人體下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的仿真分析

夏 田， 桓 茜， 陳 宇， 徐建林

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

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人體下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的仿真分析

夏 田， 桓 茜， 陳 宇， 徐建林

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)出一種用于輔助老年人和患者生活的服務(wù)型機(jī)器人——人體下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人，通過建立人體行走姿態(tài)時(shí)的D-H數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出了髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)行走姿態(tài)中的坐標(biāo)方程.在ADAMS環(huán)境下進(jìn)行人機(jī)耦合的仿真，結(jié)果表明:下肢外骨骼各關(guān)節(jié)在空間中具有連續(xù)的運(yùn)動(dòng)軌跡，滿足各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的可達(dá)性，符合人體下肢的運(yùn)動(dòng)特性.搭建樣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)取了三個(gè)關(guān)節(jié)角度隨周期的變化曲線，驗(yàn)證了下肢外骨骼裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡，并且試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)曲線和仿真曲線基本一致.

下肢外骨骼； 運(yùn)動(dòng)學(xué)； D-H模型； 耦合仿真； ADAMS

0 引言

隨著全球人類老齡化的到來，老年人的生活運(yùn)動(dòng)障礙已經(jīng)成為社會(huì)運(yùn)作的一個(gè)巨大壓力，老年人正常行走及上下樓梯等運(yùn)動(dòng)都需要人幫扶，給家人造成不小的生活負(fù)擔(dān)和壓力，另外，在醫(yī)療領(lǐng)域，下肢癱瘓或運(yùn)動(dòng)功能障礙患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練也需要機(jī)械裝置提供支撐、保護(hù)和助力[1].

在國外，斯坦福大學(xué)在2000年推出了手臂康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人樣機(jī)，并且己打入了市場(chǎng)，同時(shí)日本也研制了旋轉(zhuǎn)式康復(fù)機(jī)器人，柏林大學(xué)研制出了康復(fù)機(jī)器人腿部樣機(jī)；在國內(nèi)，清華大學(xué)在國內(nèi)率先研制了臥式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人樣機(jī)，哈爾濱工程大學(xué)的下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人是通過步態(tài)和姿態(tài)機(jī)器人控制系統(tǒng)模擬正常人行走的步態(tài)、踩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，浙江大學(xué)流體與傳動(dòng)控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種新型的可穿戴式下肢步行外骨骼機(jī)構(gòu)[1-5].

人體下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人是一種可穿戴的仿人型動(dòng)力系統(tǒng)裝置，其將人體和外骨骼康復(fù)裝置高度耦合在一起，輔助人體運(yùn)動(dòng)，這種人機(jī)耦合交互系統(tǒng)，需要各個(gè)構(gòu)件與身體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)保持一致，即外骨骼自由度的形式和構(gòu)成需要和人體基本吻合[5].通過對(duì)下肢外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并建立了下肢外骨骼的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，用ADAMS進(jìn)行仿真分析，搭建試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，為樣機(jī)制作提供一定的理論支撐.

1 下肢外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)

根據(jù)GB/T 1000-1988 《中國成年人人體尺寸》提供的立姿人體尺寸基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[6]，按照人體身高175 mm的比例，將下肢外骨骼的基礎(chǔ)尺寸設(shè)計(jì)為：髖部尺寸l1=334 mm，大腿桿尺寸l2=428 mm，小腿桿尺寸l3=430 mm，腳部尺寸l4=68 mm.人體下肢各關(guān)節(jié)的自由度如表1所示.

表1 下肢各關(guān)節(jié)自由度

如圖1所示，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)了人體下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人，各連接部件采用鋁合金材料；背部、腰部和腿部的束緊帶為柔性構(gòu)件，材料為尼龍；各關(guān)節(jié)連接構(gòu)件采用高強(qiáng)度不銹鋼材料.各個(gè)構(gòu)件的不同連接和配合方式，可以滿足各關(guān)節(jié)的自由度，各構(gòu)件的連接關(guān)系如表2所示.

