《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Design and experimental study of a rigid-flexible coupled back rehabilitation robot
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为解决传统脊柱康复机器人运动范围受限、灵活性不足和舒适性差的问题，研究团队设计了一种新型刚性-柔性耦合脊柱并行康复机制。该机制采用压缩弹簧增强适应性，结合人体脊柱骨骼肌肉模型建立运动学数学模型。结果显示，在120 N力作用下最大变形为6.40 mm，模拟和实验中前屈、侧屈、旋转角度分别达68.6°、60.4°、58.5°，平均最大运动速度接近设计目标14.90°/s，有效工作空间与人体脊柱生理运动范围一致，验证了该设计的合理性与有效性，为康复机器人设计提供了理论基础。
随着中国人口老龄化加剧及工作与生活方式的改变，腰椎疾病的发病率快速上升，且日益年轻化。长时间不正确的坐姿、弯腰和屈伸可导致腰椎肌肉持续收缩，引发肌肉疲劳和僵硬，增加腰椎机械负荷，抬高腰椎疾患风险。有效的腰椎康复训练可缓解神经功能缺损、防止背部肌肉过度收缩，并改善患者运动功能。脊柱作为由颈椎、胸椎、腰椎、骶椎及相关肌肉和肌腱构成的复杂结构，在日常生活中表现出极大的灵活性，可进行屈伸、侧弯、旋转等运动。腰椎的稳定性是脊柱健康的关键决定因素，也是腰椎疾病治疗的主要目标。然而，现有脊柱康复机制存在运动范围受限、灵活性低、舒适性欠佳等问题。传统刚性外骨骼康复机器人的运动轴通常固定，可能导致设备与人体关节错位，在突然运动时产生较大冲击力，不利于患者康复。虽然全球研究人员已探索了多种腰椎康复机器人，如可穿戴3-RPR并行腰椎康复机器人、主动胸腰骶矫形器等，但这些机制在控制精度、穿戴便利性、身体负重和背部肌肉激活方面仍有局限。刚性-柔性耦合机构具有运动惯性低、适应性好、柔软性强、运动范围大等优势，将其应用于腰椎康复可有效消除康复设备与人体腰椎关节间的错位。近年来，刚性-柔性耦合康复机构在机器人领域已广泛应用，例如结合刚性杆和绳索的五自由度混合机器人、采用波纹管式柔性执行器的家用腰椎康复机器人等。但现有设备往往侧重于驱动与控制，未能充分整合仿生、被动的柔性元件以精确模拟椎间盘-韧带复合体的粘弹性支撑；且如何在并行结构中设计简单而有效的柔性脊柱模拟件，特别是针对背部康复，仍缺乏深入探索。此外，需要一种不仅确保运动学兼容性，还能提供固有安全、弹簧式支撑和运动阻尼的紧凑型机构，以适应康复训练需求。
本研究发表于《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》，旨在应对上述挑战，提出一种新型柔性并行腰椎康复机制。该机制由移动杆驱动并由压缩弹簧支撑，灵感来源于脊柱关节的骨骼肌肉解剖结构。压缩弹簧模拟腰椎复合体的支撑功能，移动杆则模仿背部肌肉的作用。通过人体脊柱解剖分析建立简化的脊柱骨骼-肌肉结构模型，并据此构建系统运动学数学模型。利用该模型对不同载荷下的背部运动和姿态进行数值模拟，结合仿真和实验测试获得人体背部的生理运动范围及机制的有效工作空间，验证了设计合理性与分析方法准确性。最后，通过健康志愿者对系统进行了验证。
研究采用的关键技术方法包括：1. 基于人体脊柱解剖的简化骨骼-肌肉模型建立；2. 刚性-柔性并行机构设计，包含固定平台、移动平台、活动调节杆和刚性体-弹簧单元；3. 运动学建模，使用全局与局部坐标系，并推导移动杆长度与移动平台运动参数（侧屈角α、前后屈角β、轴向旋转角γ、垂直距离L）之间的关系；4. 通过Z-Y-X欧拉角建立姿态变换矩阵，描述移动平台的空间位置与运动姿态；5. 实验测试，测量装置的活动角度（前屈、后屈、侧屈、旋转）并与设计目标对比，以验证机制的性能。
研究结果
2.1 刚性-柔性并行康复机制的设计
通过分析人体脊柱生理结构（图1），腰椎区域允许绕冠状轴、矢状轴和横轴的三轴旋转，实现屈伸、前后屈及左右侧旋转。研究提出了一种由肩部固定装置、刚性-柔性并行机构和腰部固定装置组成的新型柔性并行背部康复机制（图2）。该机制中，移动平台模拟肩胛端，固定平台模拟骶骨和髋骨，刚性-弹簧连接模拟腰椎椎间盘-韧带复合体，提供支撑并减速。两个移动杆和末端电机模拟肌肉动作，驱动柔性并行康复机制。
2.2 运动学建模
基于人体腰部和弯曲承载生物力学特性，建立了刚性-柔性并行机构的运动学模型（图3）。定义了全局坐标系O-XYZ和局部坐标系o-xyz，通过球铰连接点（A1-A3、B1-B3）实现各组件间的灵活铰接。移动平台的运动由四个参数描述：α（左右侧屈）、β（前后屈）、L（移动平台原点至固定平台平面的垂直距离）、γ（脊柱旋转）。通过坐标变换矩阵和欧拉角旋转矩阵，推导出移动杆长度L1、L2、L3与运动参数α、β、γ、L之间的数学关系（公式3-5）。此外，将外骨骼的实体组件等效为弹簧单元，模拟人体椎间盘（图4），并建立了位置矢量、速度矢量和加速度矢量的表达式（公式6-13），为动力学分析奠定基础。
模型分析与实验验证
模型分析表明，在前三角肌束施加120 N力作用下，机构最大变形为6.40 mm，满足设计预期。在模拟和实验测试中，前屈时最大腰背前屈角达68.6°，最大侧屈角为60.4°，最大旋转角为58.5°。不同志愿者的平均最大运动速度为14.94°/s，与设计目标14.90°/s紧密吻合。装置活动角度的实验测量平均值分别为：前屈37.6°、后屈13.56°、侧屈（左/右）13.62°、旋转（左/右）17.5°，所有测量值均处于或接近设计范围目标。
结论与讨论
本研究确定了人体脊柱的生理运动范围及所提机制的有效工作空间，结果证实了该机构设计的合理性和有效性。提出的刚性-柔性耦合脊柱并行康复机制通过压缩弹簧的仿生支撑和移动杆的并行驱动，实现了三自由度腰椎康复运动，有效解决了传统康复设备运动范围受限、灵活性低、舒适性差以及与人体关节错位的问题。该机制不仅具有低运动惯性、高适应性和大运动范围的优点，还能确保运动学兼容性和安全性，为患者提供了更自然、舒适的康复训练体验。该方法可推广至其他由柔性组件支撑的并行机构，为康复机器人设计提供了理论依据，尤其适用于腰椎疾病康复治疗，有望推动个性化、高效能康复设备的发展。未来工作可进一步优化弹簧参数、控制策略，并在更广泛的患者群体中进行临床验证，以提升其实际应用价值。
