膝關節(jié)康復外骨骼構(gòu)型綜合與結(jié)構(gòu)設計

李劍鋒， 黃相強， 陶春靜， 王颯， 季潤

(1.北京工業(yè)大學 機械工程與應用電子技術學院，北京 100124； 2.國家康復輔具研究中心，北京 100176)

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膝關節(jié)康復外骨骼構(gòu)型綜合與結(jié)構(gòu)設計

李劍鋒1， 黃相強1， 陶春靜2， 王颯1， 季潤2

(1.北京工業(yè)大學 機械工程與應用電子技術學院，北京 100124； 2.國家康復輔具研究中心，北京 100176)

為了探討膝關節(jié)自適應性康復外骨骼機構(gòu)構(gòu)型綜合與結(jié)構(gòu)設計問題，本文基于人體膝關節(jié)屈伸運動實驗采集的數(shù)據(jù)，提取出膝關節(jié)運動瞬時螺旋參數(shù)；根據(jù)膝關節(jié)生理結(jié)構(gòu)和膝關節(jié)螺旋軸的瞬變特性考究，建立人體膝關節(jié)的運動學模型。結(jié)合人-機運動相容性、人-機閉鏈自由度和人-機約束力矩作用性質(zhì)分析，提出一種與人體膝關節(jié)運動相容的康復外骨骼機構(gòu)構(gòu)型；考慮結(jié)構(gòu)簡單性和穿戴舒適性，對膝關節(jié)康復外骨骼裝置進行了結(jié)構(gòu)設計，獲得了一套可自適應人體膝關節(jié)轉(zhuǎn)動軸線運動特性的膝關節(jié)康復外骨骼機構(gòu)。

膝關節(jié)康復；自適應；螺旋軸；運動相容；人-機閉鏈；構(gòu)型綜合；結(jié)構(gòu)設計；外骨骼

穿戴型膝關節(jié)康復外骨骼是典型的人-機一體化系統(tǒng)，康復訓練過程中人-機之間通過連接部位的相互作用實現(xiàn)協(xié)同運動。因此，要求人-機連接界面不能出現(xiàn)過強的約束力/力矩以避免由此導致的舒適性變差和二次損傷。由文獻檢索對膝關節(jié)康復外骨骼的設計特征可以看出，外骨骼機構(gòu)的設計主要基于人體膝關節(jié)的運動學仿生。因此，人體膝關節(jié)運動學模型對于膝關節(jié)康復外骨骼設計具有重要意義。目前已提出的人體膝關節(jié)運動學模型主要有三種：1)膝關節(jié)運動學模型可簡化為一個軸線垂直于矢狀面且位置固定的轉(zhuǎn)動副[1]；2)膝關節(jié)運動學模型可視為一個瞬心在矢狀面內(nèi)連續(xù)變化的變軸線轉(zhuǎn)動副[2]；3)膝關節(jié)運動學模型是一個軸線位置和姿態(tài)隨關節(jié)轉(zhuǎn)角在空間內(nèi)瞬時變化的“松弛關節(jié)”[3-5]。在現(xiàn)有的外骨骼構(gòu)型設計中，通常把膝關節(jié)運動學模型簡化為一個轉(zhuǎn)動軸線垂直于矢狀面，位置固定或不定的轉(zhuǎn)動副[6-7]。例如，具有代表性的康復外骨骼SERKA[6]把膝關節(jié)簡化為一個軸線固定的轉(zhuǎn)動副。而文獻[8]借鑒第二種膝關節(jié)運動學模型，把膝關節(jié)等效為矢狀面內(nèi)的一個凸輪機構(gòu)，為更接近膝關節(jié)的運動學特性，外骨骼機構(gòu)還增加了移動和轉(zhuǎn)動兩個被動自由度。Celebi等分別提出了一個由3個主動轉(zhuǎn)動副組成的虛擬關節(jié)模型和一種主動膝關節(jié)康復外骨骼，可實現(xiàn)矢狀面內(nèi)的一個轉(zhuǎn)動自由度和二個移動自由度，從而保證機構(gòu)主動關節(jié)軸線與膝關節(jié)軸線在矢狀面內(nèi)自對齊[7]。現(xiàn)有機構(gòu)設計的優(yōu)點是借鑒了人體膝關節(jié)骨骼的運動結(jié)構(gòu)特征，可以獲得形式簡約的機構(gòu)構(gòu)型。然而，上述康復機構(gòu)只能保證外骨骼關節(jié)軸線與膝關節(jié)軸線在矢狀面內(nèi)對齊，均未考慮膝關節(jié)軸線在其他平面的位姿變化，在康復訓練過程中仍存在著因關節(jié)軸線不能完全對齊導致的運動不相容和舒適性變差的現(xiàn)象?，F(xiàn)有文獻中較少涉及膝關節(jié)螺旋軸的分析，盡管有研究者注意到膝關節(jié)螺旋軸的位姿隨著膝關節(jié)屈伸運動不斷變化，但均未從外骨骼機構(gòu)設計的角度探討改善外骨骼主動關節(jié)軸線與膝關節(jié)轉(zhuǎn)動軸線在運動過程中完全對齊的方法和途徑。

