综述：踝关节康复机器人构型设计系统综述与未来展望

《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》：Configuration design of ankle rehabilitation robots: a systematic review and future prospects

本综述系统梳理了踝关节康复机器人（ARR）构型设计研究进展。文章首先总结了人体踝关节等效模型研究现状，进而基于构型设计视角将现有ARR分为基于经典并联机构、含球铰或虎克铰分支、基于远心机构、人机兼容型及其他类型五类，并分析了各类别在自由度（DOF）匹配度与人机运动兼容性方面的特点。文章指出，当前ARR在实时对齐人机旋转中心（H-CoR与R-CoR）方面仍存在挑战，未来需进一步融合踝关节生物力学特性，深化人机兼容构型创新设计，并展望了刚性-柔性耦合机构、基于张拉整体结构等新型ARR的发展方向。

　　

踝关节康复机器人构型设计：从等效模型到人机兼容创新

引言

全球卒中与踝关节骨折患者数量持续攀升，传统人工康复手段面临训练强度不一致、医疗资源紧张等局限。踝关节康复机器人（ARR）凭借其精准的运动控制、可量化的训练结果与高重复性优势，为卒中及骨折患者提供了全新的康复解决方案。本文系统回顾ARR构型设计研究进展，重点分析其与人踝关节生物力学特性的匹配程度。

人体踝关节等效模型

踝关节作为下肢关键承重关节，主要运动包括背屈/跖屈（DF/PF）、内翻/外翻（IN/EV）以及内收/外展（AD/AB）。为在ARR开发中准确复现踝关节运动功能，研究者提出了多种等效模型。其中，球铰等效模型与空间RR串联等效模型应用最为广泛：前者能较好模拟踝关节复合运动，后者更贴合距距关节与距下关节的解剖结构。为进一步提升模拟精度，学者陆续提出UR、UU、US、RCR等串联等效模型，以及考虑旋转中心漂移特性的带间隙球铰模型。等效模型的演进虽提升了运动模拟真实性，但模型复杂性也同步增加，如何在仿真效果与工程可实现性间取得平衡成为关键问题。

系统综述方法

本研究遵循PRISMA指南，系统检索Web of Science、Engineering Village及IEEE Xplore数据库中2025年4月前相关文献。通过关键词组合检索及逐层筛选，最终纳入144篇文献进行深入分析。筛选标准聚焦多自由度ARR构型设计研究，排除单自由度ARR及包含髋膝关节的下肢康复机器人文献。

ARR构型设计系统回顾

基于经典并联机构的ARR

早期ARR多采用Stewart平台、3-RPS等经典并联机构作为主体结构。例如Girone等设计的Rutgers Ankle采用液压驱动六自由度Stewart平台，而Nurahmi等则基于可重构3-RPS机构开发了可适应不同训练模式的ARR。这类机构虽结构稳定，但因其运动平台旋转中心（R-CoR）固定，难以与漂移的踝关节瞬时旋转中心（H-CoR）实时重合，易产生与康复任务无关的额外约束力，影响训练安全性与舒适度。

含球铰或虎克铰分支的ARR

为更好匹配踝关节球铰等效模型的三维旋转特性，研究者提出以球铰或虎克铰作为约束分支的构型。如Dai等设计的3-SPS/S并联机构通过中心球铰限制三维平动，实现纯旋转运动；Saglia等开发的3-UPS/U冗余驱动机构则通过虎克铰约束实现背屈/跖屈与内翻/外翻训练。此类机构虽提升了运动适配性，但其R-CoR位于机构内部球铰或虎克铰处，仍无法与H-CoR自然重合。

基于远心运动（RCM）机构的ARR

为解决人机旋转中心对齐问题，远心机构被引入ARR设计。其一类采用含正交回转副的约束分支（如2-UPS/RRR、3-RRS），其轴系交点构成固定R-CoR；另一类则直接采用球面并联机构（如3-RRR），以其球心作为R-CoR。理论上前者可通过人工调整实现H-CoR与R-CoR重合，但实际操作依赖治疗师经验，且无法适应H-CoR在运动中的动态漂移。实验数据显示，此类机构轨迹跟踪误差可控制在3.35°以内，但实时重合可靠性仍存挑战。

人机兼容型ARR

此类机构将人体作为系统必要组成部分，通过构型创新实现人机运动耦合。例如Xie等设计的4-UPS机构将人踝等效为球铰并作为约束分支，Dai等提出的UPS/UPU构型则通过人踝球铰模型实现R-CoR实时自适应。更前沿的探索包括Zhang等基于UR、UU等串联等效模型开发的广义球面并联机构，以及Zeng等基于带间隙球铰模型合成的3-RRRRRR并联人机兼容机构，其主动康复自由度与被动适应自由度解耦，避免了训练中对患者下肢控制的额外要求。临床初步验证显示，此类机构在被动训练中轨迹误差可低于1.5°，但主动/被动自由度耦合可能引发新的安全问题。

其他类型ARR

包括基于Delta机构组合的混合构型、柔性球铰并联机构、可重构多模式机构等。如Rakhodaei等开发的6-UPS-3SPR九自由度混合机器人可实现多平面复合训练；Meng等设计的可调工作空间可重构ARR能适应不同康复阶段需求；Zeng等提出的2-UPU/RPU机构具备四自由度（2R2T）与三自由度（2R1T）双模式切换能力。这些创新构型拓展了ARR的功能边界，但结构复杂性与控制难度也相应增加。

讨论与展望

现有研究虽通过健康受试者实验验证了ARR的运动精度（角度偏差≤2.31°，位移误差<3mm）与安全性，但样本量小、患者数据有限仍是突出短板。未来发展需聚焦以下方向：开发融合人机运动兼容性与主动支撑功能的刚性-柔性耦合机构；构建平衡仿真效果与复杂度的踝关节等效模型；探索基于张拉整体结构的自适应ARR；创新气动人工肌肉、缆驱动等柔性驱动技术；强化机构被动顺应性与系统级安全性设计；扩大临床实验规模并开展长期疗效评估。通过多学科交叉创新，推动ARR技术向高效化、智能化、普适化方向发展。

结论

踝关节康复机器人构型设计历经三十余年发展，已形成多技术路线并行的研究格局。从基于经典并联机构到人机兼容型创新，ARR在自由度匹配与人机运动兼容性方面取得显著进展。然而，实时人机旋转中心重合、机构轻量化与智能化控制等挑战依然存在。未来需深度融合踝关节生物力学特性，着力突破刚性-柔性耦合设计、智能驱动等关键技术，推动踝关节康复机器人真正成为临床康复的有效工具。