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1. 研究目的与意义（文献综述）
据统计，我国残疾人人数超过8300万人，其中，每年因下肢运动障碍而丧失劳动力的约占30％。踝关节生理结构相对较为灵活，但踝关节在运动中承受了较大的载荷和冲击，使得踝关节扭伤在运动甚至日常生活中最为常见，占肌肉骨骼损伤的25%。另外，由于脑血栓或脊髓疾病引起的四肢 (包括踝关节)活动困难的患者也需要进行对应的长期康复治疗。因此在世界上，对于踝关节康复的治疗仪器需求是非常大的。
为了更快更好更安全地治疗踝关节损伤，一系列的脚踝康复机器人应运而生。目前，世界上的脚踝康复机器人多以气压传动控制为主导，如美国rutgers大学研制的六自由度脚踝康复系统采用气泵输出高压气体为系统动力来源，以电子阀控制实现模拟人体踝关节拓屈、背屈、内翻、外翻、内收和外展的动作。韩国庆尚大学研制出了可重构的气动双运动平面四自由度踝关节康复机器人。在国内，浙江大学研制了三自由度踝关节外骨骼，河北工业大学研究了3-rss/s 踝关节康复并联机器人，山东省青岛市第四人民医院研制了踝关节cpm康复仪。
这些脚踝康复机器人一般采用患肢与机器人直接接触的训练方式，因此机器人的安全性、运动平稳性、可靠性对于特殊使用对象尤为重要。但无论是何种外骨骼机器人，都需要有非常好的步态对称性、协调性、自适应性。现有的外骨骼控制方法主要有肌电信号(emg) 控制、自适应控制和映射控制等方法; 无论那种控制方法，都需要有踝关节运动模型。
2. 研究的基本内容与方案
| 2、研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施 2.1研究的基本内容 本课题主要完成的研究内容有： (1)研究运动过程中脚踝建模的相关理论并确定建模方案； (2)利用运动捕捉系统和Matlab实验工具在实际场景中对相关运动进行模型参数确定和实验验证； (3)将模型应用在脚踝康复机器人的任务空间下，实现高效准确的脚踝康复。 2.2 研究目标 此次设计主要完成的行走过程中的脚踝运动建模和康复方法。具体目标为： (1)深入研究行走过程中脚踝关节的运动特性，建立起脚踝运动的空间与时间模型，该模型需体现脚踝在实际行走过程中的运动范围和施力等特性； (2)使得建立的模型在Matlab和LabVIEW平台下能够准确进行仿真； (3)再通过轨迹拟合与再生使其适用于脚踝康复机器人，然后由机器人的轨迹跟踪控制复现行走过程中的脚踝运动以实现康复训练； (4)对建立的模型进行深度优化并验证康复过程的可行性。 2.3 拟采用的技术方案及措施 脚踝是人体最复杂的骨骼结构之一，尤其在人的行走过程中，脚踝的运动过程是一个极为复杂的过程，因此，对步态运动过程进行有效的分段就显的极为重要。 美国加州Rancho Los Amigos医学中心提出了一种描述步态分期的方法,称之Rancho Los Amigos（RLA）方法。认为步行时有三个基本任务：承受体重、单肢站立和迈步向前,整个步态周期分为七个独立的阶段。 对正常行走来说，按照脚面的姿态变化可以将支撑相分为下落期、全支撑期和上升期。下落期指从脚跟着地到脚尖着地的时间，全支撑期指脚跟、脚掌和脚尖同时与地面接触的时间，上升期指脚跟抬起到脚尖抬起的时间。
对应的数学模型，由于在行走中步态运动曲线的复杂且缺乏规律性，很难用一个或两个模型进行描述，因此本设计采用分段拟合进行建模。分段节点的选取将直接影响到回归模型的准确性和实用性,节，点过多会导致模型过于繁赘节点过少导致节点间的曲线仍然复杂，难以用模型描述。要适当选择节点的个数和位置。 人在行走过程中，足跟着地时刻和足尖离地时刻不仅是划分步态周期、区分支撑相位与摆动相位的关键采样时刻点，同时也是各个步态运动轨迹的转折点，具有非常重要的物理意义。因此，当采用分段函数对一个周期内的运动建模时，函数节点规定在左足和右足的足跟着地和足尖离地时刻的步态百分比，定义右足足跟首次着地为步态周期的起始时刻，直至下次着地为完成一个步态周期。本设计拟将一个运动周期分为如下四段： ①右足前双支撑相或左足后双支撑相内的步态运动模型； ②右足单支撑相或左足摆动相内的步态运动模型； ③右足双支撑相或左足前双支撑相内的步态运动模型； ④右足摆动相或左足单支撑相内的步态运动模型。 通过步态分期，分别对不同时间段内的踝关节的旋转运动模型进行拟合描述，根据研究数据分析，节点间的运动曲线采用扩展的Sigmoid函数进行拟合效果较好，本设计拟采用该方法进行模型描述。 |
3. 研究计划与安排
第1－4周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需理论基础。确定方案，完成开题报告。
第5－6周：熟悉掌握基本理论，完成英文资料的翻译，熟悉相关工具软件的使用。
第7－9周：利用matlab和labview平台对建立的脚踝模型进行仿真。
4. 参考文献（12篇以上）
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