本文將結(jié)合人體膝關節(jié)螺旋軸的瞬變特性分析、人體膝關節(jié)運動學模型的建立、人-機閉鏈自由度分析等方面，研究人-機運動相容性好的膝關節(jié)康復外骨骼機構(gòu)構(gòu)型設計問題。通過在外骨骼主動關節(jié)與人體連接環(huán)節(jié)之間添加被動自由度，以改善膝關節(jié)外骨骼機構(gòu)的人-機運動相容性。考慮結(jié)構(gòu)簡單性和穿戴舒適性，對膝關節(jié)康復外骨骼裝置進行結(jié)構(gòu)設計。

1 膝關節(jié)運動學模型的建立

1.1 數(shù)據(jù)的采集

1.1.1 實驗對象

健康成年男性1名，年齡24歲，身高180 cm，體重85 kg，腿長970 mm，無神經(jīng)及心肺疾患，且無肌肉、骨骼疾患等疾病。實驗前，向受試者解釋本次實驗的目的和步驟，采取自愿參加的形式。

1.1.2 實驗方法

實驗采用加拿大NDI OPTOTRAK光學運動捕捉系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，該系統(tǒng)通過攝像設備捕捉運動物體上的標志點，并在自身坐標系下記錄各標志點的位置坐標，以此來獲得物體的運動軌跡。在實驗前，在受試者的大腿和小腿上各安置4個標志點，為了減小皮膚組織對標志點坐標采集精度的影響，實驗安排受試者坐在椅子上完成整個膝關節(jié)屈伸運動。為保證受試者大腿不產(chǎn)生移動，采用膠帶將受試者大腿和座椅固定在一起。在自然步態(tài)下，人體膝關節(jié)在矢狀面內(nèi)最大屈曲角度為60°左右，為了分析的一致性，實驗采集受試者小腿相對于大腿從完全伸直到屈曲65°過程中的標志點坐標。標志點和安放位置如圖1和圖2所示。實驗過程中，受試者首先連續(xù)完成5次膝關節(jié)屈伸實驗，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，采集1組膝關節(jié)屈伸實驗數(shù)據(jù)。該組數(shù)據(jù)包括15個屈伸角度的標志點坐標。大腿標志點坐標和小腿標志點坐標分別如表1和表2所示。(表中只列出前2個屈伸角度的標志點位置坐標，受篇幅所限其他坐標省略)。

(a)大腿 (b)小腿圖1 大腿和小腿標志點Fig. 1 The makers of thigh and tibia

圖2 標志點的位置Fig. 2 The location of the markers

mm

表2 小腿標志點坐標

1.2 螺旋參數(shù)的計算方法

螺旋運動描述了兩個剛體或同一物體上兩個不同位置在全局參考系里的相對運動。在本文中應用螺旋運動參數(shù)來描述小腿相對于大腿的瞬時運動。一個自由剛體的螺旋運動可以被描述成剛體沿著某一固定軸線A移動一定距離d和繞著該軸線A轉(zhuǎn)動一定角度φ的運動合成，如圖3所示。設螺旋的節(jié)距(pitch)為q、螺旋軸為A，軸線A可由Plücker線坐標表示。

圖3 螺旋運動Fig. 3 Screw motion

(1)

