柔性外骨骼機(jī)器人技術(shù)研究

吳嘉鑫 韓亞麗 柯澤陽 朱熹微 石微微 孫文澤 吳楓

關(guān)鍵詞：可穿戴式;氣動肌肉;柔性;腰部助力

0引言

當(dāng)今社會，人口老齡化問題日益嚴(yán)重。近20年來，我國老年人口撫養(yǎng)比急速上升，由2000年的9.9%，很快增長到了2018年的13.7%。根據(jù)20世紀(jì)六十年代人口老齡化確定的劃分標(biāo)準(zhǔn)，我國已經(jīng)進(jìn)入到了老齡化階段。老齡化產(chǎn)業(yè)，尤其是福利機(jī)械用品方面，必然獲得良好的發(fā)展前景。

據(jù)此，研究智能養(yǎng)老及福利機(jī)械用品，特別是針對行動不便的老人研究服務(wù)型機(jī)構(gòu)意義重大。據(jù)了解，護(hù)工們普遍反映，在照顧老人的過程中，一些生活基礎(chǔ)的動作，如翻身、移動幫助站立都會對護(hù)工們造成極大的體力負(fù)擔(dān)。針對上述問題，著重研究可支援看護(hù)現(xiàn)場，應(yīng)用于日常生活的穿戴式助力機(jī)器人，使得老年患者能夠獨(dú)自完成一些基本動作，減輕護(hù)工的工作負(fù)擔(dān)。穿戴式助力機(jī)器人，可針對在老年群體中常見的因肢體偏癱所導(dǎo)致的生活無法自理現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在難以獨(dú)自完成坐起、站起這樣的生活基本動作。而穿戴式助力機(jī)器人可通過腰部助力的方式來彌補(bǔ)老年患者的肌力差，使其獨(dú)自完成起坐動作。

本機(jī)構(gòu)采用了彈性材料作為驅(qū)動型裝置，利用氣壓驅(qū)動的輕柔性并且輸出力大、穿戴方便等特點(diǎn)對使用者腰部動作進(jìn)行助力，通過氣泵充氣然后利用彈性材料再拉伸來存儲壓縮力量，在人體恢復(fù)伸展過程中回饋提供助力。本文設(shè)計(jì)了關(guān)于柔性氣壓驅(qū)動器的可穿戴腰部助力機(jī)構(gòu)，外骨骼機(jī)器人應(yīng)用于老年病患者日常生活中的躺到坐、坐到直立等運(yùn)動。

1項(xiàng)目研究分析

1.1人體腰部在不同運(yùn)動模式下的運(yùn)動功能需求分析

進(jìn)行腰部在不同運(yùn)動模式下的人體運(yùn)動力學(xué)分析，例如躺到坐、坐到起等運(yùn)動模式，獲得腰部運(yùn)動變化過程中腰部角度變化、背部主要肌肉群的受力變化等，給腰部助力外骨骼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1.2以氣動肌肉為動力腰部助力外骨骼機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

進(jìn)行腰部助力外骨骼機(jī)器人中所需的氣動肌肉選型;進(jìn)行腰部外骨骼機(jī)器人機(jī)構(gòu)中的彈簧元件選型設(shè)計(jì);進(jìn)行氣動肌肉及彈性元件的布置設(shè)計(jì)，并進(jìn)行腰部機(jī)構(gòu)的寬度可調(diào)設(shè)計(jì)研究。

1.3腰部助力外骨骼機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)研究

進(jìn)行腰部助力外骨骼樣機(jī)的研制，通過腰部助力外骨骼的運(yùn)動實(shí)驗(yàn)研究，研究腰部助力外骨骼樣機(jī)對穿戴者運(yùn)動的響應(yīng)能力及助力的影響效果。

2腰部助力外骨骼機(jī)構(gòu)

