基于人機(jī)耦合的下肢外骨骼機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真與樣機(jī)試驗(yàn)

劉建輝，駱祎嵐，白云峰，丁 浩，朱世根

（東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

下肢外骨骼助力機(jī)器人作為一種可穿戴性動(dòng)力裝置，結(jié)合了人體的智慧與機(jī)器的“體力”[1]，外骨骼機(jī)器人在軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要的作用，能夠提高人體肌能完成各類極限活動(dòng)到輔助恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力[2,3]，有著廣泛應(yīng)用前景。

外骨骼助力機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)60年代[4]，主要集中在美國(guó)以及日本，如美國(guó)加州伯克利研制的下肢外骨骼機(jī)器人“BLEEX”、洛克希德·馬丁公司研制的“HULC”，日本筑波大學(xué)研制的“HAL”外骨骼機(jī)器人[5～7]。國(guó)內(nèi)對(duì)于下肢康復(fù)外骨骼研究起步較晚，但也取得了一定的成果，如中科院研發(fā)的康復(fù)下肢外骨骼機(jī)器人[8]，電子科技大學(xué)研發(fā)的下肢助力外骨骼等[9]，此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)等高校也在外骨骼領(lǐng)域開(kāi)展了許多研究[10]。近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，也伴隨著人口老齡化日趨嚴(yán)重的問(wèn)題，給社會(huì)帶來(lái)了嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)[11]，目前國(guó)內(nèi)康復(fù)類外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜且價(jià)格昂貴。

由于國(guó)內(nèi)下肢外骨骼人機(jī)耦合方面的研究并非十分常見(jiàn)，本文針對(duì)下肢殘障人群設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，舒適度高的康復(fù)型下肢外骨骼機(jī)器人，通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式研究人機(jī)耦合過(guò)程中動(dòng)態(tài)受力情況和外骨骼自身結(jié)構(gòu)特性來(lái)提高康復(fù)訓(xùn)練的效果。

1 下肢外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

外骨骼的設(shè)計(jì)需要根據(jù)人體行走方式以及人體骨骼的構(gòu)型進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要滿足不同身高的人群要求且不能影響人正常運(yùn)動(dòng)。因此，外骨骼設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性以及舒適性至關(guān)重要。

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)外骨骼機(jī)器人一共由10個(gè)自由度，每條腿5個(gè)自由度，髖關(guān)節(jié)2個(gè)自由度、膝關(guān)節(jié)1個(gè)自由度、踝關(guān)節(jié)2個(gè)自由度，外骨骼機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 下肢外骨骼結(jié)構(gòu)示意

該下肢外骨骼機(jī)器人由動(dòng)力源、背板架、腰部伸縮裝置、大腿伸縮裝置、小腿伸縮裝置、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)以及大小腿連桿以及各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置組成。背夾板所帶的動(dòng)力源為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力來(lái)源，各關(guān)節(jié)電機(jī)為各個(gè)關(guān)節(jié)提供驅(qū)動(dòng)力，大腿小腿伸縮裝置保證不同身高的人體都能穿戴。

1.2 各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)類似球關(guān)節(jié)，對(duì)于人體平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要，在保證髖關(guān)節(jié)功能的前提下可以簡(jiǎn)化為屈-伸、外展-內(nèi)收兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)。其中屈-伸在行走運(yùn)動(dòng)中起主要作用，因此設(shè)計(jì)一個(gè)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)下肢外骨骼的屈-伸運(yùn)動(dòng)。

關(guān)節(jié)動(dòng)力裝置由電機(jī)與諧波減速器構(gòu)成，并通過(guò)機(jī)械限位裝置限制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度以保護(hù)穿戴者的髖關(guān)節(jié)。擺動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)外展-內(nèi)收運(yùn)動(dòng)。外展-內(nèi)收主要起輔助作用，因此不添加主動(dòng)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)髖關(guān)節(jié)詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意