圖1 下肢外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)

表2 各構(gòu)件連接關(guān)系

此外，各關(guān)節(jié)處的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可為外骨骼提供動(dòng)力以輔助穿戴者運(yùn)動(dòng)，大小腿高度調(diào)節(jié)裝置通過螺紋進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的穿戴者使用，彈簧阻尼裝置具有緩沖和限位的功能，起到儲(chǔ)能和助力的作用.

2 下肢外骨骼的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

2.1 D-H模型

在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)研究中，D-H模型是最常用的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度可知，下肢外骨骼是由多個(gè)剛體串聯(lián)構(gòu)成，將各組成構(gòu)件簡(jiǎn)化為連桿，將多自由度關(guān)節(jié)分解成幾個(gè)單自由度關(guān)節(jié)，對(duì)下肢外骨骼進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模分析[7].

圖2所示為人體直線行走姿態(tài)時(shí)單側(cè)腿的D-H數(shù)學(xué)模型.其中，O1、O2、O3分別為髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的坐標(biāo)原點(diǎn)， O0-X0Y0Z0是建立在髖部和軀干之間的絕對(duì)坐標(biāo)系，各連桿的動(dòng)坐標(biāo)系為O1-X1Y1Z1、O2-X2Y2Z2和O3-X3Y3Z3，θi為軸Xi-1繞軸Zi-1旋轉(zhuǎn)變換到軸Xi的旋轉(zhuǎn)角，即θ1、θ2、θ3，各個(gè)連桿長(zhǎng)度為l1、l2、l3.

圖2 D-H模型簡(jiǎn)圖

根據(jù)下肢外骨骼的運(yùn)動(dòng)情況，D-H模型中變化矩陣的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)如表3所示.

表3 D-H模型參數(shù)

根據(jù)表3中的D-H運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，可求解出軀干和大腿桿、大腿桿和小腿桿、小腿桿和腳構(gòu)件三個(gè)齊次坐標(biāo)變換矩陣，即髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的坐標(biāo)變換，見公式(1)、公式(2)和公式(3).

(1)

(2)

(3)

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題

外骨骼機(jī)器人是已知關(guān)節(jié)的角度變量與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，然后求解各活動(dòng)桿件的位姿關(guān)系，采用運(yùn)動(dòng)學(xué)的正問題求解.

按照齊次變換矩陣的右乘法則，分別求得小腿連桿和腳部構(gòu)件的齊次坐標(biāo)變換矩陣，見公式(4)和公式(5).

M02=M01×M12

(4)

M03=M01×M12×M23

(5)

齊次變換矩陣建立兩個(gè)相鄰連桿的位姿變換關(guān)系，由此推導(dǎo)出髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)直線行走姿態(tài)中的坐標(biāo)方程分別為：

(6)

(7)

(8)

3 人機(jī)耦合仿真分析

人體與外骨骼康復(fù)裝置的耦合性，影響到裝置可穿戴性和運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)性，如果人機(jī)耦合設(shè)計(jì)合理得當(dāng)，可使身體各個(gè)部位感覺舒適且沒有約束感，而且裝置結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，與外界干涉可能性小，通過Solidworks建立人體和外骨骼康復(fù)裝置的耦合虛擬模型，導(dǎo)入ADAMS中對(duì)其進(jìn)行仿真分析.

3.1 人機(jī)耦合系統(tǒng)模型

3.1.1 人體模型

按照GB/T 1000-1988 提供的人體站立時(shí)姿態(tài)的身體各部位相對(duì)于身高的比例關(guān)系，以身高為175 mm的中國成年人為例，其身體各部位的尺寸比例如表4所示[6].通過實(shí)際測(cè)量成年人的圍度、寬度和高度尺寸，在Solidworks中建立人體的近似模型[8]，如圖3所示.

