主動柔順膝關(guān)節(jié)助力機(jī)構(gòu)設(shè)計

韋祖拔　紀(jì)平鑫　莫新民

摘 要：為提高助力外骨骼的可穿戴性和柔順性能，基于雙橢圓模型提出了一種主動柔順的膝關(guān)節(jié)助力機(jī)構(gòu)，采用平面四連桿機(jī)構(gòu)結(jié)合串聯(lián)作動器的設(shè)計方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。與傳統(tǒng)單鉸鏈的剛性機(jī)構(gòu)相比，該機(jī)構(gòu)更匹配人體膝關(guān)節(jié)運(yùn)動，克服了傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致人體運(yùn)動受限，出現(xiàn)過強(qiáng)的約束力，舒適性不足，人機(jī)交互力波動明顯的缺點(diǎn)。人機(jī)耦合計算結(jié)果表明機(jī)構(gòu)與人體的能滿足運(yùn)動學(xué)匹配，人機(jī)交互波動小，具備較好的可穿戴性能。

關(guān)鍵詞：膝關(guān)節(jié)；下肢外骨骼；主動；柔順；機(jī)構(gòu)設(shè)計

1.引言

膝關(guān)節(jié)在日常活動中一直受到高強(qiáng)度的載荷，容易疲勞老化，受到損傷。為了增強(qiáng)人體機(jī)能，提高人體的耐疲勞度，本文開展外骨骼膝關(guān)節(jié)助力機(jī)構(gòu)設(shè)計。目前，膝關(guān)節(jié)助力以剛性結(jié)構(gòu)為主，對于穿戴式助力這種“人在環(huán)”的特殊系統(tǒng)，剛性結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致人體運(yùn)動受限，出現(xiàn)過強(qiáng)的約束力，導(dǎo)致舒適性變差，人機(jī)交互力波動明顯；而主動柔順助力系統(tǒng)穿戴的主觀感受好，對人體的運(yùn)動范圍影響很小，系統(tǒng)更具靈活性，在邊防巡邏、城市作戰(zhàn)等軍事領(lǐng)域和助老助殘領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用價值。

本文由膝關(guān)節(jié)運(yùn)動機(jī)理出發(fā)，基于雙橢圓模型，提出了柔順化的膝關(guān)節(jié)助力機(jī)構(gòu)，采用平面串聯(lián)四連桿的方案的進(jìn)行膝關(guān)節(jié)助力機(jī)構(gòu)的設(shè)計，并進(jìn)行人機(jī)耦合計算與分析。結(jié)果顯示機(jī)構(gòu)與人體運(yùn)動更貼合，人機(jī)交互力波動較小，具備較好的可穿戴性能。

2.人體膝關(guān)節(jié)模型建立

人體膝關(guān)節(jié)運(yùn)動模型是機(jī)構(gòu)設(shè)計的重要依據(jù)。真實(shí)人體膝關(guān)節(jié)十分復(fù)雜，由小腿脛骨、大腿脛骨、韌帶、肌肉等組成，脛骨之間的接觸面并不規(guī)則，所以在膝關(guān)節(jié)屈伸時接觸面之間并不是純滾動，而是滾動中還夾雜著滑動。單鉸鏈約束會導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)實(shí)際運(yùn)動軌跡不夠貼合，會影響穿戴者的舒適度，還可能引起一定的運(yùn)動干涉，甚至損傷人體。因此，為獲取更符合人體膝關(guān)節(jié)實(shí)際運(yùn)動的模型，對膝關(guān)節(jié)運(yùn)動模型的研究很有必要。

近年來許多學(xué)者在研究利用簡化模型來描述膝關(guān)節(jié)在矢狀面的運(yùn)動，應(yīng)用比較廣泛的3個模型，有雙圓心模型，雙橢圓模型，速度瞬心模型[1]。通過比較發(fā)現(xiàn)，雙橢圓模型能較好模擬實(shí)際膝關(guān)節(jié)運(yùn)動中轉(zhuǎn)動與滑動的運(yùn)動過程。由此本文選擇以王東海等提出的雙橢圓模型[2]為基礎(chǔ)，進(jìn)行更深入的研究?；诮馕龇ㄟx定參考系，根據(jù)實(shí)際尺寸參數(shù)，建立了雙橢圓模型，并進(jìn)行理論分析，推導(dǎo)出雙橢圓相對運(yùn)動關(guān)系。

