一種腿輪結(jié)合的助行器設計及仿真

馬 可，李孟員，苑明海，裴自卿

(1.河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022；2.江蘇省特種機器人技術重點實驗室，江蘇 常州 213022)

0 引 言

目前，由于中國逐漸進入老齡化社會，老年性疾病及車禍、扭傷等意外事故而引起的肢體運動性障礙患者明顯增加[1-2]，下肢運動功能出現(xiàn)問題是影響人類正常行走的一個重要因素，受到了越來越多的關注。下肢康復助行器作為一種輔助老年人和殘疾人行走的設備[3]，有著巨大的應用前景，經(jīng)過一段時間的有效康復訓練，它可以為因年邁肌力衰退導致行走功能障礙的老年人提供助力，樹立起獨自行走的信心，改善行走過程中存在的問題[4]。

康復機器人的研究興起于20世紀80年代的英國，1987年Mike Topping公司研制的Handy-1康復機器人最早實現(xiàn)了康復機器人的商業(yè)化[5]。近年來，在國外，Calin Vaida設計了一種機器人系統(tǒng)，可用于在治療的急性期對臥床受限患者的下肢中風后康復[6]；Fereydooni等研究了小波神經(jīng)網(wǎng)絡下肢康復機器人自適應控制中的應用[7]；Werner Christian等評估了患有運動障礙的老年人的智能助行器的坐姿到站姿輔助功能[8]；Zakharov則對虛擬現(xiàn)實與觸覺反饋相結(jié)合的中風影響下肢康復進行了研究[9]。

在國內(nèi)，賈丙琪等在TRIZ的理論基礎上對下肢外骨骼進行了創(chuàng)新設計[10]；肖丹設計了一款適合下肢功能中、輕度障礙人群的步行輔助裝置[11]，用以彌補行動障礙；常鐳民[12]根據(jù)成年人體數(shù)據(jù)對人體腿部模型建模并進行動力學分析，得到了一種與正常人行走角度曲線大致重合的助行器；還有學者提出了機器人姿態(tài)[13]和雙足機器人步態(tài)規(guī)劃方案[14]；黃錦婷提出了一種可穿戴式下肢康復機器人設計方案[15]。

已有的助行器雖各有所長，但仍然存在使用時需反復抬起而造成的費時費力，以及爬坡能力弱、平穩(wěn)性較差等問題。因此，文中擬設計一種腿輪結(jié)合的下肢康復助行器，充分利用腿、輪各自具備的結(jié)構(gòu)及行走優(yōu)勢，克服現(xiàn)有助行器存在的缺陷。

1 助行器的結(jié)構(gòu)設計

下肢康復助行器是為了幫助下肢行動能力差，但上肢功能健全的老年人或殘疾人，使用者可以借助上肢力量站立起來，憑借助行器的動力使其行走能力得到有效的鍛煉。文中設計的助行器，采用前腿后輪的設計思路，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由運動桿件、傳動系統(tǒng)、調(diào)速裝置、支撐桿件、主體框架等五個部分構(gòu)成，其中傳動系統(tǒng)由電動機、減速器、傳動齒輪、傳動軸、同步帶、階梯軸等組成。

1運動桿件 21 電動機 22減速器 23傳動齒輪 24傳動軸 25同步帶 26階梯軸 3調(diào)速裝置 4支撐桿件 5主體框架

支撐桿件由伸縮桿和臂托組成，主要起到支撐人體的作用。調(diào)速裝置采用霍爾調(diào)速握把實現(xiàn)無級調(diào)速。各運動桿件之間通過銷軸、開口銷連接，降低表面磨損，便于拆卸。傳動系統(tǒng)中軸與框架之間都通過滾動軸承連接，減小摩擦。兩軸之間通過同步輪與同步帶連接，使運動過程平穩(wěn)且噪音小。

