基于步態(tài)的下肢康復(fù)用外骨骼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析

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(1.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070；2.中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，廣東 深圳 518055)

0 引言

本課題來源于中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院戰(zhàn)略性研究：穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人項(xiàng)目。

“外骨骼機(jī)器人”(Exoskeleton Robot)是指套在人體外面的機(jī)器人，也稱“可穿戴的機(jī)器人”。外骨骼是指為生物提供保護(hù)和支持的堅(jiān)硬外部結(jié)構(gòu)[1]，一般指昆蟲或甲殼類動(dòng)物身體外表的骨骼，具有支撐和保護(hù)作用。隨著科技的進(jìn)步以及仿生學(xué)的發(fā)展，人體外骨骼的研究開始受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。人體下肢外骨骼機(jī)器人是一種可以穿戴，以人為主、機(jī)械為輔的人機(jī)一體化機(jī)械裝置[2-3]。不僅具備保護(hù)人體和支持人體結(jié)構(gòu)的功能，還大大增強(qiáng)了人體的力量、速度和耐力[4]。外骨骼機(jī)器人技術(shù)是融合傳感、控制、信息、融合、移動(dòng)計(jì)算，為作為操作者的人提供一種可穿戴的機(jī)械機(jī)構(gòu)的綜合技術(shù)。很早就有提及穿戴在人體外表、具備動(dòng)力，借以幫助癱瘓者實(shí)現(xiàn)行走，這樣的裝備即被稱作外骨骼機(jī)器人。理想的外骨骼機(jī)器人除了能夠?qū)κ褂谜邔?shí)行基本的走路，奔跑，及向前后任意彎曲，軍用的還需提供防護(hù)并增強(qiáng)使用者的負(fù)重和運(yùn)動(dòng)能力，最好還可以飛行。

下肢康復(fù)用外骨骼機(jī)器人是針對(duì)下肢行走不便患者康復(fù)訓(xùn)練以及行走所設(shè)計(jì)的一種外骨骼機(jī)器人。它突破了由專門的康復(fù)訓(xùn)練師陪同訓(xùn)練等昂貴的傳統(tǒng)康復(fù)治療方法，依托于一種更加智能的、自主的、有效的以及無后遺癥的康復(fù)訓(xùn)練方式，這無論是對(duì)患者自身來說，還是對(duì)社會(huì)都是一種福音，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[5]。有關(guān)研究表明，下肢康復(fù)用外骨骼機(jī)器人是目前最為有效、最為先進(jìn)的康復(fù)訓(xùn)練方案[6]。在外骨骼機(jī)器人研制方面，國外主要是美國、日本頗見成效，國內(nèi)清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院合肥智能機(jī)械研究所等在此領(lǐng)域也做了深入的研究。其中仿真大部分只對(duì)機(jī)器人的受力(如髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的力矩等)進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果僅僅表明外骨骼能夠滿足人體運(yùn)動(dòng)以及其運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和建模方法正確合理。然而針對(duì)殘障人士而言，其步態(tài)與正常人還是有很大區(qū)別的，且步態(tài)特征對(duì)下肢殘障人士運(yùn)動(dòng)有著重大的意義。

Adams軟件是專門用于機(jī)械產(chǎn)品中虛擬產(chǎn)品開發(fā)方面的軟件，通過建立多體動(dòng)力學(xué)模型和虛擬試驗(yàn)，在產(chǎn)品開發(fā)階段就可以幫助設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，并提出改進(jìn)方法。Adams研究復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)關(guān)系，它以計(jì)算多體動(dòng)力學(xué)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合高性能計(jì)算機(jī)來對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行仿真計(jì)算，得到各種性能數(shù)據(jù)，幫助設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)問題并解決問題[6-7]。

本文著重通過對(duì)人體下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究，提出了殘障人士的步態(tài)設(shè)計(jì)的特征，并用Adams軟件對(duì)外骨骼機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析。

1 人體下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究

人體下肢可以實(shí)現(xiàn)多種多樣的運(yùn)動(dòng)，這是由于人體下肢關(guān)節(jié)的基本運(yùn)動(dòng)組合而形成的[8]。正常人的行走主要是靠骨骼、關(guān)節(jié)以及肌肉三者之間互相作用實(shí)現(xiàn)的，其中骨骼起著杠桿的作用，關(guān)節(jié)起著杠桿之間運(yùn)動(dòng)副的作用，而肌肉則起著動(dòng)力的作用。

