穿戴式下肢外骨骼機器人的結(jié)構(gòu)設計與研究

【關(guān)鍵詞】外骨骼機器人；運動學分析；結(jié)構(gòu)設計；仿真

前言

隨社會發(fā)展和生活水平提升，我國下肢運動功能障礙人數(shù)因人口老齡化及意外傷害等問題而攀升，嚴重影響日常生活與工作。外骨骼助行機器人的出現(xiàn)，為解決此問題提供了新的思路。下肢外骨骼機器人是一種新興的輔助設備，近年來，通過優(yōu)化機器人的機械結(jié)構(gòu)和材料、改進控制算法和設計人性化的交互界面等方式，下肢外骨骼機器人的穩(wěn)定性、舒適性、自適應步態(tài)和智能控制等性能都得到顯著提高[1]。雖然目前國內(nèi)下肢外骨骼機器人技術(shù)發(fā)展迅猛，但與國外相比仍存在一定差距，尤其是在控制算法、傳感器精度和可穿戴舒適性等方面[2]。筆者基于傳統(tǒng)下肢外骨骼機器人的設計方案進一步考慮了仿生學結(jié)構(gòu)與動力學理論分析，以優(yōu)化外骨骼機器人的設計方案，針對傳統(tǒng)外骨骼機器人在靈活性和行走能耗方面的不足、人機適配性差以及安全隱患問題對外骨骼機器人的整體結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計。

一、下肢外骨骼機器人的總體結(jié)構(gòu)設計及分析

（一）人體下肢尺寸以及解剖學分析

從人體解剖學角度，外骨骼機器人的尺寸應與使用者的身體結(jié)構(gòu)相匹配，以確保機器人穿戴舒適，并且關(guān)節(jié)和支撐部件能夠正確對應人體骨骼和肌肉。下肢外骨骼機器人尺寸設計的依據(jù)主要基于以下幾個因素：人機工程學、人體解剖學和運動學原理。人機工程學考慮了人機交互的方面，外骨骼的尺寸應便于使用者穿戴和操作，且不影響其日?；顒?。運動學原理涉及外骨骼的運動范圍和關(guān)節(jié)的自由度，因此機器人的尺寸設計需要考慮人體正常運動的范圍和關(guān)節(jié)的生理限制。參考國家標準GB/T1000-1998《中國成年人人體尺寸》，進行了成年人身材數(shù)據(jù)的收集與分析，以此為基礎設計外骨骼機器人。如表1和表2所示。

人體下肢通過骨骼、骨骼連結(jié)和附著在骨和骨骼連結(jié)周圍的肌肉協(xié)同運動，形成了下肢的運動能力[3-4]。髖關(guān)節(jié)起支撐身體重量并提供下肢活動能力的作用，膝關(guān)節(jié)在承載重量的同時完成腿部的彎曲、伸展和各種動作，踝關(guān)節(jié)通過踝關(guān)節(jié)的背屈、跖屈、內(nèi)翻和外翻運動實現(xiàn)腳與地面的銜接[5]。為了進一步了解各關(guān)節(jié)運動范圍，我們查閱了醫(yī)學相關(guān)資料，并將下肢各關(guān)節(jié)的運動范圍整理，如表3所示。

（二）下肢外骨骼機器人主體結(jié)構(gòu)設計

1.髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設計

髖關(guān)節(jié)具有三個對人體平穩(wěn)運動很重要的自由度，在人體運動時，髖關(guān)節(jié)的三個自由度會交匯于一點[6]，故自由度布局應避免與人體自身關(guān)節(jié)布局相同造成機器人結(jié)構(gòu)臃腫，質(zhì)量過大。為達到簡化關(guān)節(jié)設計目的，本文采用兩個自由度相串聯(lián)的方式來模擬人體髖關(guān)節(jié)的運動功能。同時增加多鉸鏈結(jié)構(gòu)防止外骨骼機器人的膝關(guān)節(jié)與人體自身的膝關(guān)節(jié)在運動時產(chǎn)生偏移。此外，在自由度處添加伺服電機作為動力源，幫助穿戴者達到行走目的的同時降低穿戴者在行走過程中的能耗。由于穿戴者身型不同對于腰部曲率的影響[7]，為更好地貼合穿戴者，本文將下肢外骨骼機器人的髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋/外旋自由度與腰部旋轉(zhuǎn)軸運動相配合運動，以提高髖關(guān)節(jié)內(nèi)外旋轉(zhuǎn)軸的運動靈活性和“擬人化”設計要求，如圖1所示。

