一種可穿戴下肢外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

白云峰，吳漢忠，劉建輝，董威威，丁 浩，朱世根

(1.東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620；2.東華大學(xué) 紡織裝備教育部工程研究中心，上海 201620)

外骨骼機(jī)器人基于仿生學(xué)原理，通過(guò)模擬人體骨骼而設(shè)計(jì)，可穿戴在人體身上，從而將人的智慧與機(jī)器人的力量結(jié)合起來(lái)，助力人體完成原本不可能完成的任務(wù)[1]。國(guó)外很早就已經(jīng)開(kāi)展關(guān)于外骨骼機(jī)器人的研究，目前比較成功的是洛克希德·馬丁公司研制出的 HULC 型外骨骼機(jī)器人[2]以及日本筑波大學(xué)研制的HAL助力外骨骼機(jī)器人[3]等。國(guó)內(nèi)目前對(duì)下肢外骨骼機(jī)器人的研制主要集中在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，而針對(duì)軍事領(lǐng)域或者其他領(lǐng)域的外骨骼機(jī)器人研究相對(duì)較少[4-6]，主要原因就包括外骨骼機(jī)器人靈活性不足等。為解決外骨骼機(jī)器人機(jī)構(gòu)靈活性方面問(wèn)題，使外骨骼機(jī)器人在滿足助力功能并提高人體負(fù)重能力的前提下能靈活應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境，本文在電液伺服控制技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，采用仿生學(xué)原理開(kāi)發(fā)出一種液壓直接控制的下肢外骨骼機(jī)器人，模擬分析結(jié)果顯示，該下肢外骨骼機(jī)器人能夠靈活跟隨人體下肢進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，具有良好的可穿戴性，結(jié)構(gòu)輕巧，堅(jiān)固耐用，安全性能良好。

1 仿生學(xué)設(shè)計(jì)

1.1 人體下肢運(yùn)動(dòng)分析及外骨骼自由度分配

仿生學(xué)中常用人體運(yùn)動(dòng)解剖學(xué)描述解釋骨頭之間的運(yùn)動(dòng)，以及每個(gè)關(guān)節(jié)在人體3個(gè)平面上的運(yùn)動(dòng)范圍，3個(gè)平面統(tǒng)稱為解剖學(xué)平面[7](見(jiàn)圖1)。解剖學(xué)平面將人體劃分為前后2部分的額或冠狀面，上下2部分的橫向平面，以及左右2部分的矢狀面或橫向面。在矢狀面的運(yùn)動(dòng)稱為彎曲—伸展，在冠狀面的運(yùn)動(dòng)稱為外展—內(nèi)收[8-9]。關(guān)于踝關(guān)節(jié)，伸展通常稱為背屈，彎曲通常稱為砣屈。下肢是人體中從臀肌一直延伸到腳并同軀干下部連接的部分，主要包括骨盆、大腿骨、脛以及腳。髖關(guān)節(jié)將骨盆和大腿連接，膝關(guān)節(jié)將大腿和小腿連接，踝關(guān)節(jié)將小腿和腳連接。

圖1 人體解剖學(xué)平面

人體下肢主要有髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)3種關(guān)節(jié)，其中髖關(guān)節(jié)是一種多軸式球窩狀骨液關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)是一種骨液鉸鏈關(guān)節(jié)，踝關(guān)節(jié)是一種鉸鏈?zhǔn)交りP(guān)節(jié)。

人體下肢具有推動(dòng)人走路和承受重量2個(gè)功能，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)形式多變。設(shè)計(jì)下肢外骨骼機(jī)器人時(shí)，在滿足功能要求的前提下，應(yīng)盡可能地減少自由度的數(shù)量，一方面可以簡(jiǎn)化下肢外骨骼機(jī)構(gòu)，另一方面也可以降低控制的難度并節(jié)約能源。采用仿生學(xué)原理，根據(jù)人體下肢運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)化分析圖(圖2)，下肢外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)了14個(gè)自由度，分配到每一側(cè)有7個(gè)自由度。其中，髖關(guān)節(jié)3個(gè)自由度(彎曲—伸展、外展—內(nèi)收、環(huán)形)，膝關(guān)節(jié)1個(gè)自由度(彎曲—伸展)，踝關(guān)節(jié)3個(gè)自由度(背屈—砣屈、反向—外翻、環(huán)形)。人體下肢運(yùn)動(dòng)時(shí)，膝關(guān)節(jié)承載力較大，其對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)范圍影響最大，考慮到輕量化、易控制、節(jié)約能源等因素，將膝關(guān)節(jié)自由度設(shè)計(jì)為主動(dòng)自由度，其他自由度均為被動(dòng)自由度。