人體行走行為必需的兩個(gè)要素：一是雙腳周期性的移動(dòng)支撐位置;二是地面足夠的反作用力支撐身體[9]。本文對(duì)人體下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)理的研究主要是研究下肢步態(tài)特征。

(1)步態(tài)周期分析

人的行走具有周期性、協(xié)調(diào)性和左右腿對(duì)稱的特點(diǎn)，并且運(yùn)動(dòng)基本是在矢狀面內(nèi)完成的。人在行走時(shí)，一側(cè)足跟著地到該側(cè)足跟再次著地的過程被稱為一個(gè)步態(tài)周期[10]，每一個(gè)步態(tài)周期分為支撐相和擺動(dòng)相兩個(gè)階段[11]。圖1是人體行走的一個(gè)右下肢步態(tài)周期圖[12]。

圖1 人體行走的步態(tài)周期圖

通過查閱相關(guān)資料：健康人行走的步長約為500 mm-800 mm，步寬約8±3.5，足角約6.75°[13]。

(2)基于OpenSim的人體下肢步態(tài)仿真

OpenSim是一款完全免費(fèi)，技術(shù)完全開源的一款人體運(yùn)動(dòng)仿真軟件。使用人員可以非常容易的在網(wǎng)上下載該軟件，另外也可以在OpenSim的社區(qū)論壇上下載網(wǎng)友共享的大量研究數(shù)據(jù)以及模型。其步態(tài)的具體過程如圖2所示。

支撐相擺動(dòng)相雙支撐單支撐雙支撐初中末

圖2 仿真步態(tài)圖

步態(tài)仿真結(jié)果分析，這里對(duì)正常步態(tài)的關(guān)節(jié)角位移進(jìn)行結(jié)果分析，最終得到人體下肢各個(gè)關(guān)節(jié)的角位移范圍。如圖3人體下肢關(guān)節(jié)角位移—時(shí)間曲線圖。

圖3 人體下肢關(guān)節(jié)角位移—時(shí)間曲線圖

從圖中可以得到在正常步態(tài)狀態(tài)下髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)以及踝關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍。其具體范圍為：髖關(guān)節(jié)：-17°～25°；膝關(guān)節(jié)：0°～58°；踝關(guān)節(jié)：-12°～12°，并且左右腿關(guān)節(jié)是對(duì)稱的。

(3)殘障人士的步態(tài)特征設(shè)計(jì)

殘障人士與正常人行走的步態(tài)是有所區(qū)別的，除了參照正常人行走的步態(tài)特征外，還要注意適合下肢殘障人士的步態(tài)。為了使步態(tài)穩(wěn)定，較容易適應(yīng)，本文設(shè)計(jì)的步態(tài)具有以下三個(gè)特征。

1)步行速度慢，從而給穿戴者足夠的時(shí)間來調(diào)整行走的重心平穩(wěn)；

2)步長短，讓重心盡可能的接近腳板平衡區(qū)域，易于調(diào)整重心平衡；

3)行走的單支撐相中有一個(gè)較短的平衡過程，然后再快速邁步，這主要是方便穿戴者找到步態(tài)的節(jié)奏。

2 外骨骼機(jī)器人三維建模與導(dǎo)入

(1)構(gòu)建外骨骼機(jī)器人模型

圖4 外骨骼機(jī)器人整機(jī)三維模型

查閱相關(guān)手冊(cè)確定整體結(jié)構(gòu)的一些基本參數(shù)，從而構(gòu)建各模塊的Pro/E三維模型；并各個(gè)模塊模型裝配起來，得到外骨骼機(jī)器人整機(jī)三維模型如圖4 所示。