表4 身體各部位比例關(guān)系

圖3 耦合模型

3.1.2 下肢外骨骼仿真模型

為了便于動(dòng)態(tài)仿真分析，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理為一個(gè)負(fù)重且滿足各部位相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的仿真模型，如圖3所示.其中背負(fù)裝置1，支撐架2，大腿桿件3，小腿桿件4和腳部5為剛性構(gòu)件，主要起支撐和傳遞運(yùn)動(dòng)的作用；背部束緊帶6、腰部束緊帶7和腿部束緊帶8為柔性構(gòu)件，主要起連接作用.為了降低仿真分析的難度，只在髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)處分別設(shè)置一個(gè)屈伸運(yùn)動(dòng)的自由度.

3.2 ADAMS環(huán)境下耦合仿真分析

將人機(jī)耦合模型導(dǎo)入到ADAMS中，如圖4所示，包括人體模型，下肢外骨骼模型和地面模型，進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置建立一個(gè)近似實(shí)際的仿真系統(tǒng)，其主要分析過程如下：

(1)設(shè)置材料屬性

由于人體靠骨架成型和支撐，可以將骨頭作為人體模型的成分[9]，在此將人體模型的材料屬性設(shè)置為楊氏模量值為1.3×104MPa，泊松比為0.031，密度為1.057×103Kg/m3.

外骨骼模型的剛性構(gòu)件選用鋁合金材料，楊氏模量為7.17×104MPa，泊松比為0.33，密度為2.71×102Kg/m3.柔性構(gòu)件選用尼龍材料，楊氏模量為2.62×103Mpa，泊松比為0.34，密度為1.12×103Kg/m3.

實(shí)際中，地面為混凝土，由于腳部材料為鋁合金，為了不影響仿真的結(jié)果，將地板的材料設(shè)置為橡膠，其楊氏模量為6.11 MPa，泊松比為0.49，密度為6.7×102Kg/m3.

(2)添加約束

為了保證人機(jī)耦合的正確性，對(duì)模型添加合適的約束是非常關(guān)鍵的[10].

①在人體模型中，將各關(guān)節(jié)設(shè)置為旋轉(zhuǎn)副，將人體模型和各束緊帶之間設(shè)置為固定副，將人體軀干部分設(shè)置為移動(dòng)副；

②在外骨骼模型中，將各關(guān)節(jié)設(shè)置為旋轉(zhuǎn)副，將剛性構(gòu)件和柔性構(gòu)件之間設(shè)置為固定副.

(3)添加接觸力

人行走過程中主要產(chǎn)生重力、支撐力和摩擦力，將整體模型添加豎直向下重力加速度；在行走過程中，腳部構(gòu)件是唯一與地面接觸的部分，在腳部構(gòu)件和地面之間設(shè)置為接觸力.

(4)添加關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)

①將髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)保存為.txt格式，導(dǎo)入ADAMS中，生成6個(gè)關(guān)節(jié)的Spline曲線函數(shù)[11]；

②在6個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)副處設(shè)置旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，定義為AKISPL(time,0,SPLINE_1,0)等.

(5)仿真及結(jié)果分析

正常人行走的一個(gè)周期是1.5 s，設(shè)置仿真時(shí)間為1.5 s，為了便于觀察將仿真步長(zhǎng)設(shè)置為2 000，人機(jī)耦合系統(tǒng)的仿真動(dòng)畫如圖4所示，可知人機(jī)耦合模型行走的運(yùn)動(dòng)軌跡和實(shí)際人體行走基本一致，證明了仿真的正確性和合理性.

圖4 仿真動(dòng)畫結(jié)果

以下肢外骨骼中的右側(cè)下肢為例，在后處理模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，選擇各關(guān)節(jié)的位移、角速度和角度隨著運(yùn)動(dòng)周期的關(guān)系曲線，濾波處理掉跳躍式信號(hào)，如圖5所示.

可知，下肢外骨骼中髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)在空間中具有連續(xù)的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以滿足運(yùn)動(dòng)的可達(dá)性.同時(shí)，在初始階段，腳部構(gòu)件位移最大，大腿構(gòu)件位移最小，并在運(yùn)動(dòng)過程中，大腿和腳部的位移交替變化，小腿的位移處于中間狀態(tài)，符合人體下肢的運(yùn)動(dòng)特性.