式中:s是一個沿著螺旋軸方向的單位矢量，r0是螺旋軸上一點的位置矢量，q是節(jié)距。

1.3 點簇技術和螺旋參數(shù)的計算

對采集的15個屈伸角度對應的標志點坐標應用點簇技術(point cluster technology)算法[9]計算描述物體運動的齊次轉(zhuǎn)換矩陣。然后，根據(jù)Davidson和Hunt提出的算法，從齊次變換矩陣中提取出描述膝關節(jié)瞬時運動的螺旋參數(shù)[10]。

1.3.1 點簇技術算法

1) 在運動的物體上放置一組標志點(n>3)，在

任意轉(zhuǎn)角t，在全局坐標系中，表示標志點的坐標：

G(t)i=[g(t)ixg(t)iyg(t)iz]T，i=1，2，…，n

(4)

2) 為每一個點G(t)任意分配一個質(zhì)量m(t)，作為權(quán)重系數(shù)，計算這些點的質(zhì)心C(t)：

(5)

3) 在任意轉(zhuǎn)角t，G(t)i在全局坐標系下的坐標可以表示為

G(t)i=C(t)+R(t)·L(t)i，i=1,2,…,n

(6)

式中：R(t)為局部坐標系與全局坐標系之間的方向余弦矩陣，L(t)i表示在局部坐標系下標志點i的坐標。

4) 在局部坐標系下，標志點i的坐標L(t)i為

L(t)i=RT(t)·(G(t)i-C(t))

(7)

5) 方向余弦矩陣R(t)表示為

(8)

式中：E(t)i(i=1，2，3)為慣性張量I的特征向量：

E(t)j=[e(t)jxe(t)jye(t)jz]T，j=1，2，3

(9)

6) 將坐標系原點轉(zhuǎn)移到質(zhì)心C(t)上，各標志點的坐標為

P(t)i=G(t)i-C(t)，i=1，2，…，n

(10)

7) 慣性張量I表示為

(11)

設A系為全局坐標系(即NDI系統(tǒng)自身坐標系)，原點為A；D系為大腿局部坐標系，原點為CD(t)；X系為小腿局部坐標系，原點為CX(t)。通過上述算法，可以求出各個屈伸角度t時，X系相對于A系的方向余弦矩陣RX(t)，及小腿各個標志點在X系下的坐標。根據(jù)預定的實驗方案，在數(shù)據(jù)采集過程中大腿是固定不動的，由此可知，在屈伸過程中D系相對于A系的位姿不變。為了計算方便，定義D系各坐標軸的方向與A系各坐標軸方向?qū)嗤?，為減小計算誤差，取大腿上的四個標志點坐標的平均值作為大腿局部坐標系原點CD(t)坐標。在初始狀態(tài)下，人體大腿與小腿持平，各坐標系位姿如圖4所示。

由上述分析可得：

1) 小腿的局部坐標系X系相對大腿的局部坐標系D系的方向余弦矩陣R(t)為

R(t)=RX(t)

(12)

圖4 初始狀態(tài)下各坐標系位姿Fig. 4 The posture of coordinates in the initial state

2) 小腿的上標志點的坐標在大腿坐標系的表示為

(13)

3) 小腿局部坐標系的點在大腿局部坐標系表示的齊次變換矩陣T：

(14)

將齊次變換矩陣T表示為

(15)

1.3.2 螺旋參數(shù)的計算

1) 旋量$ij的前三個參數(shù)計算為(LMN)=((oz-ay)(ax-nz)(ny-ox))

(16)

2) 旋量$ij的后三個參數(shù)的計算：

①計算：

(17)

式中:a=xtf(oy+az)-ytfox-ztfax；b=-xtfny+ytf(nx+az)-ztfay；c=-xtfnz-ytfoz+ztf(nx+oy)。

(18)

③計算旋量$ij的后三個參數(shù)：

(19)

3) 計算繞螺旋軸A的轉(zhuǎn)角φ：

φ=

(20)

4) 沿著螺旋軸A移動的距離d的計算：

(21)

5) 計算旋量的節(jié)距q：

(22)

(23)

由上述各式可知，旋量的所有參數(shù)都可以求解。比如：式(20)、(21)分別計算繞螺旋軸轉(zhuǎn)角φ和沿螺旋軸移動距離d；式(22)可得節(jié)距值q；式(23)表示旋量的坐標，從中可以提取出螺旋軸矢量s。