(2)將構(gòu)建的模型導(dǎo)入到Admas

圖5 導(dǎo)入的機(jī)器人模型和穿戴模型圖

首先在Adams軟件環(huán)境下構(gòu)建起一個(gè)虛擬樣機(jī)，將Pro/E中的模型另存為Parasolid格式(擴(kuò)展名為*.X_T)。其次為了使仿真更接近實(shí)際情況，構(gòu)建的虛擬樣機(jī)除了從Pro/E中導(dǎo)入外骨骼機(jī)器人三維模型外，還需要在Adams中構(gòu)建外骨骼機(jī)器人的“穿戴者”模型。外骨骼機(jī)器人導(dǎo)入模型和外骨骼機(jī)器人“穿戴”模型如圖5所示。

3 外骨骼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)設(shè)置

根據(jù)人體下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究，外骨骼機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)設(shè)置如圖6(a)所示，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)設(shè)置是一致的，在螺桿上設(shè)置螺旋副和轉(zhuǎn)動(dòng)副，其中轉(zhuǎn)動(dòng)副設(shè)置為虛擬驅(qū)動(dòng)，與螺桿配合的螺母設(shè)置移動(dòng)副，連桿兩頭設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)副，其詳細(xì)設(shè)置情況如圖6(b)所示。另外，踝關(guān)節(jié)上設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)副，且轉(zhuǎn)動(dòng)副設(shè)置為虛擬驅(qū)動(dòng)，詳細(xì)設(shè)置如圖6(c)所示。

圖6 詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)設(shè)置

4 外穿戴行走仿真分析

(1)仿真準(zhǔn)備工作

行走仿真分析準(zhǔn)備工作，主要有構(gòu)建大地模型添加機(jī)器人模型與大地之間的約束和作用力，添加驅(qū)動(dòng)函數(shù)兩個(gè)方面。

在仿真分析前，可以添加身軀與大地以及腳板與大地之間的平行副，其中身軀與大地之間的平行副約束可以保證模型在行走的過程中，人的身軀始終垂直于地面，從而避免仿真過程中因?yàn)橹匦牟环€(wěn)而摔倒；而腳板與大地之間的平行副約束可以保證在行走的過程中，腳板始終與大地之間平行，從而避免了腳板拖在地面上，影響行走仿真的可靠性。仿真時(shí)一些基本的前提參數(shù)如表1所示。

表1 基本的前提參數(shù)

穿戴行走有4個(gè)關(guān)節(jié)的虛擬驅(qū)動(dòng)，即左右髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)，踝關(guān)節(jié)為被動(dòng)驅(qū)動(dòng)?？梢允褂肁dams中的AKISPL樣條函數(shù)作為驅(qū)動(dòng)函數(shù)。如圖7至10所示，其中X坐標(biāo)代表時(shí)間，單位是s，Y坐標(biāo)代表角位移，單位是度。

(2)穿戴行走運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

圖7 右髖關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)樣條曲線圖

圖8 左膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)樣條曲線圖

圖9 左髖關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)樣條曲線圖

圖10 右膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)樣條曲線圖

設(shè)置仿真時(shí)長為4 s，仿真步數(shù)是5000，具體的行走運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真過程如圖11所示。

對(duì)所仿真得到的運(yùn)動(dòng)學(xué)曲線進(jìn)行分析，研究相關(guān)的步態(tài)參數(shù)信息，從而得到左右髖關(guān)節(jié)和左右膝關(guān)節(jié)的角位移時(shí)間曲線分別如圖12和圖13所示。

初始單支撐相雙支撐相單支撐相雙支撐相擺動(dòng)相

圖11 穿戴行走運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真過程

圖12 左右髖關(guān)節(jié)的角位移時(shí)間曲線

圖13 左右膝關(guān)節(jié)的角位移時(shí)間曲線

可以很明顯的看出，在2 s-4 s的一個(gè)步態(tài)周期里，左右膝關(guān)節(jié)和左右髖關(guān)節(jié)的角位移是呈現(xiàn)左右對(duì)稱的特征。髖關(guān)節(jié)的角位移范圍和Opensim仿真正常人行走步態(tài)的角位移范圍一致，但膝關(guān)節(jié)角位移范圍則偏小，這主要是考慮到實(shí)際穿戴者為殘障人士，為了步態(tài)的穩(wěn)定性，通過使膝關(guān)節(jié)角位移范圍的縮小從而減小步長。