(a)位移曲線

(b)角速度曲線

(c)角度曲線圖5 耦合模型的仿真結(jié)果

4 樣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)

搭建樣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)是下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人諸多試驗(yàn)中的一種，其目的是步態(tài)預(yù)編程控制(被動(dòng)控制)下外骨骼裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡驗(yàn)證[12].如圖6所示，試驗(yàn)的硬件組成部分包括下肢外骨骼裝置、步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)電源、信號(hào)發(fā)生器和控制器等.

圖6 樣機(jī)行走試驗(yàn)

用圖像分析法對(duì)行走試驗(yàn)進(jìn)行分析，拍攝樣機(jī)試驗(yàn)畫面，然后繪制樣機(jī)各關(guān)節(jié)運(yùn)行的軌跡，用關(guān)鍵點(diǎn)連接法求解出試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，測(cè)取了三個(gè)關(guān)節(jié)角度隨周期的變化曲線.

(a)髖關(guān)節(jié)角度變化圖

(b)膝關(guān)節(jié)角度變化圖

(c)踝關(guān)節(jié)角度變化圖圖7 樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

由圖7可知，試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)曲線的平滑性較差，波動(dòng)性較大，局部變形突出，由于試驗(yàn)過程中電機(jī)的振動(dòng)所造成.對(duì)比仿真曲線圖5(c)，試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)曲線的軌跡和仿真曲線走向一致，這也在一定程度上驗(yàn)證了虛擬耦合仿真的正確合理，但由于方向設(shè)置問題，試驗(yàn)曲線與仿真曲線的方向相反.

此外，試驗(yàn)中未在外骨骼關(guān)節(jié)及末端安裝角度和位移傳感器，而且步進(jìn)電機(jī)沒有反饋系統(tǒng)，以后的試驗(yàn)需要搭建反饋系統(tǒng)，并且考慮電機(jī)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)——共振點(diǎn)，避免電機(jī)作為激振源引起外骨骼的共振.

5 結(jié)論

(1)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)了人體下肢外骨

骼康復(fù)機(jī)器人裝置，并且設(shè)計(jì)有緩沖和限位功能，大小腿的長(zhǎng)度均可調(diào)節(jié).

(2)建立了人體行走姿態(tài)時(shí)的D-H數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)行走姿態(tài)中的坐標(biāo)方程.

(3)在ADAMS環(huán)境下進(jìn)行人機(jī)耦合的仿真，結(jié)果表明下肢外骨骼各關(guān)節(jié)在空間中具有連續(xù)的運(yùn)動(dòng)軌跡，滿足運(yùn)動(dòng)的可達(dá)性，符合人體下肢的運(yùn)動(dòng)特性，搭建樣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了下肢外骨骼裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡.

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【責(zé)任編輯：陳 佳】

Simulation analysis of human lower limb exoskeleton rehabilitation robot

XIA Tian， HUAN Xi， CHEN Yu， XU Jian-lin

(College of Mechanical and Electrical Engineering， Shaanxi University of Science & Technology，Xi′an 710021，China)

The kind of device of human lower limb exoskeleton rehabilitation robot is a kind of service robot,which is designed to be used for assisting the life of old people and sufferer,based on the motor drive.By establishing the D-H mathematical model of human walking posture,the coordinate equations of hip joint,knee joint and ankle joint are derived.Under the ADAMS environment,the simulation results show that the joints of the lower limb exoskeleton have a continuous trajectory in space, which can meet the motility of the joint movement,and meet the motion characteristics of the human lower limb.A prototype test platform is set up to test the angle curve which changes with the cycle.The motion trajectory of the lower limb exoskeleton is verified,and the experimental curves and the simulation curves are basically consistent.

lower limb exoskeleton； kinematics； D-H model； coupling simulation； ADAMS

2016-10-22

陜西省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013K07-08)

夏 田(1962-)，女，陜西咸陽人，教授，研究方向：數(shù)控裝備、機(jī)器臂及AVG小車

1000-5811(2016)06-0154-06

TP242

A