1.2.2 膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

膝關(guān)節(jié)簡(jiǎn)化后可以看做一個(gè)單軸關(guān)節(jié)，形狀類似于機(jī)械上的轉(zhuǎn)動(dòng)副，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。下肢外骨骼機(jī)器人膝關(guān)節(jié)主要運(yùn)動(dòng)為屈-伸運(yùn)動(dòng)，內(nèi)旋-外旋動(dòng)作比較微小，可以忽略不記，因此使用主動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副來(lái)實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的屈-伸運(yùn)動(dòng)。機(jī)械限位裝置與髖關(guān)節(jié)相似，通過(guò)限制膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，對(duì)穿戴者起保護(hù)作用。

圖3 膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意

1.2.3 踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

踝關(guān)節(jié)功能結(jié)構(gòu)同髖關(guān)節(jié)相似，也為球關(guān)節(jié)，由于踝關(guān)節(jié)內(nèi)旋-外旋動(dòng)作運(yùn)動(dòng)范圍微小，故只設(shè)置2個(gè)自由度，且均為被動(dòng)自由度，結(jié)構(gòu)如圖4所示。步行過(guò)程中，主要由屈伸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)跖屈-背屈運(yùn)動(dòng)，內(nèi)外翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過(guò)踝關(guān)節(jié)連接件實(shí)現(xiàn)內(nèi)翻-外翻運(yùn)動(dòng)，踝關(guān)節(jié)連接件在實(shí)現(xiàn)內(nèi)外翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)需承受較大沖擊力，因此在設(shè)計(jì)中，對(duì)連接件完成加厚處理。

圖4 踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意

1.2.4 人-外骨骼固定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了保證穿戴者的舒適性，設(shè)計(jì)一款新型可調(diào)節(jié)鎖扣綁帶結(jié)構(gòu)，如圖5所示。綁帶通過(guò)固定裝置與腿部連桿相連接，確保工作時(shí)不產(chǎn)生滑移與偏轉(zhuǎn)。因不同人群腿圍不同，在綁帶中心處設(shè)計(jì)了一種伸縮調(diào)節(jié)鎖扣以滿足不同穿戴者需要。由于人體在行走時(shí)腿部肌肉會(huì)產(chǎn)生一定張力，本設(shè)計(jì)對(duì)綁帶內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)多層波紋形狀的柔性防滑涂層，保護(hù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各關(guān)節(jié)不因大劇烈動(dòng)作而受損傷。

圖5 綁帶結(jié)構(gòu)示意

2 外骨骼機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真

2.1 仿真模型的建立

首先利用SolidWorks軟件建立了三維模型，并同時(shí)構(gòu)建人體模型，將人與外骨骼模型裝配好導(dǎo)入ADAMS中，完成人機(jī)模型虛擬樣機(jī)的建立。

在ADAMS軟件中對(duì)導(dǎo)入的虛擬樣機(jī)的每個(gè)零件按照外骨骼實(shí)際設(shè)計(jì)材料的屬性進(jìn)行編輯定義，并設(shè)置重力的方向，基本設(shè)置完成后，下肢外骨骼的人機(jī)耦合虛擬樣機(jī)模型如圖6所示。

圖6 外骨骼機(jī)器人ADAMS模型

2.2 仿真條件與約束的設(shè)置

由于本文中的虛擬樣機(jī)采用外骨骼帶動(dòng)人的運(yùn)動(dòng)方式，具體約束如表1所示，表1為單腿約束表，所以在人體上建立6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，分別為左右大腿的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)各1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，人體的腳與外骨骼足底板簡(jiǎn)化為固定副連接，外骨骼各個(gè)關(guān)節(jié)也分別建立1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，外骨骼機(jī)器人一共6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，人的大腿和外骨骼的大腿連接是通過(guò)綁帶接觸。整個(gè)工作過(guò)程是外骨骼動(dòng)力源給各關(guān)節(jié)提供動(dòng)力，各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)同綁帶帶動(dòng)人體肢體的運(yùn)動(dòng)。

表1 下肢外骨骼約束

完成仿真約束的設(shè)置接下來(lái)需要設(shè)置添加仿真驅(qū)動(dòng)和參數(shù)，通過(guò)模擬外骨骼帶動(dòng)人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，為各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)設(shè)置的參數(shù)如表2所示。