在主體框架內(nèi)側(cè)設置有傳動系統(tǒng)，考慮到能夠更加容易的控制，將助行器左右兩側(cè)的運動機構(gòu)通過傳動主軸及同步帶輪等部件聯(lián)系到一起，只用一個電機提供輸出，同步帶，將轉(zhuǎn)矩傳遞至主軸，再由主軸將轉(zhuǎn)矩傳遞至兩側(cè)行走部件，在安裝時注意兩側(cè)行走部件的位置關系，利用傳動比精確的特點使兩側(cè)保持恒定的位置關系。

該下肢康復助行器傳動系統(tǒng)的運動結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)運動結(jié)構(gòu)簡圖

依據(jù)公式：

F=3N-2PL-PH

(1)

其中，N為活動構(gòu)件數(shù)，PL為低副數(shù)，PH為高副數(shù)。

代入本機構(gòu)數(shù)據(jù)：

N=5,PL=7,PH=0

計算可得自由度：

F=1

因此，本機構(gòu)只需要一個原動件就可以有確定的運動狀態(tài)，由此可知助行器只需一個電動機作為驅(qū)動原件即可，避免了使用者需要手動反復抬起的繁瑣過程，操作更加簡單方便。

助行器工作時，通過將調(diào)速握把轉(zhuǎn)動不同角度實現(xiàn)電機不同轉(zhuǎn)速，從而帶動主軸轉(zhuǎn)動，主軸通過同步齒形帶帶動兩側(cè)曲柄旋轉(zhuǎn)，于是兩側(cè)的運動部件呈現(xiàn)規(guī)律的周期性運動，行走件底部安裝有腳墊，用以增大與地面的接觸面積，從而增大與地面的摩擦力，在運動時利用與地面的靜摩擦力帶動后輪向前運動，由于腿部桿件有向前邁進的動作，當在不平坦的地面上行走時遇到一定高度的障礙物時可以直接越過。

2 助行器各主要參數(shù)的確定

為使此助行器在使用過程中與人體協(xié)調(diào)一致，需在其正常運動的前提下對各構(gòu)件尺寸進行合理設計。以一般成年人身高為參考，取助行器除扶手部分整個運動機構(gòu)頂部至地面高度范圍為389 mm～439 mm，以達到提供給使用者休息時坐立的最佳狀態(tài)。確定了整體高度之后，結(jié)合該器械的運動特點，確定各桿件長度，結(jié)果如表1所示。

表1 各桿件尺寸數(shù)據(jù)

考慮到助行器主體重量不宜太大，故應當在滿足強度要求的前提下盡量減小材料密度，樣機材料最終選定6061鋁合金，計算可得各桿件質(zhì)量分別為：行走件：1.34 kg；上搖桿：0.11 kg；下?lián)u桿：0.12 kg；側(cè)連桿：0.82 kg；曲柄：0.08 kg。

3 腿部桿件運動分析

在確定了各桿件尺寸及材料后，需要對該助行器的運動狀態(tài)進行分析，一方面通過計算得出其運動的步距，為電機參數(shù)的選擇和速度的設定提供參考；另一方面，計算出該助行器運動過程中起伏狀態(tài)，可以對其運動的平穩(wěn)性做出評估。

在極限位置一：經(jīng)過計算設計出的已知參數(shù)有：

α1+α2=41°

L'=201 mm

β1=31°

β2+β3=124°

以及各桿件長度，如表1所示。

根據(jù)圖3(a)中幾何關系可以得出運動公式。行走件此時刻距離L0最短:

(2)

代入數(shù)據(jù)計算可得：

L0=401.5 mm

在極限位置二：經(jīng)過計算設計出的已知參數(shù)有：

L''=344 mm

(3)

代入數(shù)據(jù)計算可得：

(a)極限位置一

(b)極限位置二

圖4為助行器步距示意圖，結(jié)合圖3中的幾何關系，利用三角函數(shù)計算可得：

圖4 助行器步距示意圖

運動時上下浮動高度為：

確定了兩極限距離為318 mm后，由于運動過程中一側(cè)腿部件運動，另一側(cè)支撐在地面上，故實際步長為636 mm。在運動過程中上下浮動的高度僅為15.7 mm，可以保證平穩(wěn)運行。

