外骨骼型下肢康復機器人柔性關(guān)節(jié)驅(qū)動器的設計及實驗研究

王援柱 徐飛 佀國寧

0 引言

人口老齡化已經(jīng)成為我國重要的社會問題。老年人面臨很多疾病的威脅，其中，腦卒中是最常見的疾病之一，往往伴隨著患者半側(cè)肢體障礙、肢體麻木、失語以及偏癱等眾多的后遺癥，絕大部分的病患甚至會因偏癱造成殘疾。外骨骼型下肢康復機器人有助于幫助患者進行合理有效的康復訓練，提高癱瘓肢體的運動功能[1]。

傳統(tǒng)的外骨骼型下肢康復機器人采用剛性機構(gòu)驅(qū)動關(guān)節(jié)時，往往無法有效緩解外部沖擊進而容易因外部沖擊對患者關(guān)節(jié)造成損傷[2]。與剛性驅(qū)動相比，液壓驅(qū)動[3-4]、氣壓驅(qū)動[5-7]和彈性驅(qū)動[8-9]三種驅(qū)動方式均能減小沖擊產(chǎn)生的反作用力，提高康復訓練效果，其中，彈性驅(qū)動通過機械方式進行傳動，其精確性更高，響應速度更快。

對于有較好對抗沖擊性能的彈性驅(qū)動設計，目前康復訓練中常采用單一彈簧或者力/位混合控制、阻抗控制、神經(jīng)網(wǎng)絡等控制策略進行運動控制，其中單一彈簧在驅(qū)動力較大時，彈簧全部被壓縮，無法實現(xiàn)彈性驅(qū)動；上述控制策略分別存在建模復雜、需要安裝大量傳感器、隸屬度函數(shù)比重選取沒有理論依據(jù)等缺點。因此，本文設計了一種含彈簧和扭簧的雙向控制關(guān)節(jié)柔性驅(qū)動器，依據(jù)不同的運動狀態(tài),彈簧和扭簧分別發(fā)生作用，達到實現(xiàn)柔性變剛度驅(qū)動的目的。

1 柔性關(guān)節(jié)驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設計

柔性關(guān)節(jié)驅(qū)動器采用集成電機驅(qū)動系統(tǒng)，將兩組相同勁度系數(shù)的彈簧和扭簧、聯(lián)軸器、光電編碼器、電機、角度編碼器、動態(tài)扭矩傳感器組裝在一起，通過調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)彈簧、扭簧的壓縮以及正反向的運動。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 柔性驅(qū)動器結(jié)構(gòu)

2 膝關(guān)節(jié)參數(shù)

設計的柔性驅(qū)動器用于本課題組的外骨骼型下肢康復機器人的膝關(guān)節(jié)驅(qū)動。外骨骼型下肢康復機器結(jié)構(gòu)如圖2所示。驅(qū)動器分別安裝在膝關(guān)節(jié)側(cè)面，與下肢康復機器人的連接方式如圖3所示，驅(qū)動器一端與連接部件固結(jié)在一起，另一端與力作用板連接，通過驅(qū)動力作用板的運動，實現(xiàn)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動。

圖2 外骨骼型下肢康復機器人結(jié)構(gòu)

圖3 驅(qū)動器與機器人連接部件

根據(jù)GB 10000—1988[10]《中國成年人人體尺寸》，為滿足大多數(shù)人的使用標準選取18～60歲95%的人的標準體質(zhì)量作為設計體質(zhì)量，即75 kg,單側(cè)小腿的質(zhì)量占人體總質(zhì)量的4.4%；選取6061鋁合金材料，外骨骼的體積和質(zhì)量計算公式為:

V=LWD

(1)

式中：L為長度；W為寬度；D為高度。

M=ρV

(2)