1.4 膝關節(jié)螺旋軸分析和運動模型的建立

任意兩組標志點位置坐標之間都存在一個唯一的螺旋運動表示它們的瞬時變化。這些螺旋運動由其瞬時螺旋參數(shù)表示(詳見1.2.1節(jié))，其中一個重要參數(shù)就是螺旋軸A。這些螺旋軸的位姿變化表示了膝關節(jié)軸線在屈伸過程中的運動特性，如圖5～8所示。由圖可知，在屈伸過程中，膝關節(jié)螺旋軸位姿隨著關節(jié)轉(zhuǎn)角變化而變化。并且，一個關節(jié)轉(zhuǎn)角對應一個唯一的螺旋軸位姿。圖9表示了螺旋軸到大腿坐標系原點的距離變化。隨著關節(jié)轉(zhuǎn)角的增加，螺旋軸到大腿坐標系原點的距離不斷減小，表明了膝關節(jié)螺旋軸是瞬時的且不固定，與AlonWolf[5]得到的結(jié)論相同。

圖5 螺旋軸(三維視圖)Fig. 5 screw axes(3D view)

圖6 螺旋軸(水平面)Fig. 6 screw axes(horizontal)

圖7 螺旋軸(額狀面)Fig. 7 screw axes(frontal)

根據(jù)膝關節(jié)的生理結(jié)構(gòu)[11]和螺旋軸的瞬變性，一個關節(jié)轉(zhuǎn)角對應一個特定的螺旋軸位姿，也就是說：膝關節(jié)關節(jié)轉(zhuǎn)角與螺旋軸位姿之間存在確定的運動耦合關系。因此，膝關節(jié)的運動學模型可等效為一個關節(jié)轉(zhuǎn)角與螺旋軸位姿之間具有確定運動關系的廣義1自由度轉(zhuǎn)動副。

圖8 螺旋軸(矢狀面)Fig.8 screw axes(sagittal)

圖9 螺旋軸到大腿坐標系原點的距離Fig.9 The distance between screw axes and the origin of thigh coordinate

2 膝關節(jié)外骨骼機構(gòu)構(gòu)型綜合

2.1 運動不相容分析

由前節(jié)分析可知，膝關節(jié)的運動學模型可等效為一個軸線瞬變的廣義1自由度轉(zhuǎn)動副，如圖10所示。具有代表性的膝關節(jié)康復外骨骼裝置SERKA[6]，如圖11所示。當外骨骼SERKA與人體大腿、小腿緊致連接后，形成了人-機封閉運動鏈。假如人體膝關節(jié)是軸線固定關節(jié)，由于膝關節(jié)軸線的不可見性，在初始狀態(tài)下外骨骼關節(jié)軸線與人體膝關節(jié)軸線不對齊(如圖11虛線所示)，在這種情況下，由于自由度小于1，人-機閉鏈變成了超定運動系統(tǒng)，導致外骨骼SERKA與膝關節(jié)之間運動不相容。另一種情況，即使在初始狀態(tài)外骨骼關節(jié)軸線與人體膝關節(jié)軸線對齊，如圖11實線所示，由于膝關節(jié)轉(zhuǎn)動軸線的位姿在屈伸過程中不斷變化，也會出現(xiàn)外骨骼關節(jié)軸線與人體膝關節(jié)軸線不對齊的現(xiàn)象。在這種情況下，人-機閉鏈也變成了超定運動系統(tǒng)。根據(jù)自由度理論，在剛體模型假設下，超定運動系統(tǒng)是不可動的。實際上，由于人體皮膚組織是非剛體，當外骨骼主動關節(jié)驅(qū)動時，人-機閉鏈系統(tǒng)會因為人-機連接位置的彈性變形而運動，從而產(chǎn)生了由于過約束導致的內(nèi)部作用力。然而，這些作用力是由人-機閉鏈的內(nèi)部約束，非康復訓練任務所需的力。另外，隨著人-機閉鏈運動，這些作用力不斷發(fā)生變化。如果作用力過大，就容易導致康復訓練舒適性變差，甚至二次傷害。

根據(jù)上述分析，人機運動不相容和由于過約束在人-機界面處導致的內(nèi)部作用力主要是由外骨骼機構(gòu)與人體膝關節(jié)之間運動學特性的差異、人機連接誤差引起的軸線不對齊以及外骨骼在訓練過程中的滑動導致的。另外，從自由度的角度分析，人機運動不相容實際上是由人機閉鏈過約束導致的。因此，可以直接從人-機閉鏈是恰定運動系統(tǒng)的角度出發(fā)，進行膝關節(jié)康復外骨骼機構(gòu)構(gòu)型綜合。

