可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及仿真

謝海勝，陳岱民

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022;2.長(zhǎng)春大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃及仿真

謝海勝1，陳岱民2

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022;2.長(zhǎng)春大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

通過(guò)分析人的下肢各關(guān)節(jié)的特征及自由度，設(shè)計(jì)可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)，利用CAD軟件solidworks進(jìn)行三維建模。為了實(shí)現(xiàn)可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人穩(wěn)定行走功能，本文運(yùn)用零力矩點(diǎn)(ZMP)判斷依據(jù)進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃。在機(jī)器人進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃時(shí)采用三次樣條插值法得到可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人各關(guān)節(jié)的平滑運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)，擺動(dòng)腿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中腳底與地面始終平行。最后在ADAMS軟件中建立可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人的虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。

可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人;步態(tài)規(guī)劃;ADAMS

0 引言

可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人，是能夠幫助下肢殘疾或下肢癱瘓患者像正常人一樣行走的人機(jī)一體化系統(tǒng)。近年來(lái)，因交通事故而造成下肢肢體損傷的人數(shù)越來(lái)越多，社會(huì)人群正在進(jìn)入老齡化。因此，可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人的研究對(duì)于支持殘疾人事業(yè)具有現(xiàn)實(shí)的意義，并將產(chǎn)生明顯的社會(huì)效益。

步態(tài)規(guī)劃是可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定行走的一個(gè)重要組成部分。目前基于零力矩點(diǎn)(Zero Moment Point)進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃常用到兩種方法:第一種方法是先規(guī)劃出期望的ZMP軌跡，然后再確定可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人腿部各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng);第二種方法是根據(jù)雙足和重心的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)確定ZMP軌跡。本文采用第一種方法來(lái)完成可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃。這種方法只要求出各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡，就能滿足ZMP軌跡的要求?；诳纱┐魇较轮祻?fù)外骨骼機(jī)器人的研制困難這一特點(diǎn)，在建立物理樣機(jī)之前有必要先進(jìn)行虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，以驗(yàn)證步態(tài)規(guī)劃的正確性。本文采用CAD軟件soildworks和動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS聯(lián)合建立虛擬樣機(jī)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行步態(tài)仿真，證明步態(tài)規(guī)劃的可行性。

1 可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人，是一種運(yùn)用于下肢癱瘓、腿外傷、脊柱外傷等腿部運(yùn)動(dòng)功能障礙患者的人工外骨骼。主要包括:髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和驅(qū)動(dòng)裝置。為了實(shí)現(xiàn)其可穿戴性的要求，可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人被設(shè)計(jì)成包含14個(gè)自由度，即每條腿包含7個(gè)自由度，髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)分別包含3個(gè)自由度(繞額狀軸的屈伸運(yùn)動(dòng)、繞矢狀軸的外展/內(nèi)收運(yùn)動(dòng)、繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))，膝關(guān)節(jié)包含一個(gè)自由度(繞額狀軸的屈伸運(yùn)動(dòng))。由于患者的身高不同，其大腿、小腿、腰部及踝關(guān)節(jié)和腳底板之間連接板的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)的。

人體在前向運(yùn)動(dòng)時(shí)，主要由髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)來(lái)完成，維持前向運(yùn)動(dòng)的平衡性由髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)繞矢狀軸的外展/內(nèi)收運(yùn)動(dòng)來(lái)完成，因此需要在這些自由度上安裝驅(qū)動(dòng)裝置。在其余兩個(gè)自由度上安裝彈簧阻尼，目的是患者在行走過(guò)程中受到外力作用時(shí)，這兩個(gè)自由度旋轉(zhuǎn)有利于維持下肢平衡，外力消失時(shí)，又回到原來(lái)的位置?？纱┐魇较轮祻?fù)外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示:

2 步態(tài)規(guī)劃

2.1 ZMP穩(wěn)定性判斷依據(jù)

圖1 可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ZMP(Zero Moment Point)是可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人所受的重力、慣性力和地面反作用力三者合力矢量的延長(zhǎng)線與地面的交點(diǎn)。在可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃中以零力矩點(diǎn)作為穩(wěn)定判斷依據(jù)，ZMP 計(jì)算公式為［1］:

為了使可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人能穩(wěn)定行走，應(yīng)保持零力矩點(diǎn)(ZMP)一直在支撐腳所組成的凸形多邊形的合理支撐區(qū)域內(nèi)(穩(wěn)定區(qū)域)。穩(wěn)定區(qū)域是支撐腳掌所組成的凸形區(qū)域投影在水平面上的范圍。單腳支撐期的穩(wěn)定區(qū)域范圍是支撐腳腳底與地面接觸的范圍;雙腳支撐的穩(wěn)定區(qū)域范圍是兩腳支撐腳腳底與地面接觸所構(gòu)成的最大范圍。如圖2所示:

圖2 穩(wěn)定區(qū)域

2.2 各關(guān)節(jié)角度運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

基于零力矩點(diǎn)(Zero Moment Point)進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃常被用到的兩種方法:第一種方法是先規(guī)劃出期望的ZMP軌跡，然后再確定可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人腿部各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡。這種方法只要規(guī)劃出各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡，就能滿足ZMP軌跡的要求。第二種方法是根據(jù)雙足和重心的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)確定ZMP軌跡。該方法雖然直觀，解唯一，但是計(jì)算量大。為了達(dá)到穩(wěn)定區(qū)域需要反復(fù)計(jì)算，較難實(shí)現(xiàn)。本文采用第一種方法來(lái)完成可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃。要對(duì)可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃，首先規(guī)劃出ZMP軌跡。

由ZMP的計(jì)算公式(1)可以看出，Z向坐標(biāo)及其2次導(dǎo)數(shù)在ZMP的X、Y坐標(biāo)公式里同時(shí)出現(xiàn)，這樣兩式會(huì)發(fā)生耦合現(xiàn)象。在觀察人行走的過(guò)程中，重心高度一般在一個(gè)很小的范圍內(nèi)浮動(dòng)，可以把Z取值為常數(shù)，在不受外力和外力矩的情況下對(duì)ZMP公式進(jìn)行簡(jiǎn)化。

從(2)［1］可以看出，ZMP和重心的X、Y坐標(biāo)值投影在水平面內(nèi)有一個(gè)差值，這是受慣性力的影響。規(guī)劃出可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人重心的合理軌跡，就可以推導(dǎo)出期望的ZMP軌跡。重心和ZMP的軌跡如圖 3［2］:

圖3 重心和ZMP的軌跡

步態(tài)是可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人在前行過(guò)程中，下肢各關(guān)節(jié)在時(shí)序和空間上的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。由于前向各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)與側(cè)向各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)之間耦合很小，因此對(duì)其前向和側(cè)向運(yùn)動(dòng)分開規(guī)劃，本文主要討論前向運(yùn)動(dòng)的步態(tài)規(guī)劃問(wèn)題。如圖4所示。

圖4 前向運(yùn)動(dòng)的步態(tài)規(guī)劃

為克服可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人在腳觸地時(shí)產(chǎn)生的沖擊力，確?？纱┐魇较轮祻?fù)外骨骼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。本文提出的方案是采用三次樣條插值法得到可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人各關(guān)節(jié)平滑運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持?jǐn)[動(dòng)腿腳底與地面始終平行，且下肢重心高度設(shè)為定值。根據(jù)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系得出可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間變化的關(guān)系。本文以單腿支撐期支撐腿3個(gè)俯仰自由度的關(guān)節(jié)角求解為例。采用重心和踝關(guān)節(jié)的軌跡表達(dá)式與可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人腿部的幾何關(guān)系進(jìn)行幾何運(yùn)算。如圖5所示:

圖5 單腿支撐期支撐腿各關(guān)節(jié)幾何關(guān)系

由于重心高度保持不變，則h是定值，且θ1、θ2、θ3滿足θ1+θ2+θ3=0。根據(jù)幾何關(guān)系可得下列各式:

由此得到單腿支撐期支撐腿各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間變化的關(guān)系，同理，也可得到擺動(dòng)腿各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間變化的關(guān)系。下肢各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間變化的關(guān)系如圖6所示。