式中:ρ為密度；V為體積。

單側(cè)小腿的質(zhì)量占人體總質(zhì)量的4.4%，即3.31 kg。由式(1)、式(2)可得外骨骼(包括連接片)體積為886 cm3、質(zhì)量為2.57 kg?？紤]到綁帶等額外質(zhì)量M，取綁帶0.5 kg，則所需平衡的總質(zhì)量為：

M總=M人體+M+M綁帶=7.51 kg

(3)

取力臂長度1/2 小腿處為200 mm，膝關(guān)節(jié)曲伸扭矩為：

T膝曲/伸=FL=14.7 N·m

(4)

圖4為髖膝關(guān)節(jié)連接片結(jié)構(gòu)，其中驅(qū)動模塊與膝關(guān)節(jié)距離為L1。根據(jù)精度要求，選用BSX 精度等級C3 滾珠絲杠，其導程為4 mm、行程為150 mm、絲杠軸徑8 mm。正常人行走大約1.5步/s，康復訓練先假定為1步/s。膝關(guān)節(jié)曲伸的運動范圍確定為-120°～0°，即轉(zhuǎn)速范圍為0～20 r/min。

圖4 髖、膝關(guān)節(jié)連接片

3 膝關(guān)節(jié)屈伸運動

在運動過程中，膝關(guān)節(jié)設計運動范圍起始角度設置為-120°，位移角度為-120°，頻率為0.25Hz，其運動狀態(tài)如圖5所示。

圖5 膝關(guān)節(jié)運動狀態(tài)

為了驗證膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設計的合理性，根據(jù)臨床步態(tài)分析(clinical gait analysis，CGA)數(shù)據(jù)庫提供的行走步態(tài)數(shù)據(jù)，將一個步態(tài)周期膝關(guān)節(jié)動作對應的關(guān)節(jié)角度隨時間的變化參數(shù)設定在Solidworks軟件的Motion仿真分析模塊中，并進行運動學仿真，其位移曲線如圖6所示。

圖6 膝關(guān)節(jié)角位移曲線

由圖6可知，膝關(guān)節(jié)屈/伸的角位移均沒有產(chǎn)生較大的振動或突變且連續(xù)，說明膝關(guān)節(jié)屈伸運動過程平穩(wěn)，膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設計合理。

4 彈簧及扭簧參數(shù)確定

柔性驅(qū)動器和膝關(guān)節(jié)的連接可簡化為曲柄-滑塊連桿機構(gòu)，如圖7所示。當θk=0時，曲柄夾角為θ2,0。

圖7 膝關(guān)節(jié)簡化圖

根據(jù)圖7所示的四桿機構(gòu)的尺寸關(guān)系，可得:

dcosθ1=L1+L2cosθ2

(5)

dsinθ1=L2sinθ2

(6)

柔性驅(qū)動器產(chǎn)生的扭矩為:

M=FL2sin(θ2-θ1)

(7)

幾何約束如下:

dmax

(8)

L1-L2

(9)

L2

(10)

θmin<θ2-θ2,0<θmax

(11)

對連桿機構(gòu)進行優(yōu)化，得到膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1所示。

表1 膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)

在步態(tài)周期的多數(shù)時間內(nèi)，所需的力為峰值力的30%，選取低力范圍為小于100 N，選取彈簧的剛度為10 N/mm；根據(jù)峰值扭矩，選擇扭簧抗扭剛度為0.1 N·m/rad。

5 實驗研究

5.1 柔性驅(qū)動器實驗平臺

搭建的柔性驅(qū)動器實驗平臺如圖8所示。

5.2 實驗過程

在圖8所示的柔性變剛度驅(qū)動器實驗平臺上開展變剛度驅(qū)動關(guān)節(jié)實驗研究。分別選用低力模式、中力模式、高力模式模擬關(guān)節(jié)的驅(qū)動，驗證不同模式下彈簧和扭簧的工作狀態(tài)，得到驅(qū)動器的剛度變化顧慮。低力模式下，彈簧產(chǎn)生壓縮產(chǎn)生作用，扭簧基本不發(fā)生形變；中力模式下，彈簧與扭簧均被壓縮，共同發(fā)生作用；高力模式下，彈簧完全壓縮，僅扭簧繼續(xù)壓縮發(fā)生作用。