圖10 膝關節(jié)運動學模型Fig. 10 Knee kinematic model

圖11 外骨骼SERKA和人-機封閉運動鏈Fig.11 SERKA exoskeleton and human-machine closed chain

2.2 外骨骼機構(gòu)構(gòu)型綜合

人體膝關節(jié)運動學模型為廣義1自由度轉(zhuǎn)動副，基于運動仿生設計，設定外骨骼的主動關節(jié)也為1自由度轉(zhuǎn)動副。因此，無論是骨骼模型還是外骨骼機構(gòu)做主動運動，為了保證聯(lián)體模型均為自由度為1的恰定運動系統(tǒng)，需在外骨骼主動關節(jié)與人體聯(lián)接環(huán)節(jié)添加被動運動副[12-14]，以保證人-機之間運動能夠完全相容。由文獻[15]可知，空間單閉鏈機構(gòu)的自由度公式為

(24)

式中：F為閉鏈自由度，fi為第i個運動副的相對自由度數(shù)，g為運動副的個數(shù)，d為運動空間的維度。

F=1+1+fb-6

(25)

式中：fb為聯(lián)接子鏈總的自由度數(shù)。

由式(25)可知，為了保證人-機閉鏈自由度F=1，需要在機構(gòu)主動轉(zhuǎn)動關節(jié)與人體膝關節(jié)之間添加5個自由度為1(轉(zhuǎn)動副和移動副)的被動運動副，以保證外骨骼主動轉(zhuǎn)動關節(jié)軸線與人體膝關節(jié)軸線在運動過程中保持對齊。根據(jù)上述要求，提出了外骨骼基礎構(gòu)型，如表3所示。

但是，基礎構(gòu)型中運動副數(shù)量較多，運動鏈較長，帶來了結(jié)構(gòu)復雜、傳遞效率較低及外骨骼機構(gòu)與人體膝關節(jié)運動特性偏差較大等弊端。為了簡化機構(gòu)構(gòu)型，通過低副高代的方法，把外骨骼基礎構(gòu)型中的單自由度運動副(轉(zhuǎn)動副R和移動副P)由高副(球副S、虎克鉸U和圓柱副C)替代。簡化構(gòu)型具體形式如表4所示。考慮外骨骼機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單性、人-機聯(lián)接子鏈形式、人-機運動相容性等因素，初選出4種人-機運動相容的外骨骼機構(gòu)構(gòu)型，如圖12所示，為優(yōu)選出一種與人體膝關節(jié)功能相近的康復外骨骼機構(gòu)構(gòu)型做好了準備。

表3 外骨骼基礎構(gòu)型

表4 外骨骼簡化構(gòu)型

圖12 外骨骼機構(gòu)初選構(gòu)型Fig. 12 Primary configuration of exoskeleton mechanism

由于人體組織是非剛體，人體的大腿段和小腿段可以視為是回轉(zhuǎn)體，為了傳遞力或力矩到肢體上，人-機連接部件需環(huán)繞于大腿和小腿。這些連接部件把由外骨骼施加的力或力矩轉(zhuǎn)化為壓力作用于肢體皮膚表面。因此，需特別考慮連接處應力的強度，避免應力過大導致的舒適性變差。假設人體大腿段和小腿段均是以Δ為軸線的回轉(zhuǎn)體，外骨骼機構(gòu)可施加四種載荷于回轉(zhuǎn)體上[12]：垂直于軸線Δ方向的力，沿著軸線Δ方向的力，繞著垂直于軸線Δ的軸線的力矩和繞著軸線Δ的力矩。

1) 可施加垂直于軸線Δ方向的力，但是與人體皮膚的接觸面應盡可能的大，以減小局部應力；反之，接觸面積較小，易導致局部應力較大和由于人體組織自身局限性導致力的方向不可控，使得在康復訓練中存在安全隱患。