圖2 人體運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化圖

1.2 外骨骼整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該下肢外骨骼主要由2條機(jī)械腿組成，2條機(jī)械腿由腰部板固定裝置連接在一起，下肢外骨骼機(jī)器人模型如圖3所示。腰部板設(shè)計(jì)有尺寸調(diào)節(jié)裝置，以滿足不同人群的穿戴需求。在腰部板固定裝置上設(shè)計(jì)了一種箱體結(jié)構(gòu)，用以裝載液壓系統(tǒng)部件。在大腿桿及小腿桿中部設(shè)置有尺寸調(diào)節(jié)裝置，以滿足不同人群身高需求。在外骨骼大小腿桿中間部位設(shè)置有綁帶，通過(guò)綁帶與人體固定在一起，達(dá)到穿戴效果。下肢外骨骼機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置液壓部件(液壓缸)采用α+β鈦合金[10]，非受力件如箱體采用復(fù)合材料制作[11]，其余部件均采用7085超高強(qiáng)鋁合金[12]，極大地減小了下肢外骨骼機(jī)器人的重量。

圖3 下肢外骨骼機(jī)器人模型

在模擬仿真的基礎(chǔ)上，加工制作了外骨骼膝關(guān)節(jié)樣機(jī)，并進(jìn)行了下肢外骨骼機(jī)器人膝關(guān)節(jié)與人體穿戴實(shí)驗(yàn)，人體穿戴外骨骼樣機(jī)實(shí)況圖如圖4所示，結(jié)果表明人體能較好的穿戴外骨骼樣機(jī)，其穿戴性能良好。

圖4 人體穿戴外骨骼樣機(jī)實(shí)況圖

2 下肢外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

2.1 膝關(guān)節(jié)

膝關(guān)節(jié)的承載力較大，且其對(duì)人體下肢運(yùn)動(dòng)范圍的影響較大，故將膝關(guān)節(jié)設(shè)置為主動(dòng)關(guān)節(jié)。膝關(guān)節(jié)主要采用滑塊曲柄機(jī)構(gòu)。與常見(jiàn)的連桿機(jī)構(gòu)不同，本文所設(shè)計(jì)大腿件與小腿件通過(guò)軸連接，液壓缸與大腿件通過(guò)軸連接，液壓桿與小腿件通過(guò)軸連接，通過(guò)液壓桿伸縮實(shí)現(xiàn)大小腿件之間的夾角變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，極大地?cái)U(kuò)展了膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍，提高了機(jī)構(gòu)的靈活性。設(shè)置限位螺釘以及安全板有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)動(dòng)范圍的限制，同時(shí)可以對(duì)穿戴者的膝關(guān)節(jié)起到保護(hù)作用，提高下肢外骨骼機(jī)器人的安全性能。膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖5 膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

2.2 髖關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)

髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的行為方式類似于球關(guān)節(jié)，存在3個(gè)自由度，這幾個(gè)自由度對(duì)于人體平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。從生理學(xué)角度看，髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)形式復(fù)雜多變，將髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)為球面副結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖6、7所示。球面副結(jié)構(gòu)可以很好地滿足髖部和踝部在各個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)，大大提高了下肢外骨骼機(jī)器人的靈活性及跟隨性。踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍相對(duì)較小，因此前后各裝有一個(gè)彈簧及彈性繩索，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)有外力存在時(shí)，一方面可以通過(guò)他們的彈力提供踝關(guān)節(jié)所需的部分恢復(fù)力，另一方面也可以限制關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，對(duì)人體踝關(guān)節(jié)起到一定保護(hù)作用，提高機(jī)構(gòu)的安全性能。

圖6 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

圖7 踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

2.3 整體結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)范圍分析

將外骨骼機(jī)器人單側(cè)下肢模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖8所示，該外骨骼機(jī)器人采用液壓驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)裝置是單活塞桿液壓缸，其行程為100 mm，最大長(zhǎng)度250 mm。

A—髖關(guān)節(jié)；O—膝關(guān)節(jié)；D—踝關(guān)節(jié)；AI—腰部板；AO—大腿件；DO—小腿件；CD—足部；EF—液壓裝置；θ1—膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度。

髖關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)在空間上采用的是球面副結(jié)構(gòu)，在不考慮設(shè)置的限位裝置情況下，其運(yùn)動(dòng)范圍不受限。膝關(guān)節(jié)采用的是滑塊曲柄機(jī)構(gòu)，OF長(zhǎng)度小于50 mm，OE長(zhǎng)度小于200 mm，在不考慮設(shè)置的限位裝置情況下，其運(yùn)動(dòng)范圍亦不受限。

考慮到實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中設(shè)置的限位裝置的存在，外骨骼機(jī)器人下肢3個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍具體如表1所示[13]，這與人體實(shí)際的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍是高度一致的。