圖8 柔性驅(qū)動器實驗平臺

分別對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)以改變轉(zhuǎn)矩，所選電機的功率為50 W，電機軸徑為6 mm，由電機的扭矩公式得到輸入力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：

(12)

5.3 結(jié)果分析

5.3.1 低力模式

當給電機輸入轉(zhuǎn)速分別為8000、4000、2667 r/min，即輸入力分別為20、40、60 N時，彈簧位移與扭簧角度變化如圖9所示。

從圖9可以看出，當驅(qū)動力較小時，且從20 N增大為60 N時，彈簧的壓縮值變化較大，從0變?yōu)?.3 mm，隨著驅(qū)動力的增大，位移的變化速率變小。從圖10可以看出，當驅(qū)動力較小時，扭簧扭轉(zhuǎn)角度變化較小。

圖9 低驅(qū)動力下的彈簧壓縮位移變化

圖10 低驅(qū)動力下的扭簧扭轉(zhuǎn)角度變化

5.3.2 中力模式

當給電機輸入轉(zhuǎn)速分別為2000、1600、1333 r/min，即輸入力分別為80、100、120 N時，彈簧壓縮位移與扭簧扭轉(zhuǎn)角度變化如圖11所示。

從圖11可以看出，當驅(qū)動力逐漸增大時，彈簧的壓縮位移逐漸變大，從0增加到8.6 mm,隨著驅(qū)動力的增加，位移變化率變小。從圖12可以看出，隨著驅(qū)動力的變大，扭簧的扭轉(zhuǎn)角度逐漸變大，從0增加到0.26 rad，表明隨著驅(qū)動力的增加，扭簧逐漸發(fā)生作用。

圖11 中驅(qū)動力下的彈簧壓縮位移變化

圖12 中驅(qū)動力下的扭簧扭轉(zhuǎn)角度變化

5.3.3 高力模式

當給電機輸入轉(zhuǎn)速分別為1143、1000、889 r/min，即輸入力分別為140、160、180 N時，彈簧壓縮位移與扭簧扭轉(zhuǎn)角度變化如圖13所示。

從圖13和圖14可以看出，當驅(qū)動力較大，且從140 N逐漸增加到180 N時，彈簧處于完全壓縮的狀態(tài)，對關(guān)節(jié)的驅(qū)動不起作用；扭簧發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，扭轉(zhuǎn)角度從0增加0.59 rad，對關(guān)節(jié)的驅(qū)動起主要作用，

圖13 高驅(qū)動力下的彈簧壓縮位移變化

圖14 不同驅(qū)動力下的扭簧扭轉(zhuǎn)角度變化

6 結(jié)論

本文設計了一種新型的彈簧和扭簧組合的柔性變剛度關(guān)節(jié)驅(qū)動器，搭建了柔性變剛度關(guān)節(jié)驅(qū)動器的實驗平臺，通過實驗驗證了該驅(qū)動器能夠較好地實現(xiàn)變剛度的驅(qū)動。

當驅(qū)動力處于低力范圍時，彈簧發(fā)生壓縮，扭簧不發(fā)生作用，該狀態(tài)下，扭簧可看作一根傳動軸，實現(xiàn)關(guān)節(jié)的驅(qū)動；當驅(qū)動力處于中力范圍時，彈簧扭簧皆發(fā)生作用，分別實現(xiàn)壓縮和扭轉(zhuǎn)，共同實現(xiàn)關(guān)節(jié)的驅(qū)動；當驅(qū)動力處于高力范圍時，彈簧處于完全壓縮狀態(tài)，扭簧發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形實現(xiàn)關(guān)節(jié)的驅(qū)動。