基于電靜液作動(dòng)原理的主動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢設(shè)計(jì)

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(北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191)

引言

從20世紀(jì)開(kāi)始，世界范圍內(nèi)逐漸開(kāi)展了人體各部位假肢的研究，用于彌補(bǔ)殘疾人運(yùn)動(dòng)功能缺陷的踝關(guān)節(jié)假肢也經(jīng)歷了從功能單一到功能繁多的轉(zhuǎn)變，取得了相當(dāng)顯著的成果。截至目前，踝關(guān)節(jié)假肢可以分為被動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢、半主動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢和主動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢。

被動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展已經(jīng)非常成熟，其在被動(dòng)背屈階段儲(chǔ)存能量并在主動(dòng)跖屈階段將能量釋放[1]，且成本低廉，堅(jiān)固耐用，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能提供生物踝關(guān)節(jié)所能提供的力矩和功率[2-4]。

半主動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢在支撐相并不能提供凈正功，其在支撐相的本質(zhì)仍然是被動(dòng)踝關(guān)節(jié)假肢，但是可以調(diào)節(jié)阻力矩或者可以在擺動(dòng)相調(diào)節(jié)角度。在21世紀(jì)初，日本的假肢研究組織研究并設(shè)計(jì)了一種半主動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢，該假肢使用磁流變液來(lái)提供阻尼以改善假肢的行走性能，但并不能提供主動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力[5]。 Elan Foot使用可變阻尼的液壓假肢提供平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)，以改善用戶的行走體驗(yàn)，奧索設(shè)計(jì)的Proprio Foot[6]是一種可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)角度控制的假肢。該假肢具有用于在擺動(dòng)相調(diào)節(jié)腳踝的角度的電動(dòng)機(jī)，它在站立相時(shí)，通過(guò)液壓缸為人體行走提供被動(dòng)阻尼。

主動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢在站立相的凈功為正，主要有以下幾種驅(qū)動(dòng)方式，包括柔性繩驅(qū)[7]、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)[8]、氣動(dòng)人造肌肉驅(qū)動(dòng)[9]、滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)[10-11]和液壓驅(qū)動(dòng)[12]。最成功的電動(dòng)踝關(guān)節(jié)假肢之一是由MIT[13]設(shè)計(jì)的彈性儲(chǔ)能腳踝。當(dāng)腳踝做負(fù)功時(shí)，它主要用彈簧吸收能量。而在主動(dòng)跖屈階段用電機(jī)和彈簧共同驅(qū)動(dòng)人體。巴斯大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室研究了液壓驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢[12]，它使用2個(gè)節(jié)流閥來(lái)調(diào)整被動(dòng)狀態(tài)下的腳踝阻尼扭矩，而在主動(dòng)狀態(tài)下，液壓泵通過(guò)液壓缸向踝關(guān)節(jié)輸送能量，為人體的前進(jìn)提供動(dòng)力。

踝關(guān)節(jié)假肢對(duì)峰值功率和輸出轉(zhuǎn)矩的要求比較高，相反，對(duì)占其工作周期大部分時(shí)間的平時(shí)功率的要求極低。這就產(chǎn)生了驅(qū)動(dòng)裝置滿足了峰值功率的要求就難以滿足對(duì)重量和續(xù)航的要求，滿足了續(xù)航的要求就難以提供足夠的峰值功率的矛盾。本研究首先分析了人的生物腳踝正常走路時(shí)的力學(xué)特征，進(jìn)而利用所得到的相關(guān)信息設(shè)計(jì)了新式的踝關(guān)節(jié)假肢的機(jī)械機(jī)構(gòu)，最后對(duì)假肢的整體的力學(xué)性能和液壓系統(tǒng)的功能進(jìn)行了仿真。

1 假肢性能需求分析和驅(qū)動(dòng)方案選擇

1.1 人體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

人體行走的步態(tài)周期可以被分為兩個(gè)階段：站立階段和擺動(dòng)階段。站立階段是指人腳的其中一部分接觸地面(腳跟、腳掌或者腳尖)的階段，占據(jù)全部行走周期時(shí)長(zhǎng)的60%；而擺動(dòng)階段是指人腳在空中擺動(dòng)，邁向前方的過(guò)程，占據(jù)全部行走周期總時(shí)長(zhǎng)的40%。擺動(dòng)階段中人腳整體不接觸地面，因此，此時(shí)踝關(guān)節(jié)和小腿不需要對(duì)外做功；而站立階段始終與地面進(jìn)行接觸，踝關(guān)節(jié)會(huì)起到支撐身體重量以及推動(dòng)人體向前的作用。根據(jù)腳踝作動(dòng)方向和作動(dòng)方式的不同，可以將站立階段劃分成以下4個(gè)子周期階段：

