統的電動推桿。繩索一端固定在運動平臺，另一端經由導向滑輪連接至受控的絞盤電機。

其中的核心巧思就在于繩索只能拉，不能推，模仿了人體肌肉的單向發力特性。通過四根繩索的精密協同收放，即可牽引踝關節完成復雜的多維度螺旋運動。

新型三自由度繩索驅動并聯踝關節康復機器人。(a)踝關節康復機器人的CAD圖。(b)第一代物理樣機。(c)第二代踝關節康復機器人物理樣機。

這種設計的優勢顯而易見！系統輕盈、慣性極小、運動柔順，并且避免了剛性沖擊帶來的不適或風險。

▍運動學優化：讓機器人既靈活又穩定

如何確保這個繩索機器人不僅在結構上仿生，在性能上也足夠優越？

研究團隊建立了完整的運動學模型，并引入運動/力傳遞性能指標來評估機器人在不同位姿下的效率。他們特別關注了奇異構型，即機器人失去可控性或承載力的特殊位置，并在設計中予以規避，確保在康復過程中不會卡頓或失控。

更巧妙的是，為實現運動效率與人體擬合度的雙重優化，團隊創新地將問題轉化為在二維參數設計空間中搜尋最佳解。他們設計了全局設計指標，用以綜合量化評價機器人在廣闊工作空間內的運動精度與性能。

優化后，機器人的內收/外展活動范圍從±15°大幅提升至±36°，從而能完美匹配踝關節在行走、轉向時的復合運動需求。與此同時，其整體傳動性能變得更為平順高效，所有潛在的運動死點被徹底排除在工作區域之外，保障了康復訓練全程流暢、安全。

康復機器人優化后的性能和工作空間(a)優化后的三維平面切片視圖。(b) RLTI的優化輪廓（γ= 15°）。(c)優化后的機構工作空間。

▍人機協同實驗：誤差僅±2°，交互力平滑無沖擊

理論設計和優化是否經得起實踐檢驗？

研究團隊搭建了兩代物理樣機，并招募了12名健康志愿者進行被動康復實驗。受試者將腳部固定于機器人的運動平臺，由設備引導完成一系列標準康復動作。

這個過程被傳感器網絡全程監測，分別由IMU測量人機相對姿態，薄膜傳感器監測接觸壓力，張力傳感器實時反饋繩索拉力。

典型的踝關節康復訓練。(a)第一代物理原型。(b)第二代踝關節康復機器人物理原型。

結果顯示，機器人能較好地跟隨踝關節自然運動。具體來說，人機相對旋轉誤差不超過2°、位移誤差不超過3mm，四根繩索始終保持適度張力，未出現松弛或過度緊繃。。

機器人流暢地完成了背屈/跖屈、內翻/外翻、內收/外展及其復合運動，驗證了其三自由度康復訓練能力，且未進入奇異狀態，保證了訓練的安全與流暢。

這意味著該設備不僅能用于標準動作訓練，還能適應不同患者的個體化康復路徑，為未來的個性化康復方案打下基礎。

▍未來之路：走向臨床與普及

盡管成果顯著，但團隊也指出當前研究仍在早期驗證階段。實驗對象主要是健康成年人，未來需在真實患者群體中進行臨床驗證，尤其要覆蓋不同年齡、損傷類型與康復階段人群。

此外，繩索的長期耐用性、系統剛度建模、智能控制算法集成等也是下一步的研究重點。

如果這些挑戰得以突破，這種輕量化、低成本、高適配度的踝關節康復機器人，將有望走入社區、家庭，甚至應用于運動員的日常康復訓練中。

從硬邦邦的機械推桿，到柔韌貼合的繩索引導，這項研究不僅提供了一種新的機器人構型，更重要的是展示了一種從人體出發的設計哲學：先理解運動，再模擬運動；先尊重生理，再設計機器。

隨著機器人技術的不斷進化，未來，康復訓練或許不再是冰冷痛苦的機械重復，而能成為一場由智能設備精準引導、高度適配個體生理特征的“對話”。

論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11318113