表2 各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)函數(shù)

完成仿真約束與驅(qū)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置，開(kāi)始仿真，通過(guò)ADAMS后處理模塊可以得到外骨 各個(gè)關(guān)節(jié)的力矩以及人機(jī)接觸力等。

2.3 仿真結(jié)果分析

2.3.1 各關(guān)節(jié)力矩分析

圖7為下肢外骨骼右腿髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)，踝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)力矩曲線，joint-6，joint-5，joint-11分別為髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的力矩曲線，髖關(guān)節(jié)的最大力矩為24N·m，膝關(guān)節(jié)的最大力矩為20N·m，踝關(guān)節(jié)最大力矩為4N·m，力矩在1秒處發(fā)生了較大的變化，是由于在仿真的時(shí)候Step函數(shù)會(huì)導(dǎo)致力矩發(fā)生較大的變化。在1s～2s處，該階段為腿的擺動(dòng)狀態(tài)，該階段內(nèi)力矩變化平穩(wěn)。

圖7 關(guān)節(jié)力矩曲線

2.3.2 人-外骨骼協(xié)同性分析

人與外骨骼行走的步態(tài)圖如圖8所示，觀察人與外骨骼的行走的步態(tài)圖可以看出，外骨骼帶動(dòng)人行走的步態(tài)平穩(wěn)，沒(méi)有發(fā)生滑倒、偏移等現(xiàn)象。

圖8 人機(jī)模型樣機(jī)聯(lián)合行走圖

為了進(jìn)一步分析人機(jī)耦合過(guò)程中，人與外骨骼跟隨性，通過(guò)仿真得到人隨著外骨骼運(yùn)動(dòng)的大腿和小腿質(zhì)心的變化曲線圖，如圖9所示。

圖9 人體和外骨骼左右大腿質(zhì)心速度變化曲線

由圖9可知，人和外骨骼左右大腿的質(zhì)心曲線99%都是重合的，在質(zhì)心達(dá)到單個(gè)步態(tài)的最高點(diǎn)時(shí)，即人體抬腿到最高處，此時(shí)有1%的偏差；同理圖10中，小腿質(zhì)心曲線與外骨骼質(zhì)心曲線的重合度較大腿稍低一點(diǎn)。由此可知，人體與外骨骼人機(jī)協(xié)同性能非常好，能夠保證外骨骼與人體行走時(shí)各關(guān)節(jié)的同步性。

圖10 人體和外骨骼左右小腿質(zhì)心速度變化曲線

2.3.3 人-外骨骼的接觸力分析

外骨骼與人的接觸力影響著人行走時(shí)的舒適度以及人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，大腿與綁帶接觸力和小腿綁帶接觸力如圖11所示。

圖11 大腿綁帶接觸力

圖11為大腿綁帶接觸力與小腿綁帶接觸力，由圖contact_5和contact_6分別表示的大腿與小腿與綁帶接觸力可知，大腿綁帶接觸力大小范圍為0N～3.8N，小腿綁帶接觸力大小范圍為0N～0.7N，驅(qū)動(dòng)大腿所需要的力比小腿要大4～5倍，符合正常人體運(yùn)動(dòng)情況，在圖中3s左右處，接觸力達(dá)到最大值，此處為大腿處到達(dá)最高點(diǎn)，在此處，出現(xiàn)了力矩輕微的波動(dòng)，是由于在行走過(guò)程中，此時(shí)綁帶與人體有一定的滑移，屬于正?，F(xiàn)象，整個(gè)行走過(guò)程中，力矩沒(méi)有出現(xiàn)突變，表明外骨骼帶動(dòng)人的過(guò)程安全平穩(wěn)。

圖12為人在行走過(guò)程中的足底與足底板的接觸力，該圖很好的反應(yīng)了人-外骨骼行走的步態(tài)，接觸為0的地方表示，該腳處于擺動(dòng)相的位置，為最大值表示為支撐相，左右腿支撐相和擺動(dòng)相占比為1:1，且整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，力矩變化規(guī)律，說(shuō)明人體行走的速度較為均衡，且穩(wěn)定。