SW(SWing)：踝關(guān)節(jié)主要發(fā)生主動(dòng)背屈，調(diào)節(jié)踝關(guān)節(jié)角度，為站立相做準(zhǔn)備，在此過(guò)程中輸出力矩較小，對(duì)應(yīng)圖1中g(shù)-l。

HS(Heel Strike)：踝關(guān)節(jié)主要發(fā)生被動(dòng)跖屈，踝關(guān)節(jié)做負(fù)功，吸收人體重心下落帶來(lái)的沖擊，此過(guò)程中的輸出力矩較小，對(duì)應(yīng)圖1中a-c。

MS(Middle Stance)：踝關(guān)節(jié)主要發(fā)生被動(dòng)背屈，此時(shí)踝關(guān)節(jié)做負(fù)功，作用形式表現(xiàn)為提供阻力，此過(guò)程中的輸出力矩較大。對(duì)應(yīng)圖1中c-d。

TS(Terminal Stance)：踝關(guān)節(jié)主要發(fā)生主動(dòng)跖屈，推動(dòng)人體前進(jìn)，此時(shí)踝關(guān)節(jié)做正功且瞬時(shí)功率很高，輸出力矩較大。對(duì)應(yīng)圖1中d-f。

圖1 正常人體踝關(guān)節(jié)步態(tài)周期

1.2 輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率分析

圖2顯示了一個(gè)健康的人在平地上行走時(shí)踝關(guān)節(jié)輸出功率的變化，其中灰色區(qū)域顯示了腳趾離開(kāi)地面的過(guò)程，圖2中的曲線是被動(dòng)工作階段腳踝功率的變化。從圖2中可以看出，踝關(guān)節(jié)輸出較高功率的時(shí)間僅占整個(gè)周期的20%，且最大功率達(dá)到2.7 W/kg。而在其他時(shí)間，輸出功率小于峰值功率的10%，這使得踝關(guān)節(jié)假肢對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出功率有很高的要求。由于大部分時(shí)間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出功率很小，這為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。

圖2 平地行走時(shí)正常人體踝關(guān)節(jié)輸出功率曲線

圖3曲線表示健康人體在平坦地面行走時(shí)踝關(guān)節(jié)的扭矩變化，灰色矩形表示趾部離開(kāi)地面的時(shí)間。峰值輸出扭矩為1.58 N·m/kg，而扭矩輸出主要集中在MS階段和TS階段，且在MS階段隨周期推移力矩逐漸上升，而在TS階段，輸出力矩呈下降趨勢(shì)。

圖3 平地行走時(shí)正常人體踝關(guān)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩曲線

1.3 驅(qū)動(dòng)方案選擇

對(duì)于帶有驅(qū)動(dòng)的踝關(guān)節(jié)假肢，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者已經(jīng)使用了不同種類的作動(dòng)器作為踝關(guān)節(jié)假肢的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括人造氣動(dòng)肌肉[9]、直流電機(jī)加絲杠傳動(dòng)[10-11]以及液壓作動(dòng)器[12]等。主動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢需要在一定的重量和體積限制下，達(dá)到人正常行走的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，因此假肢的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)需要具有較高的能量密度，能輸出較大的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩并且能夠吸收腳跟著地時(shí)所帶來(lái)的沖擊力。

此外踝關(guān)節(jié)假肢對(duì)峰值功率和輸出轉(zhuǎn)矩的要求比較高，相反，對(duì)占其工作周期大部分時(shí)間的平時(shí)功率的要求極低，這就產(chǎn)生了驅(qū)動(dòng)裝置滿足了峰值功率的要求就難以滿足對(duì)重量和續(xù)航的要求，滿足了續(xù)航的要求就難以提供足夠的峰值功率的矛盾。

為了解決上述問(wèn)題，本研究基于(Electro-Hydrostatic Actuator，EHA)原理設(shè)計(jì)主動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢，在系統(tǒng)中加入蓄能器進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存，并在需要的時(shí)間釋放，解決假肢瞬時(shí)功率需求高而平時(shí)功率需求低的矛盾，使液壓泵可以一直運(yùn)行在低功率的工作模式，降低對(duì)系統(tǒng)安裝功率的需求；充分利用EHA作動(dòng)器輸出力比大的優(yōu)勢(shì)，減輕機(jī)體重量的同時(shí)，為人體提供充足的助力；在支撐相利用液壓缸為人體的行走提供被動(dòng)阻尼，利用液壓阻尼實(shí)現(xiàn)柔順的行走步態(tài)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊力的緩沖，減少行走過(guò)程中對(duì)膝關(guān)節(jié)的沖擊。