2.1機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于可穿戴式外骨骼柔性助力的特點(diǎn)，使用者容易穿戴在人體上并且輕便，機(jī)構(gòu)在使用者躺著時(shí)提供腰部助力和拉力幫助其坐好，再由坐姿到站立時(shí)提供助力。圖1所示為腰部助力外骨骼機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。腰部助力機(jī)構(gòu)的動力來源是由2種氣壓驅(qū)動器所組成，其中腰部腿部護(hù)具為基礎(chǔ)，驅(qū)動器由伸長型氣動人工肌肉組成，主要輸出收縮力達(dá)到助力效果，氣動肌肉提供的拉力在背部腰部腿部側(cè)，其兩端分別固定在背部腰部、臀部和腿部;還有腰部固定裝置、腿部護(hù)具和臀部連接物件以及背部彈力帶。去氣泵需穿戴的整個(gè)裝置質(zhì)量約為3kg。

2.2氣動肌肉

作為主要動力裝置的氣動人工肌肉，能以很小的重量提供很大的力量，氣動肌肉有達(dá)到推拉極限時(shí)自動制動的特點(diǎn)，可以有效避免突破預(yù)定的范圍，同時(shí)基于氣壓驅(qū)動器人機(jī)交互比較安全的特點(diǎn)，所以很適合作為穿戴類柔性氣壓的驅(qū)動器。

氣動人工肌肉結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主要是通過氣泵進(jìn)行充氣的條件來實(shí)現(xiàn)各個(gè)部所需要的助力。此氣動肌肉由內(nèi)管、外套和兩端部連接頭所組成，本實(shí)驗(yàn)所用的橡膠管外徑約為16mm，內(nèi)徑約14mm，厚度差2mm，自然狀態(tài)下外網(wǎng)外徑（不考慮內(nèi)徑）約為25mm，充氣作用下外編織網(wǎng)外徑會膨脹至35mm。內(nèi)管的直徑和長度根據(jù)用途來決定，其主要任務(wù)是接受氣泵充氣后膨脹產(chǎn)生彈性變形，同時(shí)儲存彈性勢能。為了具有優(yōu)良的彈性內(nèi)管材料，通常選用氣密性硅橡膠管。外網(wǎng)套的作用是傳遞收縮力，同時(shí)限制內(nèi)管的變形，所以選用柔性且具有高強(qiáng)度纖維編織網(wǎng)作為材料。通常外網(wǎng)套的長度是根據(jù)內(nèi)管長度來決定，要長于橡膠管，留有連接頭的空間。在肌肉兩端，連接頭的主要作用是把外網(wǎng)套與內(nèi)管固定起來，封住內(nèi)管的其中一端，同時(shí)向另一端提供充氣孔。一旦氣泵通人壓縮空氣后，保障內(nèi)管可以彈性變形儲存彈性勢能，同時(shí)帶動外網(wǎng)套收縮變形，從而產(chǎn)生助力。原理是由外部提供的壓縮空氣驅(qū)動，過程像是在作推拉動作，就像人體的肌肉運(yùn)動。肌肉隨著供給氣壓增大，收縮的長度越大。表現(xiàn)在通入壓縮空氣實(shí)現(xiàn)充氣氣壓變大，然后膨脹，外網(wǎng)主動收縮，從而帶動肌肉助力，收縮率高，這與人體生物肌肉模型特性極為相似，很適合柔性助力研究。在此實(shí)驗(yàn)用到的氣動人工肌肉，在無外力作用時(shí)自然長度為330mm，氣泵作用下供給氣壓為500kPa，長度最大變化量L=190mm，實(shí)現(xiàn)充氣氣壓變大，然后膨脹實(shí)現(xiàn)主動收縮，從而帶動肌肉助力，長度收縮率La/（L0+La）=190mm/520mm=36.5%。

通過使用測力儀器，研究分析在變化的供給氣壓力下，人工氣動肌肉的輸出助力與壓縮位移的關(guān)系，其產(chǎn)生助力的彈性系數(shù)K，充氣氣壓力p，提供助力F和肌肉長度變化量La之間的關(guān)系如下式所示：