2) 應避免沿著軸線Δ方向的力，膝關節(jié)骨骼結(jié)構(gòu)是由轉(zhuǎn)動副和桿件簡化組成，因此這類型的力不是康復訓練任務所需的力。如果沒有釋放這個自由度，當人機閉鏈為超定系統(tǒng)時，將會產(chǎn)生沿著軸線Δ方向的力，導致外骨骼機構(gòu)沿著軸線Δ方向竄動。由于人-機之間緊致連接，這樣的力將使人機之間產(chǎn)生滑動摩擦，導致皮膚表面產(chǎn)生較大的摩擦力，影響康復訓練的舒適性。

3) 需謹慎施加繞著垂直于軸線Δ的軸線的力矩，施加這樣的力矩易導致外骨骼與人體連接處應力集中，使得康復訓練舒適性變差。如果結(jié)構(gòu)允許的話，可由一對大小相等、方向相反的作用力來代替此力偶。

4) 避免傳遞繞著軸線Δ的力矩，傳遞此扭矩將使肌肉產(chǎn)生較大程度的變形，以及迫使韌帶一定程度的拉長，如圖13所示[12]。另外，傳遞此力矩使得連接部件與人體皮膚之間產(chǎn)生滑動摩擦，易導致康復訓練的舒適性變差，甚至給康復訓練者帶來二次傷害。

圖13 傳遞繞著軸線Δ的力矩引起的組織變形Fig. 13 Transmitting moments around the limb axis involves tissue deformations

綜合考慮人-機之間的相互作用力和需釋放的自由度，優(yōu)選出了一種人-機運動相容的康復外骨骼機構(gòu)構(gòu)型，如圖14所示。圓柱副C可以釋放沿肢體段軸線Δ的移動自由度，避免了由于外骨骼機構(gòu)沿軸線Δ方向竄動導致肢體皮膚表面產(chǎn)生較大的切應力，有助于改善康復訓練的舒適性。球副S能夠避免繞著垂直于軸線Δ的軸線的力矩；當球副S盡可能靠近軸線Δ時，還能夠避免繞軸線Δ的轉(zhuǎn)矩T引起的組織變形(如圖13所示)和肢體皮膚表面較大的摩擦力，以提高康復訓練的舒適性。在外骨骼主動關節(jié)R處，施加繞轉(zhuǎn)動副軸線的轉(zhuǎn)矩可有效地幫助人體膝關節(jié)完成康復訓練任務。

3 膝關節(jié)外骨骼裝置的結(jié)構(gòu)設計

建立膝關節(jié)康復外骨骼裝置三維模型，如圖15所示，由大腿穿戴夾具、運動支鏈、小腿穿戴夾具和驅(qū)動裝置組成。穿戴夾具用于康復外骨骼與人體下肢的固定連接，防止外骨骼在穿戴訓練過程中滑動；運動支鏈RkCS滿足膝關節(jié)運動的自由度要求，以保證穿戴外骨骼康復訓練時人-機運動相容；驅(qū)動裝置與外骨骼主動關節(jié)Rk相連，為膝關節(jié)的主動康復訓練提供動力?？紤]外骨骼機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，傳動鏈短等角度，設計外骨骼盡可能地貼近下肢肢體，外骨骼橫向桿在滿足要求的前提下長度最短。從而，在康復訓練所需的力大小一定的情況下，力臂越短，需提供的力矩也就越小，降低對驅(qū)動裝置的要求。此外，為保證康復訓練的舒適性和安全性，設計了特定的穿戴夾具，如圖16所示。穿戴夾具主要由：夾具外圈、夾具內(nèi)圈、夾緊氣囊、彈性襯套、調(diào)節(jié)螺紋桿、彈性墊圈、定位鍵和固定支架組成。利用夾緊氣囊充氣夾緊的原理，使得穿戴夾具不僅可以適用腿部不同粗細的患者使用，而且能夠避免人機之間的剛性接觸。