2 液壓假肢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 假肢液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于EHA的主動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢需要一種結(jié)構(gòu)合理、功耗低、工作性能好的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該液壓系統(tǒng)需要能輸出足夠的峰值功率以滿足正常的行走需求，同時(shí)能有較低的功耗以滿足對(duì)續(xù)航的要求，所設(shè)計(jì)的液壓回路如圖4所示。根據(jù)人體步行時(shí)踝關(guān)節(jié)的步態(tài)周期特性，將液壓回路的工作狀態(tài)分成被動(dòng)跖屈狀態(tài)(HS階段)、被動(dòng)背屈狀態(tài)(MS階段)、主動(dòng)跖屈狀態(tài)(TS階段)和主動(dòng)背屈狀態(tài)(SW階段)。

1、10.蓄能器 2、3.電磁常開(kāi)閥 4、6、9.壓力傳感器 5.液壓缸 7、8.電磁常閉閥 11、14.單向閥 12.液壓泵 13.電機(jī)圖4 主動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢液壓原理圖

在HS階段，踝關(guān)節(jié)假肢切換至被動(dòng)跖屈狀態(tài)。此時(shí)閥2和閥3打開(kāi)，閥7和閥8關(guān)閉，雙出桿缸的上下兩腔通過(guò)2個(gè)電磁常開(kāi)閥導(dǎo)通，油液從液壓缸上腔流往液壓缸下腔，通過(guò)液壓油流動(dòng)的阻尼作用使假肢可以吸收觸地沖擊，踝關(guān)節(jié)假肢主要做被動(dòng)跖屈運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，有刷直流電機(jī)和雙柱塞泵向蓄能器中充能。

在MS階段，踝關(guān)節(jié)假肢切換至被動(dòng)背屈狀態(tài)。此時(shí)閥2和閥3打開(kāi)，閥7和閥8關(guān)閉，雙出桿缸上下兩腔通過(guò)2個(gè)電磁常開(kāi)閥導(dǎo)通，油液從液壓缸下腔流往液壓缸上腔，液壓系統(tǒng)通過(guò)液壓油的流動(dòng)為人體的支撐和運(yùn)動(dòng)提供阻尼。在此狀態(tài)中，雙柱塞液壓泵持續(xù)向蓄能器中充能，將蓄能器壓力提升至目標(biāo)值。

在TS階段，踝關(guān)節(jié)假肢切換至主動(dòng)跖屈狀態(tài)。由圖2的踝關(guān)節(jié)能量曲線可知，此時(shí)踝關(guān)節(jié)假肢需要較大的扭矩輸出，因而此時(shí)閥7和閥3打開(kāi)，閥2和閥8關(guān)閉，泵源和蓄能器同時(shí)向雙出桿缸的下腔做功，蓄能器在之前階段蓄積的能量迅速釋放，從而滿足該主動(dòng)階段的功率要求。

在SW階段，踝關(guān)節(jié)假肢切換至主動(dòng)背屈狀態(tài)。此時(shí)閥8和閥2打開(kāi)，閥7和閥3關(guān)閉，雙柱塞泵向作動(dòng)缸上腔提供能量，迅速將踝關(guān)節(jié)假肢的關(guān)節(jié)角度恢復(fù)至初始狀態(tài)，為下一階段做準(zhǔn)備。

該液壓回路通過(guò)馬達(dá)不停止的工作以及蓄能器的儲(chǔ)能，減少了對(duì)馬達(dá)峰值功率的要求，提高了續(xù)航能力。蓄能器可以提供足夠的瞬時(shí)功率輸出，可以滿足人體對(duì)于假肢性能的需求，解決了以往輸出功率和續(xù)航能力之間的矛盾。

根據(jù)上述要求，對(duì)元件選擇如表1所示。

表1 基于EHA的主動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢的元件參數(shù)

2.2 假肢機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在主體的內(nèi)部，直接通過(guò)打孔和鉚壓的方式形成所有液壓回路，這使我們的假肢不包含任何外置液壓管路。此外，還通過(guò)鉚壓?jiǎn)蜗蜷y以及嵌入柱塞的方式，在主體內(nèi)部直接安置了包含2個(gè)微型柱塞的柱塞泵。而4個(gè)電磁閥的閥體部分也是通過(guò)鉚壓的方式安裝在主體上的。不采用外置管路、直接將泵設(shè)計(jì)在主體中以及大量的采用鉚壓工藝，使得假肢的耐壓能力、防泄漏能力、以及空間的利用率都得到了顯著的提升。這為假肢的輸出能力、可靠性、微型化提供了極大的幫助。

蓄能器、壓力傳感器、碳纖維腳板、電機(jī)、液壓缸都通過(guò)螺紋的方式緊固在主體上。其中液壓缸采用板連接的方式，避免了外置液壓管路的出現(xiàn)。液壓缸的出桿通過(guò)鉸鏈與腳板的后部相連，這與人類跟腱部位的連接相類似。

所設(shè)計(jì)的主動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢如圖5所示。

圖5 主動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢整體設(shè)計(jì)