表1 外骨骼機(jī)器人下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍

3 下肢外骨骼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析

3.1 D-H坐標(biāo)系的建立及參數(shù)定義

在下肢外骨骼單側(cè)模型中，有7個(gè)自由度被考慮，其中3個(gè)位于髖關(guān)節(jié)、1個(gè)位于膝關(guān)節(jié)、3個(gè)位于踝關(guān)節(jié)。首先根據(jù)D-H法則定義坐標(biāo)系[14]，坐標(biāo)原點(diǎn)位于腰部板中間，即原點(diǎn)X0Y0Z0。局部坐標(biāo)系如下，髖關(guān)節(jié)：環(huán)形運(yùn)動(dòng)X1Y1Z1，外展—內(nèi)收X2Y2Z2，彎曲—伸展X3Y3Z3；膝關(guān)節(jié)：彎曲—伸展X4Y4Z4；踝關(guān)節(jié)：反向—外翻運(yùn)動(dòng)X5Y5Z5，背屈—砣屈X6Y6Z6，環(huán)形運(yùn)動(dòng)X7Y7Z7。末端執(zhí)行器位于足部底板最尖端X8Y8Z8。

圖9 下肢外骨骼的D-H描述

在確定坐標(biāo)系之后，依據(jù)各部件運(yùn)動(dòng)范圍及尺寸數(shù)據(jù)，得到D-H參數(shù)，下肢外骨骼部段的D-H參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 下肢外骨骼部段的D-H參數(shù)

表中θi是Xi-1圍繞Zi-1旋轉(zhuǎn)到Xi的角度，同時(shí)如果關(guān)節(jié)i旋轉(zhuǎn),θi也是關(guān)節(jié)變量，取決于每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍βi。di是第(i-1)個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)到Zi-1軸和Xi軸交點(diǎn)的距離沿Zi-1軸的長(zhǎng)度。ai是Zi-1軸和Xi軸的交點(diǎn)到第i個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離沿Xi軸的長(zhǎng)度。ai是Zi-1軸圍繞Xi軸旋轉(zhuǎn)到Zi軸的角度。ai和di為外骨骼部段尺寸，為固定值，取決于人類個(gè)體。

3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程建立及正運(yùn)動(dòng)學(xué)解

(1)

式中：DZ(di)和DX(ai)分別為第(i-1)個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)到Zi-1軸和Xi軸交點(diǎn)的距離沿Zi-1軸的向量位置以及Zi-1軸和Xi軸的交點(diǎn)到第i個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離沿Xi軸的向量位置。

最終求得:

(2)

將表2中參數(shù)代入式(2)中可得到各相鄰坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣為

則下肢外骨骼機(jī)器人的機(jī)械腿足部底板末端執(zhí)行器相對(duì)于腰部板中心的變換矩陣為：

(3)

為驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)學(xué)正解方程的正確性，可將初始位置參數(shù)β1=0°、β2=0°、β3=0°、β4=0°、β5=0°、β6=0°、β7=0°、β8=0°代入式中，得到Px=a0+l3、Py=0、Pz=l1+l2。這和人體直立姿態(tài)下外骨骼機(jī)器人的位姿是相同的，說(shuō)明下肢外骨骼的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解是正確的[15]。

正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果表明，外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理可靠，也為后續(xù)根據(jù)末端執(zhí)行器位置確定各關(guān)節(jié)具體運(yùn)動(dòng)情形提供了理論指導(dǎo)，為控制模塊的研究奠定了基礎(chǔ)。

4 下肢外骨骼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

將在SolidWorks軟件中建立的人機(jī)三維模型另存為Parasolid格式導(dǎo)入到運(yùn)動(dòng)學(xué)軟件ADAMS中，并在ADAMS/VIEW環(huán)境中設(shè)置各個(gè)零件的質(zhì)量、材料等屬性參數(shù)[16]。為實(shí)現(xiàn)提高仿真效率、簡(jiǎn)化仿真等目的，可在保證仿真完整性的前提下，盡量減少模型構(gòu)件的個(gè)數(shù)。對(duì)于沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件，可以運(yùn)用布爾加運(yùn)算將其設(shè)置為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)多合一，達(dá)到簡(jiǎn)化目的。

4.1 虛擬樣機(jī)的建立

人機(jī)三維模型(圖10)建立好之后，需要在各個(gè)構(gòu)件之間添加約束，對(duì)于沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件采用固定副，有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件采用轉(zhuǎn)動(dòng)副，有相對(duì)移動(dòng)的構(gòu)件采用移動(dòng)副。下肢外骨骼機(jī)器人單側(cè)設(shè)計(jì)有7個(gè)自由度，為簡(jiǎn)化仿真，將每側(cè)矢狀面上的彎曲/伸展自由度定義為旋轉(zhuǎn)副，其他自由度定義為固定副，即每側(cè)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)矢狀面上各保留1個(gè)自由度(旋轉(zhuǎn)副)。人體仿真模型的約束設(shè)置參照外骨骼設(shè)置方法，使其保持一致。