圖12 足底接觸力

通過(guò)以上動(dòng)力學(xué)仿真分析，可以得出該下肢外骨骼機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠滿足基本的康復(fù)訓(xùn)練要求，但是仍然存在以下缺陷：外骨骼的結(jié)構(gòu)與人體的模型全為剛性結(jié)構(gòu)，在正常情況下人體有著彈性和緩沖性，后續(xù)可以進(jìn)一步對(duì)人體進(jìn)行柔性化處理。

3 下肢外骨骼樣機(jī)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c方法

為了研究下肢外骨骼機(jī)器人人機(jī)耦合的特性，研制了下肢外骨骼機(jī)器人物理樣機(jī)，進(jìn)行了人-外骨骼平地行走試驗(yàn)分析，圖13為人-外骨骼試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

圖13 人-外骨骼試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

根據(jù)仿真規(guī)劃的步態(tài)進(jìn)行人-外骨骼的平地行走試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中行走姿態(tài)圖如下圖14所示，在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)MPU6050姿態(tài)傳感器與力傳感器采集人-外骨骼膝關(guān)節(jié)的角度變化曲線圖，以及人-外骨骼大腿接觸力曲線變化圖。

圖14 人-外骨骼平地行走姿態(tài)圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

1）人-外骨骼行走過(guò)程中關(guān)節(jié)角速度分析

圖15為人-外骨骼平地行走試驗(yàn)中人體與外骨骼的膝關(guān)節(jié)角度變化曲線圖，圖中灰色和紅色曲線分別表示人體和外骨骼膝關(guān)節(jié)變化曲線。

圖15 外骨骼與人體膝關(guān)節(jié)角度對(duì)比

從該曲線可知，人的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)較外骨骼相對(duì)滯后，這是由于外骨骼在帶動(dòng)人運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，存在有一定的響應(yīng)時(shí)間；在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，人體和外骨骼關(guān)節(jié)曲線光滑，證明人-外骨骼的協(xié)同運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性能較好，人與外骨骼的運(yùn)動(dòng)能保持95%的同步性。

2）人-外骨骼大腿接觸力分析

圖16為試驗(yàn)過(guò)程中右肢大腿與外骨骼接觸力曲線圖。

圖16 右肢大腿與外骨骼接觸力曲線

圖16曲線為試驗(yàn)過(guò)程接觸力曲線圖，人體與外骨骼最大接觸力為5N，接觸力在右肢抬到最高點(diǎn)或者與大地接觸的時(shí)候，力的一階導(dǎo)數(shù)稍大，這是由于在人腿在抬到最高點(diǎn)時(shí)候，或者接觸大地時(shí)候，大地和外骨骼施加了反向力，在單個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，人與外骨骼的接觸力無(wú)較大的沖擊，表明整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，人運(yùn)動(dòng)的舒適性較高。

對(duì)比圖中試驗(yàn)與仿真的數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定的偏差，其中的偏差主要原因可能由于物理樣機(jī)加工與裝配的精度與試驗(yàn)測(cè)量的精度導(dǎo)致的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款10自由度下肢外骨骼機(jī)器人，采用ADAMS仿真軟件完成了人-外骨骼行走的動(dòng)力學(xué)仿真分析，并對(duì)所設(shè)計(jì)的外骨骼機(jī)器人進(jìn)行了樣機(jī)的試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1）該下肢外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案可行，人-外骨骼運(yùn)動(dòng)合理。

2）通過(guò)ADAMS仿真分析和樣機(jī)試驗(yàn)，觀察人-外骨骼在進(jìn)行協(xié)同運(yùn)動(dòng)時(shí)步態(tài)和試驗(yàn)曲線結(jié)果，表明人-外骨骼能夠穩(wěn)定的協(xié)同運(yùn)動(dòng)性，且人-外骨骼運(yùn)動(dòng)過(guò)程中舒適性較高，若控制物理樣機(jī)的加工精度，該人-外骨骼模型具有更高的人機(jī)跟隨性。