3 液壓假肢系統(tǒng)的仿真

3.1 假肢綜合力學(xué)性能的仿真

由于液壓閥體是液壓踝關(guān)節(jié)假肢最主要的部分，因此需要保證假肢在運(yùn)動(dòng)過(guò)程和靜止站立過(guò)程受到的擠壓變形不會(huì)導(dǎo)致液壓回路內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，或者產(chǎn)生泄漏，因此先對(duì)液壓假肢閥塊進(jìn)行單獨(dú)的分析。

選擇腿部閥塊的材料為鋁合金鍛件，對(duì)材料施加約束，對(duì)應(yīng)人體靜止站立狀態(tài)，模擬實(shí)際情況對(duì)假肢上端固定面的4個(gè)斜面和頂面進(jìn)行固定。

由于閥塊受力是地面的支持力通過(guò)底部的M12螺栓傳遞到閥塊螺紋處的，因此對(duì)底部螺紋進(jìn)行軸向加載。由于本踝關(guān)節(jié)假肢的設(shè)定工況是用于75 kg人體的正常行走，因此將加載力設(shè)置為單腳站立時(shí)的極限工況，加載力的大小設(shè)置為750 N。

得到應(yīng)力仿真和位移仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得整體閥塊應(yīng)力分布范圍為2.689e-1N/m2至7.662e6N/m2，整體閥塊無(wú)應(yīng)力集中現(xiàn)象。位移范圍在0.000至5.540e-3mm，在允許的形變范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了閥塊的設(shè)計(jì)符合要求。

圖6 液壓主體閥塊靜態(tài)加載應(yīng)力分布仿真結(jié)果

3.2 液壓系統(tǒng)性能的仿真

根據(jù)設(shè)計(jì)的微型液壓回路進(jìn)行AMESim建模。按照表1所述元件參數(shù)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，系統(tǒng)總體重量為3.5 kg，最后構(gòu)成的仿真模型圖如圖8所示。

圖7 液壓主體閥塊型變量仿真結(jié)果

圖8 AMESim微型液壓驅(qū)動(dòng)回路實(shí)際建模圖

加載在雙出桿液壓缸的負(fù)載力通過(guò)Riener R等[14]測(cè)得的踝關(guān)節(jié)扭矩并進(jìn)行擬合，如圖9所示，擬合并輸入到系統(tǒng)的圖像見(jiàn)圖10。圖11為Riener R等[14]對(duì)同一狀態(tài)下踝關(guān)節(jié)角度變化的測(cè)量曲線。

圖9 踝關(guān)節(jié)力矩圖

將圖12與圖11進(jìn)行對(duì)比，可見(jiàn)此液壓缸輸出的位移基本符合踝關(guān)節(jié)角度的變化趨勢(shì)。但由于系統(tǒng)中存在沿程阻力，導(dǎo)致在0.15 s中的主動(dòng)蹬腿的位移14 mm 比當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的15 mm略小。在主動(dòng)收腿環(huán)節(jié)的6.8 mm的位移比當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的10 mm略小。但已經(jīng)能完成整個(gè)步態(tài)過(guò)程。在行走過(guò)程中由于液壓系統(tǒng)阻尼的存在，該假肢可以提供合適的阻尼來(lái)吸收沖擊提供阻力。

圖10 仿真中的踝關(guān)節(jié)輸入力

圖11 踝關(guān)節(jié)角度圖

圖12 液壓缸輸出位移

圖13 蓄能器輸出功率

由于泵在0～0.65 s持續(xù)給蓄能器充壓，使得在0.65 s微型液壓系統(tǒng)切換到主動(dòng)模式的時(shí)候，如圖13所示，觀察蓄能器的輸出功率曲線，蓄能器能夠輸出150 W的功率。滿足系統(tǒng)的輸出功率條件。可以看出本研究的優(yōu)點(diǎn)為可以在電機(jī)功率較小的情況下，讓主動(dòng)式液壓踝關(guān)節(jié)假肢輸出人體正常行走所需要的力矩。通過(guò)EHA原理實(shí)現(xiàn)了較小裝機(jī)功率下輸出較大的峰值功率的特性。

4 結(jié)論

本研究提出了主動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢的總體方案，設(shè)計(jì)了基于電靜液作動(dòng)原理的主動(dòng)式踝關(guān)節(jié)假肢驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了假肢整體機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)力學(xué)仿真驗(yàn)證了機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理性，并且通過(guò)液壓系統(tǒng)仿真，對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行了驗(yàn)證。本研究所設(shè)計(jì)的踝關(guān)節(jié)假肢，充分利用了EHA系統(tǒng)的特性，為假肢提供所需阻尼并解決了假肢瞬時(shí)功率高而平均功率低之間的矛盾。