4 主要構(gòu)件靜力學仿真分析

該助行器的行走件及框架上的電機支撐板在運動過程中起著關鍵的作用，行走件主要支撐助行器主體以及人體的壓力，電機支撐板跨度大、厚度較小，故這兩處最容易出現(xiàn)變形甚至失效，應當對進行靜力學分析和校核。在Solidworks軟件中，建立構(gòu)件三維模型，設置各尺寸參數(shù)，選擇材料類型，劃分網(wǎng)格，最后得到構(gòu)件應力分布情況。

4.1 行走件模型靜力學分析

行走件模型的應力分布如圖5所示。

圖5 行走件應力分布

經(jīng)有限元仿真分析后可知，最大應力產(chǎn)生的位置位于桿件中部鉸制孔內(nèi)壁表面上，其應力值為22.94 KPa，由于行走件選擇材料為6061鋁合金，其屈服強度為55 MPa。為滿足安全使用要求，取材料安全系數(shù)1.5，則所對應的許用應力為36.7 MPa，可知實際最大應力值仍遠小于許用應力，故此結(jié)構(gòu)滿足強度要求。

4.2 電機支撐板靜力學分析

電機支撐板模型受到的應力如圖6所示。

圖6 電機支撐板應力分布

在電機支撐板兩端與框架結(jié)合處出現(xiàn)最大應力值，最大應力19.0 MPa，同樣，支撐板的材料也是選用6061鋁合金，其許用應力36.7 MPa，最大應力小于許用應力，支撐板強度亦滿足要求。

5 運動仿真分析

由于助行器的使用者是下肢有運動障礙的人士，因此在運動過程中最注重的就是運動的平穩(wěn)性和安全可靠性，與之最直接相關的就是驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，由于助行器僅有一個電機作為驅(qū)動，故需要通過動力學仿真分析確定出最大運動速度以保證使用者的安全，再經(jīng)調(diào)速握把調(diào)整至自身需要的運動速度。

將單個周期時間延長至12 s以進行仿真模擬及數(shù)據(jù)分析。各桿件質(zhì)量分布均勻，幾何中心與質(zhì)心重合，之后根據(jù)在SOLIDWORKS中建立的腿部三維模型，在ADAMS中進行助行器腿部的運動仿真分析。

首先添加重力加速度，然后新建連桿Link1：選擇連桿Link，依據(jù)表1中各桿件尺寸數(shù)據(jù)設置長Length、寬Width、厚Depth的值，接著用同樣的方法，新建連桿Link2、連桿Link3、連桿Link4、連桿Link5，再添加運動副joints1：點擊Connectors中的轉(zhuǎn)動副，選擇機構(gòu)的兩個連桿和一個連接點，同樣建立joints2-joints8，最后，建立驅(qū)動Motions：選擇Motions中的旋轉(zhuǎn)，在Rotational Joint Motion 中設置速度Speed即可。由于腿部活動構(gòu)件運動方式可簡化為圓周運動，所以可將驅(qū)動系統(tǒng)函數(shù)簡化為簡單周期函數(shù)。

對助行器行走部件進行兩個周期的仿真運動，仿真后進行后處理，在行走件質(zhì)心建立Measure，對其質(zhì)心的角速度與角加速度進行測量，以助行器沿水平地面運動的方向為X方向，寬度方向為Y方向，高度方向為Z方向建立空間坐標系。同時在行走件與地面接觸的腿部建立Measure，對X方向與Z方向上的位移進行測量，最后得到在單個周期內(nèi)助行器行走件質(zhì)心的角速度與角加速度圖像和行走件與地面接觸的腿部的X方向和Z方向上的12個時刻測量數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 單個周期內(nèi)行走件著地點與初始位置的距離

根據(jù)結(jié)構(gòu)設計和運動仿真分析結(jié)果，進行了實物模型制作，如圖7所示。為了驗證上述仿真分析結(jié)果的合理性，進行實物實測驗證。

圖7 實物模型

實驗過程中，為了能更加方便地得出仿真與實物的數(shù)據(jù)關系，將一個完整的周期等分為十二個時刻，測量各時刻的位置狀態(tài)，與表2中仿真結(jié)果進行對比，如圖8所示。圖中兩條折線分別表示表2中所列X向和Z向位移，圖中偏差為各個實測值與表2中仿真數(shù)據(jù)偏差值(為表示清楚，圖中偏差值放大5倍顯示)。