2.膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設計

人體膝關(guān)節(jié)是典型的滑車關(guān)節(jié)，起到承重和一定的減震緩沖作用[8]。將人體的膝關(guān)節(jié)看作一個簡單的鉸鏈關(guān)節(jié)，通過上文的描述可知，在關(guān)節(jié)屈曲運動時，脛骨上端和股骨下端互相靠攏且角度變小，而在伸展運動時又會互相分離且角度變大，所以膝關(guān)節(jié)水平方向上的瞬時旋轉(zhuǎn)中心是一直在改變的。因此，在設計過程中摒棄傳統(tǒng)單純依賴旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的方法，以避免外骨骼機器人膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動中心與穿戴者膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)接觸點出現(xiàn)偏移，從而確保穿戴的舒適性，該設計采用轉(zhuǎn)向限位伸縮機構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

通過增設機械限位裝置，能夠有效限制運動范圍，從而對穿戴者的膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生一定的保護作用。在增大膝關(guān)節(jié)活動幅度的同時，該裝置也提升了下肢外骨骼機器人的舒適性和安全性能。

3.踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設計

踝關(guān)節(jié)的行為方式類似于球關(guān)節(jié)，從生理學方面考慮到踝關(guān)節(jié)的運動形式較為復雜多變[9]，針對踝關(guān)節(jié)處主要的背屈/跖屈和外翻/內(nèi)翻運動的3個自由度，本文在設計踝關(guān)節(jié)時采用球面復結(jié)構(gòu)，將外骨骼機器人的底座與腳底板通過螺栓相連接，對整個外骨骼機器人起支撐作用，并在小腿桿與底座處安裝平衡桿增加機器平衡性?？紤]到靈活性與安全性，在每個自由度處添加相應阻尼以及限位機構(gòu)來調(diào)整關(guān)節(jié)靈活度，保護穿戴者免受外骨骼機器人因運動角度偏移而給人體帶來的傷害，進一步提高外骨骼機器人的跟隨性和靈活性，如圖3所示。

（三）下肢外骨骼機器人總體結(jié)構(gòu)設計

該裝置由兩條機械腿組成，它們通過腰部固定裝置相連，主要支撐部分選用輕巧堅固的鈦鎂合金，下肢貼合部分選用透氣材質(zhì)面料。整體設計采用開放式穿戴，緊固部分采用高強度的魔術(shù)粘扣，穿戴者可根據(jù)個人需要調(diào)整裝置松緊程度。此外，根據(jù)人機工程學原理[10]在膝關(guān)節(jié)處設置了調(diào)節(jié)卡盤，調(diào)節(jié)刻度盤采用耐用的ABS工程塑料，刻度數(shù)字凸顯清晰，便于調(diào)節(jié)，如圖4所示。

二、下肢外骨骼機器人運動學分析

（一）下肢外骨骼機器人運動學理論分析

運動學研究機器人的運動，包括速度、加速度和位置等方面的變化。使用D-H法建立下肢外骨骼機器人的運動學方程。為描述機器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動關(guān)系，采用四個參數(shù)：連桿長度a、偏移d、旋轉(zhuǎn)角度θ和角度偏移α。并基于此建立下肢外骨骼機器人運動學方程，并設計一款由三關(guān)節(jié)（關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)2、關(guān)節(jié)3）連接而成的下肢外骨骼機器人。對此采用右手坐標系來定義機器人的三個坐標系，其中坐標系1、坐標系2和坐標系3分別與關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3對齊。接著分析連桿長度a和偏移d，設關(guān)節(jié)1、2、3及腳底間連桿長度分別為a1、a2、a3，偏移均為0。再分析關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度（θ）和旋轉(zhuǎn)角度偏移（α），設關(guān)節(jié)1、2、3旋轉(zhuǎn)角度分別為θ1、θ2、θ3，旋轉(zhuǎn)角度偏移均為0。

