当机器人读懂踝关节的运动密码，康复训练不再是一场生硬的拉扯。
踝关节受伤有多麻烦，运动爱好者最有发言权。
一次崴脚后，漫长的恢复期、疼痛的拉伸训练、理疗师短缺且成本高昂……即便投入大量时间金钱，康复后依然容易再受伤。据统计，约40%的踝关节损伤患者会遗留功能障碍。
近年来，踝关节康复机器人被寄予厚望。可市面上的大多数机器人像个刚硬的铁架子，用电机硬推脚踝做固定轨迹运动，常带来不适甚至二次伤害。
这背后的根本矛盾在于：大多数机器人将踝关节简化为一个“球铰”或“万向节”，而真实的人体踝关节运动远比这复杂。
近日，河北工业大学团队在权威期刊《IEEE TBME》上发表了一项突破性研究，他们开发了一款像肌肉一样灵活、能学习踝关节真实运动方式的绳索驱动机器人。
展开剩余86%研究团队融合了螺旋理论、运动捕捉与并联机构设计，首次系统揭示并模拟了踝关节的瞬时有限螺旋运动，让机器人不再是强行掰脚，而是引导运动。
▍破解密码：踝关节的运动，不是“转”而是“旋”
要设计出真正贴合人体的康复机器人，首先必须精确理解踝关节究竟如何运动。你或许以为踝关节就像门轴一样转动，实则不然。
研究团队使用了一套高精度运动捕捉系统，6台VICON红外相机与惯性测量单元（IMU）协同工作，以每秒100帧的速度记录受试者踝关节在三种基本动作（背屈/跖屈、内翻/外翻、内收/外展）中的轨迹。
踝关节运动识别。(a) VICON MX相机布置。(b)标记点和IMU的位置布局。
分析发现，踝关节运动并非围绕固定轴的简单旋转，而是一种螺旋运动，伴随着微小的平移，且旋转轴时刻变化。
数据表明，其运动瞬时轴在空间中连续变化，轨迹形成一个动态的单叶双曲面，同时伴随微量的平移（扭转螺距在-0.02米至0.02米之间变化）。
这一复杂运动形态被称为“瞬时有限螺旋轴（IFHA）”，团队基于螺旋理论建立数学模型，首次揭示了踝关节螺旋轴的分布规律与螺距变化区间，为机器人设计提供了真实的人体运动密码。此前许多机器人设计正是基于过于简化的关节模型，导致了人机不匹配。
踝关节在各种运动模式下的IFHA 分布
▍仿生设计：用“绳索与滑轮”模拟“肌肉与肌腱”
有了运动密码，如何用机械系统来复现？
传统的康复机器人多采用刚性连杆与电机直驱，体积笨重、惯性大，容易与患者肢体硬碰硬。
研究团队则另辟蹊径，提出了一种刚柔耦合的绳索驱动方案，即用四根绳索替代电机直接驱动，通过滑轮与绞盘系统实现高精度牵引。
这种机器人的核心构造主要由主体和驱动系统构成，此外，其中的设计巧思也不可或缺。
其主体框架采用3-US型并联机构。三个相同的分支各含一个万向节-U和一个球铰-S，连接固定平台与运动平台，提供稳定的三维旋转自由度。
驱动系统则由四根高强度绳索替代了传统的电动推杆。绳索一端固定在运动平台，另一端经由导向滑轮连接至受控的绞盘电机。
其中的核心巧思就在于绳索只能拉，不能推，模仿了人体肌肉的单向发力特性。通过四根绳索的精密协同收放，即可牵引踝关节完成复杂的多维度螺旋运动。
新型三自由度绳索驱动并联踝关节康复机器人。(a)踝关节康复机器人的CAD图。(b)第一代物理样机。(c)第二代踝关节康复机器人物理样机。
这种设计的优势显而易见！系统轻盈、惯性极小、运动柔顺，并且避免了刚性冲击带来的不适或风险。
▍运动学优化：让机器人既灵活又稳定
如何确保这个绳索机器人不仅在结构上仿生，在性能上也足够优越？
研究团队建立了完整的运动学模型，并引入运动/力传递性能指标来评估机器人在不同位姿下的效率。他们特别关注了奇异构型，即机器人失去可控性或承载力的特殊位置，并在设计中予以规避，确保在康复过程中不会卡顿或失控。
更巧妙的是，为实现运动效率与人体拟合度的双重优化，团队创新地将问题转化为在二维参数设计空间中搜寻最佳解。他们设计了全局设计指标，用以综合量化评价机器人在广阔工作空间内的运动精度与性能。
优化后，机器人的内收/外展活动范围从±15°大幅提升至±36°，从而能完美匹配踝关节在行走、转向时的复合运动需求。与此同时，其整体传动性能变得更为平顺高效，所有潜在的运动死点被彻底排除在工作区域之外，保障了康复训练全程流畅、安全。
康复机器人优化后的性能和工作空间(a)优化后的三维平面切片视图。(b) RLTI的优化轮廓（γ= 15°）。(c)优化后的机构工作空间。
▍人机协同实验：误差仅±2°，交互力平滑无冲击
理论设计和优化是否经得起实践检验？
研究团队搭建了两代物理样机，并招募了12名健康志愿者进行被动康复实验。受试者将脚部固定于机器人的运动平台，由设备引导完成一系列标准康复动作。
这个过程被传感器网络全程监测，分别由IMU测量人机相对姿态，薄膜传感器监测接触压力，张力传感器实时反馈绳索拉力。
典型的踝关节康复训练。(a)第一代物理原型。(b)第二代踝关节康复机器人物理原型。
结果显示，机器人能较好地跟随踝关节自然运动。具体来说，人机相对旋转误差不超过2°、位移误差不超过3mm，四根绳索始终保持适度张力，未出现松弛或过度紧绷。。
机器人流畅地完成了背屈/跖屈、内翻/外翻、内收/外展及其复合运动，验证了其三自由度康复训练能力，且未进入奇异状态，保证了训练的安全与流畅。
这意味着该设备不仅能用于标准动作训练，还能适应不同患者的个体化康复路径，为未来的个性化康复方案打下基础。
▍未来之路：走向临床与普及
尽管成果显著，但团队也指出当前研究仍在早期验证阶段。实验对象主要是健康成年人，未来需在真实患者群体中进行临床验证，尤其要覆盖不同年龄、损伤类型与康复阶段人群。
此外，绳索的长期耐用性、系统刚度建模、智能控制算法集成等也是下一步的研究重点。
如果这些挑战得以突破，这种轻量化、低成本、高适配度的踝关节康复机器人，将有望走入社区、家庭，甚至应用于运动员的日常康复训练中。
从硬邦邦的机械推杆，到柔韧贴合的绳索引导，这项研究不仅提供了一种新的机器人构型，更重要的是展示了一种从人体出发的设计哲学：先理解运动，再模拟运动；先尊重生理，再设计机器。
随着机器人技术的不断进化，未来，康复训练或许不再是冰冷痛苦的机械重复，而能成为一场由智能设备精准引导、高度适配个体生理特征的“对话”。
论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11318113
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