圖8 仿真分析與實物測量結(jié)果之差

可以看出，在第7個時刻(即第6 s)，行走件距離初始位置最遠，此時的實物測量數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果偏差最大，為7.2 mm，相對偏差3.9%。在第10個時刻(即第9 s)，行走件抬起的高度最大，約為87 mm，故本助行器具備跨越80 mm高度障礙的能力。此時，在Z方向得出的實物測量結(jié)果與仿真結(jié)果相對偏差最大，為5.7%。實測結(jié)果表明，運動仿真分析結(jié)果誤差不大，具有較高仿真精度。

圖9所示為用ADAMS仿真軟件得到的單周期內(nèi)行走件速度、加速度及位移變化曲線。

圖9(a)為質(zhì)心點的角速度與角加速度圖像，橫坐標為時間，縱坐標為角速度。從圖中可以看出：腿部行走件質(zhì)心角速度在約7.5 s時達到最大值為22.60 deg/s，而腿部行走件質(zhì)心角加速度在約8.1 s時達到最大值，為22.45 deg/s2。此結(jié)果表明，當一側(cè)行走件處于最高位置時，另一側(cè)行走件與地面接觸，此刻運動速度較快，可以以較短的時間通過障礙物。

圖9(b)為行走件分別在X方向與Z方向上的相對測定點位置的距離。根據(jù)仿真測試所得數(shù)據(jù)可以看出：行走部件與地面接觸的腿部沿X方向上運動單個周期的位移約為0.3 m，而沿Z方向上運動單個周期的位移略小于0.1 m，此結(jié)果與上述腿部桿件運動分析結(jié)果一致。由于確定老年人最大行走速度范圍為1.06 m/s～1.28 m/s，根據(jù)仿真結(jié)果得到的步距進行電機參數(shù)的選用，確定選用轉(zhuǎn)速為6 000 rpm的電機，經(jīng)減速比為1∶25的減速機減速輸出后，最大運動速度為1.2 m/s，同時設計采用調(diào)速轉(zhuǎn)把實現(xiàn)老年人對日常生活步行步速不同的需求，所以此行走部件設計滿足設計要求。

(a)單周期內(nèi)行走件質(zhì)心角速度與角加速度曲線

(b)單周期內(nèi)行走件位移曲線

該助行器可以為老年人或腿部有障礙的殘疾人提供支撐和前進的動力，速度可以由使用者自行控制，安全可靠，可以為使用者提供恢復行走能力的信心，為老齡化嚴重的局勢做出貢獻，促進社會和諧。

6 結(jié)束語

設計了一種腿輪結(jié)合的行走式助行器，該助行器結(jié)構(gòu)簡單，利用齒輪和同步齒形帶的精確傳動比省去多電機驅(qū)動的繁瑣，驅(qū)動方便，解決了常見老式助行器依靠人力費時費力的問題。

首先，對助行器總體結(jié)構(gòu)進行了設計，并對其傳動機構(gòu)的自由度進行了計算分析；隨后，確定了機構(gòu)各主要構(gòu)件尺寸，選定材料；進一步，針對機構(gòu)中最重要的腿部桿件進行運動分析，得到了機構(gòu)運動的兩個極限位置；接著利用SOLIDWORKS軟件建立了機構(gòu)模型，對機構(gòu)的重要構(gòu)件進行了靜力學分析與強度校核；最后，使用ADAMS軟件進行機構(gòu)運動仿真，進行實物制作，并將實測結(jié)果與運動仿真結(jié)果進行對比，驗證了所設計機構(gòu)的運動性能。運動仿真與實物測量結(jié)果對比表明，機構(gòu)運動時的速度、加速度、步距等參數(shù)值與理論計算值相比誤差很小，驗證了助行器行走步態(tài)的穩(wěn)定性，證明了所設計的助行器可以輔助下肢行走，達到助行和康復訓練的目的。