圖6 前向各關(guān)節(jié)角隨時(shí)間變化的關(guān)系

3 虛擬樣機(jī)的建模與仿真

在soildworks里建立可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人三維模型，然后保存為.x_t的Parasolid格式，便可導(dǎo)入ADAMS。在ADAMS軟件里，首先對(duì)各個(gè)零部件的材料密度、剛度、彈性形變、重力加速度、名字等進(jìn)行設(shè)置。由于模型的零件比較多，需要運(yùn)用布爾運(yùn)算對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。為了實(shí)現(xiàn)可穿戴式下肢康復(fù)機(jī)器人的行走功能，需要對(duì)各關(guān)節(jié)添加鉸鏈運(yùn)動(dòng)副和與之相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)。Adams動(dòng)力學(xué)模型如圖7所示。

圖7 動(dòng)力學(xué)模型

把在matlab中生成的可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人腿部的10個(gè)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)文件保存成.txt格式，導(dǎo)入ADAMS。并利用樣條插值函數(shù)AKISPL把這些數(shù)據(jù)輸入到Motion中，進(jìn)行仿真?？纱┐魇较轮祻?fù)外骨骼機(jī)器人在基于ZMP算法生成的步態(tài)數(shù)據(jù)文件控制下，實(shí)現(xiàn)較好的運(yùn)動(dòng)效果。以起步階段為例如圖8所示。

圖8 步態(tài)仿真

通過(guò)在ADAMS里進(jìn)行虛擬樣機(jī)的仿真，可以測(cè)得可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人在前向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中重心和踝關(guān)節(jié)沿X軸方向的軌跡及踝關(guān)節(jié)沿Z軸方向的軌跡。如圖9、圖10、圖11所示。

圖9 重心沿x軸的軌跡

圖10 踝關(guān)節(jié)沿x軸的軌跡

圖11 踝關(guān)節(jié)沿z軸的軌跡

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)基于ZMP的步態(tài)規(guī)劃，在solidworks、ADAMS里分別建立可穿戴式下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人的三維模型、動(dòng)力學(xué)模型，然后進(jìn)行仿真，結(jié)果表明了ZMP步態(tài)規(guī)劃的正確性。ADAMS仿真所提供的各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角速度、角加速度等參數(shù)，為以后選擇電機(jī)、減速器提供依據(jù)，并為最終做出物理樣機(jī)奠定基礎(chǔ)。

［1］徐汝龍.一種可穿戴式下肢康復(fù)機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃及康復(fù)策略［D］.西華大學(xué)，2012.

［2］郭新明，殷躍紅.載人兩足步行機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃［J］.機(jī)電工程，2006，23(2):37-38.

［3］竇瑞軍，馬培蓀.基于ZMP點(diǎn)的兩足機(jī)器人步態(tài)優(yōu)化［J］.械科學(xué)與技術(shù)，2003，22(1):77-79.

［4］許小勇，鐘太勇.三次樣條插值函數(shù)的構(gòu)造Matlab實(shí)現(xiàn)［J］.兵工自動(dòng)化，2006，25(11):76-78.

Gait Planning and Simulation of Wearable Lower Limbs Rehabilitation Exoskeleton Robot

XIE Hai-sheng1，CHEN Dai-min2
(1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China;2.College of Machinery and Vehicle，Changchun University，Changchun 130022，China)

Through analyzing the characteristics and freedom of human lower extremity joints，this paper designs a structure of the wearable lower limbs rehabilitation exoskeleton robot and builds a three-dimensional modeling by solidworks software of CAD.In order to realize the function of the stable walking for the wearable lower limbs rehabilitation exoskeleton robot，it uses the principle of ZMP to plan gait.In the process of planning gait，it gets the smooth trajectory of every joint by cubic spline interpolation，keeping the foot of swinging legs parallel to the ground.Finally，it establishes a virtual prototype of the wearable lower limb rehabilitation exoskeleton robot and makes a simulation in ADAMS software.

wearable lower limb rehabilitation exoskeleton robot;gait planning;ADAMS

TP242.3

A

1009-3907(2013)10-1224-06

2013-09-18

謝海勝(1986-)，男，河南周口人，碩士研究生，主要從事機(jī)械制造及其自動(dòng)化方面研究。

陳岱民(1962-)，男，吉林長(zhǎng)春人，教授，博士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論方面研究。

責(zé)任編輯:

吳旭云