建立一個D-H表格。表格的每一行代表一個關(guān)節(jié)，列代表參數(shù)a、d、α和θ。D-H參數(shù)如表4所示。

根據(jù)D-H表格中的參數(shù)，建立每個關(guān)節(jié)之間的變換矩陣。變換矩陣的計算公式如下：

設計的下肢外骨骼機器人中，由于三個關(guān)節(jié)在側(cè)面運動且中心軸線相互平行，因此連桿的偏移dn和旋轉(zhuǎn)角度偏移αn均為0。我們可以得到建立的坐標系n到n+1的位姿變換矩陣nTn+1。其中，連桿的偏移dn是沿Z軸，從Xn-1移動到Xn的距離，旋轉(zhuǎn)角度偏移αn表示繞Xn軸，從Zn旋轉(zhuǎn)到Zn-1的角度?？傻米儞Q矩陣：

其中，Rot表示繞軸旋轉(zhuǎn)的變換矩陣，Trans表示平移的變換矩陣，z和x表示坐標軸。

正運動學方程可以表示為

定義T01為連桿1的變換矩陣，T12為連桿2的變換矩陣，T23為連桿3的變換矩陣。

（二）下肢外骨骼機器人運動學仿真分析

在進行建模前充分考量外骨骼骨架結(jié)構(gòu)的性能對整體機器結(jié)構(gòu)負荷的影響，以及在行走上下坡時，外骨骼會受到各種力和振動這些因素后。我們運用SolidWorks軟件進行了三維模型和外骨骼模型的創(chuàng)作，并將其成功地引入ADAMS，從而完成了人機模型虛擬樣機的構(gòu)建，在ADAMS中，我們將對每個部件進行編輯定義，設定仿真時間為16秒，仿真步長為100，總仿真幀數(shù)為100。模型設計如圖5及圖6所示。

采用ADAMS處理模塊對數(shù)據(jù)進行處理，得出人體與外骨骼大腿位置和速度變化的曲線，如圖7及圖8所示。

仿真結(jié)果表明，該外骨骼機器人能夠很好地跟隨人體的運動需求，驗證了運動學建模和分析方法的正確性和合理性，并為后續(xù)建立實際物理模型起到一定指導作用。這個仿真結(jié)果為我們研究人機聯(lián)合行走提供了非常重要的參考，也為設計更加高效的外骨骼機器人提供了非常好的啟示。

總結(jié)

本文基于人體下肢特性設計了一款涵蓋關(guān)節(jié)自由度、可調(diào)范圍及限位裝置等關(guān)鍵要素的穿戴式下肢外骨骼機器人。針對髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，結(jié)合人體關(guān)節(jié)特點和研究設定的自由度及活動范圍進行了詳細設計，并采用了伺服電動機驅(qū)動。同時利用D-H模型建立法構(gòu)建了外骨骼機器人下肢的運動學模型，通過設定關(guān)節(jié)參數(shù)并建立變換矩陣，進行正運動學分析。并利用SolidWorks進行運動學仿真獲取人體與外骨骼大腿的質(zhì)心位置與速度變化曲線。仿真結(jié)果與D-H模型計算高度一致，符合人體下肢運動特征，為外骨骼機器人的優(yōu)化與控制設計提供了依據(jù)。

受限于研究水平和時間，本文設計的下肢外骨骼機器人尚存不足，未來需深入探究其柔性關(guān)節(jié)特性。同時，本文研究基于理想仿真條件，與實際情況存在差距，需進一步搭建實驗樣機進行實證研究。