充氣使內(nèi)管膨脹，內(nèi)部氣體壓強(qiáng)變大，不同的氣動壓力對應(yīng)不同斜率曲線，可以將氣動人工肌肉類比于彈簧，將斜率看作變彈性系數(shù)。彈簧長度越長，對應(yīng)系統(tǒng)的彈性勢能越大，因而彈性勢能所轉(zhuǎn)換的輸出力就越大。容易分析出助力機(jī)構(gòu)輸出力會跟著壓力的變大而增大。

2.3助力輸出機(jī)理

本助力裝置主要是通過2個(gè)過程幫助人體達(dá)到從躺姿到站立的效果。在第一個(gè)從躺到坐的過程中需人體有要坐起來的身體幅度，此時(shí)由腰部連接到腿部的氣動肌肉收縮開始工作，產(chǎn)生如圖3所示的效果圖，幫助人體達(dá)到坐姿。

如圖4所示，從各個(gè)過程分析，經(jīng)過第一部分，助力人體可以過渡到站立的第二過程。此時(shí)腿部發(fā)力，臀部的氣囊工作，提供一個(gè)向上的助力可以幫助人體開始進(jìn)入第三過程，同時(shí)氣動肌肉開始工作，腿部產(chǎn)生一個(gè)拉向臀部的力，同時(shí)幫助臀部前傾;還有背部氣動肌肉開始工作，在腰部產(chǎn)生一個(gè)向上的力，如圖5所示，同時(shí)彈力帶開始工作，防止身體過于前傾。

從人體肌肉做功上分析助力的效果，與沒有穿戴助力膝關(guān)節(jié)裝置時(shí)相比，人體肌肉做功變少，肌肉的損耗也小。綜上，可以幫助使用者站立。

3仿真及實(shí)驗(yàn)

研究氣動肌肉的助力效果，通過使用相關(guān)的測力儀器，分析在變化的供給氣壓力下人工氣動肌肉的輸出助力與壓縮位移特性曲線如圖6所示。可以看出在工作初始狀態(tài)p=500kPa時(shí)開始，使用者通過起身前傾，同時(shí)氣動肌肉工作到達(dá)飽和狀態(tài)，每根人工肌肉平均輸出達(dá)20N，整個(gè)由6根氣動肌肉組成的系統(tǒng)輸出達(dá)到120N，從而實(shí)現(xiàn)提供使用者起身時(shí)的助力。當(dāng)需要恢復(fù)人體站立姿態(tài)時(shí)，提供充足供給壓力，單根的肌肉輸出力最大為60N，理論上整個(gè)系統(tǒng)輸出力可達(dá)到360N左右。

分析氣動助力實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的研究，分析包括機(jī)構(gòu)承受質(zhì)量的大小和提供力大小以及自由度的數(shù)目。整個(gè)實(shí)驗(yàn)要求助力裝置在理想工作狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，整個(gè)機(jī)構(gòu)大體分為2個(gè)重要組成部分，分別是腰部和背部，腰部回轉(zhuǎn)、臀部、腿部關(guān)節(jié)末端位置確定，相關(guān)連接部位的調(diào)整。通過實(shí)驗(yàn)測試、氣動助力裝置測試和驗(yàn)證助力實(shí)驗(yàn)設(shè)備的相關(guān)工作情況來看，可以產(chǎn)生助力效果。

在實(shí)驗(yàn)過程中，氣泵工作帶動氣動肌肉收縮可以為達(dá)到預(yù)期效果提供一個(gè)助力，幫助人體達(dá)到坐立的姿態(tài)。

4結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)一種針對老年人日常生活助力腰部外骨骼機(jī)器人，通過對以人工氣動肌肉為主要動力的腰部助力外骨骼機(jī)器人相關(guān)的柔性可穿戴式機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究，驗(yàn)證了對比于傳統(tǒng)使用金屬的氣動人工肌肉，該柔性氣壓驅(qū)動器具有更高的收縮比，而且同時(shí)有相似生物肌肉的輸出力特性，適合穿戴應(yīng)用的柔性驅(qū)動要求，針對各個(gè)運(yùn)動助力仿真過程，機(jī)構(gòu)有助力功能，達(dá)到了輔助起身的效果。