圖14 外骨骼構(gòu)型RkCSFig.14 Exoskeleton mechanism configuration RkCS

圖15 膝關節(jié)康復外骨骼裝置三維模型Fig. 15 Knee rehabilitation exoskeleton device 3D model

另一方面，由于外骨骼重力和人體下肢為非剛體等原因，康復訓練過程中易出現(xiàn)外骨骼相對肢體滑動的現(xiàn)象，會導致較大的皮膚表面滑動摩擦力，影響康復訓練的舒適性。為了減小滑動摩擦力和改善穿戴舒適性，借鑒文獻[14]中外骨骼穿戴夾具的設計特征，在夾具內(nèi)圈和外圈之間添加了彈性襯套和彈性墊圈等元件。如圖17所示，彈性襯套通過固定螺釘與夾具內(nèi)圈固連，并與調(diào)節(jié)螺桿通過螺紋連接；彈性墊圈套裝在調(diào)節(jié)螺桿外部，并與夾具外圈相貼合；鎖緊螺母裝于夾具外圈外側(cè)，將調(diào)節(jié)螺桿與夾具外圈鎖緊。這種結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)點是：在外骨骼重力作用下，彈性襯套和彈性墊圈會產(chǎn)生彈性變形，使得夾具內(nèi)、外圈之間產(chǎn)生小幅度的相對運動，進而降低了內(nèi)圈與肢體表面之間的相對運動趨勢。另外，彈性襯套和彈性墊圈的變形還能夠起到緩沖、吸收能量和降低人機約束強度的作用。

圖16 穿戴夾具設計Fig. 16 The design of wear fixture

圖17 穿戴夾具局部調(diào)節(jié)部件Fig. 17 The local regulation components of wear fixture

4 結(jié)論

1) 實驗采集了膝關節(jié)屈伸的運動數(shù)據(jù)，運用點簇技術算法和螺旋理論提取出了描述膝關節(jié)屈伸運動的螺旋參數(shù)，證明了膝關節(jié)運動軸線的瞬變特性，與Wolf Alon等學者得到的結(jié)論相近[4-6]，建立了基于膝關節(jié)轉(zhuǎn)角與螺旋軸位姿之間確定的耦合關系的膝關節(jié)運動學模型；

2) 根據(jù)人-機運動相容性和人-機閉鏈自由度分析，提出了外骨骼機構(gòu)的基礎構(gòu)型；通過低副高代，得到了機構(gòu)的簡化構(gòu)型；依據(jù)人-機約束力矩作用性質(zhì)和舒適性，優(yōu)選出了一種與膝關節(jié)運動相容的外骨骼機構(gòu)構(gòu)型?？紤]穿戴的舒適性和安全性，設計了一種結(jié)構(gòu)簡潔、人-機運動相容性的膝關節(jié)康復外骨骼裝置，為膝關節(jié)康復外骨骼設計提供一些理論分析基礎和結(jié)構(gòu)設計經(jīng)驗。

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Configuration synthesis and structure design of knee rehabilitation exoskeleton

LI Jianfeng1， HUANG Xiangqiang1， TAO Chunjing2， WANG Sa1， JI Run2

(1. College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China; 2. National Research Center for Rehabilitation Technical Aids， Beijing 100176， China)

In this study， we investigated the problem of designing a human-knee self-adaptive exoskeleton mechanism. From the test data of a knee-joint flexion experiment， we extracted instantaneous helix parameters of knee-joint motion. Given the physiological structure and the helical axis′s transient characteristics of the knee-joint， we established a knee-joint kinematics model. Then， considering the kinematical compatibility between humans and machines， we performed a freedom analysis of the human-machine closed chain and the human-machine constraint moment properties. In this paper， we propose a novel configuration for a knee exoskeleton mechanism， which is compatible with the human knee joint. With the goals of structural simplicity and comfort to the wearer， we designed a novel rehabilitation exoskeleton device for the knee complex， including the design of an exoskeleton body and a specific wearable jig. The proposed human knee exoskeleton enables ideal self-adaptation to the human knee axis.

knee rehabilitation; self-adaption; helical axis; kinematical compatibility; human-machine closed chain; configuration synthesis; physical design

2016-01-24.

日期：2017-03-17.

國家自然科學基金項目(61273342)；北京市自然科學基金項目(3132005).

李劍鋒(1964-)， 男， 教授，博士生導師.

李劍鋒， E-mail:lijianfeng@bjut.edu.cn.

10.11990/jheu.201601081

TP242

A

1006-7043(2017)04-0625-08

李劍鋒，黃相強，陶春靜，等.膝關節(jié)康復外骨骼構(gòu)型綜合與結(jié)構(gòu)設計[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2017， 38(4): 625-632.

LI Jianfeng， HUANG Xiangqiang， TAO Chunjing，et al.Configuration synthesis and structure design of knee rehabilitation exoskeleton[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(4): 625-632.

網(wǎng)絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170317.1938.024.html