圖10 人機(jī)三維模型

在知曉各個(gè)關(guān)節(jié)的變化規(guī)律后可對(duì)虛擬模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，在ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)控制方法中，最常用的控制函數(shù)為STEP函數(shù)[17]，STEP(x,x0,h0,x1,h1)為其基本格式。通過(guò)對(duì)髖關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)添加驅(qū)動(dòng)，最終完成人機(jī)模型虛擬樣機(jī)的建立。

4.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果分析

通過(guò)ADAMS/Simulink工具條，設(shè)置仿真時(shí)間End time 為16 s，設(shè)置仿真步長(zhǎng)Steps 為100，即仿真幀數(shù)為100(每隔0.16 s輸出一次仿真結(jié)果)，所得下肢外骨骼機(jī)器人行走圖如圖11所示。

圖11 人機(jī)模型樣機(jī)聯(lián)合行走圖

通過(guò)ADAMS/postprocess處理模塊將數(shù)據(jù)處理后得到人體與外骨骼的大腿、小腿的質(zhì)心位置與速度變化曲線，分別見(jiàn)圖12～15。

由圖12、14可知，人體與下肢外骨骼機(jī)器人聯(lián)合行走過(guò)程中，大小腿質(zhì)心位置變化曲線光滑穩(wěn)定，表明人機(jī)聯(lián)合行走狀態(tài)穩(wěn)定。質(zhì)心位置曲線出現(xiàn)波動(dòng)上升是由于機(jī)器人邁步行走時(shí)質(zhì)心在垂直方向上的上下周期性波動(dòng)，但由于質(zhì)心位移在水平方向上的持續(xù)增大，曲線最終變化趨勢(shì)為持續(xù)上升。人體和機(jī)器人大小腿質(zhì)心位置運(yùn)動(dòng)曲線的變化規(guī)律相同，基本呈現(xiàn)同步變化狀態(tài)，說(shuō)明人機(jī)協(xié)同性良好，機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。圖13、15示出，人體和機(jī)器人大小腿速度變化曲線變化規(guī)律基本相同，曲線動(dòng)態(tài)一致。從曲線斜率看，在行走過(guò)程中存在加速度變化的過(guò)程，這是為了保證機(jī)器人能更穩(wěn)定地行走。

圖12 人機(jī)大腿質(zhì)心位置變化曲線

圖13 人機(jī)大腿速度變化曲線

圖14 人機(jī)小腿質(zhì)心位置變化曲線

圖15 人機(jī)小腿速度變化曲線

仿真結(jié)果表明，人機(jī)聯(lián)合行走過(guò)程中，外骨骼機(jī)器人與人體具有良好的跟隨性，能夠滿足人體行走運(yùn)動(dòng)需求，其運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和分析方法正確且合理，也驗(yàn)證了外骨骼機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)實(shí)物模型的建立起到了指導(dǎo)作用。其次，人機(jī)聯(lián)合行走曲線圖的獲取，也為后續(xù)根據(jù)傳感網(wǎng)絡(luò)獲取的數(shù)據(jù)判斷人機(jī)聯(lián)合行走狀態(tài)提供了思路，為控制模塊研究工作的展開(kāi)奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

為解決剛性外骨骼機(jī)器人靈活性問(wèn)題，從人體下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)制、驅(qū)動(dòng)方式以及性能要求出發(fā)，設(shè)計(jì)了一款基于液壓驅(qū)動(dòng)的下肢外骨骼機(jī)器人機(jī)構(gòu)。對(duì)外骨骼關(guān)鍵關(guān)節(jié)部位進(jìn)行了獨(dú)特的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保證靈活度、輕量化及功能的基礎(chǔ)上，滿足了復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的需求以及不同人群穿戴要求。通過(guò)對(duì)下肢外骨骼機(jī)器人進(jìn)行D-H建模，從理論上分析了外骨骼機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，并為控制模塊的研究提供了理論指導(dǎo)。在SolidWorks環(huán)境下建立人機(jī)三維模型，并導(dǎo)入ADAMS軟件中，對(duì)下肢外骨骼機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，仿真結(jié)果表明外骨骼機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，驗(yàn)證了理論分析的正確性，對(duì)下肢外骨骼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的進(jìn)一步研究具有重要參考價(jià)值，也為控制模塊研究工作的展開(kāi)奠定了基礎(chǔ)。