左右髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的角速度時(shí)間曲線如圖14和圖15所示。

從圖中可以看出這個(gè)速度比正常人的速度稍慢一些，滿足殘障人士步態(tài)特征一。

圖14 左右髖關(guān)節(jié)的角速度時(shí)間曲線

圖15 左右膝關(guān)節(jié)的角速度時(shí)間曲線

機(jī)器人左右足的重心位移時(shí)間曲線和機(jī)器人前進(jìn)速度時(shí)間曲線分別如圖16和圖17所示。

圖16 左右足的重心位移時(shí)間曲線

圖17 機(jī)器人前進(jìn)速度時(shí)間曲線

從這個(gè)圖中可以看出行走的一個(gè)步長比健康人步長小，符合殘障人士步態(tài)特征二。

從圖可以得到，機(jī)器人前行的時(shí)候就和正常人一樣是有節(jié)奏的，這樣便于穿戴者找到行走的節(jié)奏，從而適應(yīng)步態(tài)也符合特征三。綜上可以看出，外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)可以完成穿戴行走運(yùn)動(dòng)，是合理的。

(3)穿戴行走動(dòng)力學(xué)仿真分析

穿戴行走的動(dòng)力學(xué)分析主要是為了研究整個(gè)穿戴行走的過程中受力的特點(diǎn)，從而更改機(jī)械結(jié)構(gòu)的材料以及指導(dǎo)電機(jī)等部件的選型。下面對(duì)相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)曲線分析時(shí)，會(huì)對(duì)這兩個(gè)方面進(jìn)行闡述。

腿的電機(jī)減速器輸出扭矩曲線圖以及輸出功率曲線圖。分別如圖18和圖19所示。

圖18 腿電機(jī)減速器輸出扭矩時(shí)間曲線

圖19 腿電機(jī)減速器輸出功率時(shí)間曲線

從這幾個(gè)曲線圖可以得出，在穿戴行走的過程中有如下動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)：

①當(dāng)行走腿踏上地面的瞬間，電機(jī)減速器會(huì)輸出較大的扭矩和功率。

②當(dāng)處于單支撐相時(shí)，離地腿的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)減速器輸出扭矩和功率都很小，且髖關(guān)節(jié)的扭矩大于膝關(guān)節(jié)，而踩地腿的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)減速器輸出扭矩和功率較大，其膝關(guān)節(jié)的扭矩大于髖關(guān)節(jié)。

該行走仿真屬于多剛體的動(dòng)力學(xué)仿真，行走時(shí)由于瞬間的碰撞會(huì)使扭矩和功率偏大。從扭矩曲線圖和功率曲線圖中可以看出該電機(jī)是足以帶動(dòng)該外骨骼機(jī)器人完成行走的。另外減小沖擊可以采取以下改進(jìn)措施：將外骨骼機(jī)器人的鞋底換成塑料等能緩沖的材料；實(shí)際的行走過程可以輔助拐杖來進(jìn)行；也可以通過不斷優(yōu)化步態(tài)來減小沖擊。

5 總結(jié)與展望

本文結(jié)合人體下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)理，提出了殘障人士步態(tài)特征，主要通過Adams進(jìn)行仿真分析，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果曲線，得出了行走步態(tài)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征以及受力特征，一一論證了所提出的步態(tài)特征，說明所設(shè)計(jì)的步態(tài)特征是合理的，符合殘障人士步態(tài)特征。同時(shí)根據(jù)Adams仿真的角速度與角加速度等參數(shù)，為電機(jī)和減速器的選型提供了重要依據(jù)，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)出一種新型穿戴式下肢助行外骨骼機(jī)器人樣機(jī)提供參考。

總體來說，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)避免了物理樣機(jī)的建造，在設(shè)計(jì)階段就可以分析優(yōu)化各種性能參數(shù)和指導(dǎo)零部件的選型，同時(shí)也能預(yù)測(cè)其在實(shí)際條件下的整體性能，從而有利于縮短研發(fā)周期降低成本。本文主要是結(jié)合人體步態(tài)研究，并在Adams中建立外骨骼機(jī)器人的虛擬樣機(jī)，通過虛擬樣機(jī)行走仿真來分析步態(tài)特征和步態(tài)設(shè)計(jì)，為步態(tài)研究提供一個(gè)新的思路，同時(shí)也對(duì)以后步態(tài)規(guī)劃以及行走的合理性提供依據(jù)。

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