膝關(guān)節(jié)的建模和分析在矢狀面內(nèi)進(jìn)行，如圖1所示。

該模型將人體膝關(guān)節(jié)的脛骨和股骨分別簡化為橢圓B和橢圓D。以人體踝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動中心O點(diǎn)為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，矢狀面內(nèi)水平向膝關(guān)節(jié)后面為X軸正方向。B，D位于兩橢圓的幾何中心。OB為人體小腿的軸線，OD為人體的大腿軸線。E點(diǎn)為大腿上端端點(diǎn)。大腿與小腿軸線的夾角為膝關(guān)節(jié)的角度。人體平地行走時，膝關(guān)節(jié)由完全伸直到彎曲，角度從-5°變化到約120°。C點(diǎn)為兩橢圓接觸點(diǎn)。C點(diǎn)的起始接觸點(diǎn)C0坐標(biāo)由C0點(diǎn)到后脛骨中心線ITPC的距離d確定。初始位置d=23mm。兩橢圓的相關(guān)參數(shù)[3]所示：

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)人體尺寸[4]，人體大小腿長度和身高H呈一定的比例關(guān)系。按照人體身高的百分?jǐn)?shù)[3，取人體身高H=175cm。取小腿長，大腿長。OB的長度為小腿長度與橢圓B的小徑之間的差值。同理，DE的長度為大腿長度與橢圓D的小徑之間的差值，即。O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0），B點(diǎn)坐標(biāo)為（0，398.5），D點(diǎn)坐標(biāo)為（-15.5，500），初始接觸點(diǎn)C0點(diǎn)坐標(biāo)為（-8，415.8），D點(diǎn)的坐標(biāo)為（-15.5，445），E點(diǎn)坐標(biāo)（-15.5，968）。膝關(guān)節(jié)滑轉(zhuǎn)的示意圖如圖1右邊所示。由于C點(diǎn)是上下橢圓的聯(lián)接點(diǎn)，其存在既轉(zhuǎn)又滑的問題。膝關(guān)節(jié)由完全伸直到彎曲120°的過程中，接觸點(diǎn)C也隨之變化C點(diǎn)在兩橢圓弧的軌跡如圖所示。

膝關(guān)節(jié)行走中的滑轉(zhuǎn)，可以由各參數(shù)點(diǎn)坐標(biāo)在上、下橢圓的軌跡隨膝關(guān)節(jié)角度θ的變化來描述。為求出膝關(guān)節(jié)角度θ與C點(diǎn)的關(guān)系，下面引入橢圓極坐標(biāo)下的圓心角和向徑來描述。

3.機(jī)構(gòu)設(shè)計

外骨骼的可穿戴性要求它需要合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計。良好的機(jī)構(gòu)設(shè)計方案和布局可以提高穿戴舒適度，減少人機(jī)交互力，同時也便于動力單元，傳感單元等的布置，使結(jié)構(gòu)更加緊湊輕巧，便于穿戴。

目前外骨骼機(jī)構(gòu)有單鉸鏈結(jié)構(gòu)和多連桿結(jié)構(gòu)，包括四連桿，五連桿結(jié)構(gòu)等。單鉸鏈結(jié)構(gòu)形式簡單，驅(qū)動以及控制方便，但是單自由度鉸鏈限制了膝關(guān)節(jié)既轉(zhuǎn)又滑的運(yùn)動，機(jī)械剛性過大不夠柔順，易造成人機(jī)運(yùn)動不匹配，甚至損傷人體。人-機(jī)使用過程中的并聯(lián)過約束特性也是剛性機(jī)構(gòu)的硬傷，需要花費(fèi)巨大的精力和心血去解決過約束外骨骼結(jié)構(gòu)，應(yīng)具有比較容易的隨形特征，盡可能避免復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，體積、形狀、重量等指標(biāo)應(yīng)以小、柔、輕為設(shè)計目標(biāo)。所以，過于集中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、平面的多連桿結(jié)構(gòu)等非為上選。這些結(jié)構(gòu)能夠依據(jù)膝關(guān)節(jié)的相關(guān)運(yùn)動學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)某些運(yùn)動特性的模擬或復(fù)現(xiàn)，但是，并不能完全涵蓋全部的運(yùn)動特征和范圍，針對于非健全人的康復(fù)醫(yī)療束和并聯(lián)運(yùn)動的奇異點(diǎn)問題。

本文選擇平面四連桿機(jī)構(gòu)的方案以實(shí)現(xiàn)柔順化。采用平面四連桿的意義主要體現(xiàn)在：首先，待開發(fā)的膝關(guān)節(jié)的外在形式對不同于傳統(tǒng)的剛性來說也許是有很大的意義的，可針對有行動能力且需要增強(qiáng)其運(yùn)動機(jī)能減輕人體負(fù)擔(dān)的外骨骼應(yīng)用群體來說，是達(dá)不到應(yīng)用需求的。眾多的結(jié)構(gòu)桿件或者集中稍顯過重的設(shè)計對攜帶簡便性即拿即用性來說也是負(fù)擔(dān)，造成不方便。因此，研發(fā)具備運(yùn)動范圍暴露能力的串聯(lián)式四連桿膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)是有必要的且可行的。

本節(jié)分析膝關(guān)節(jié)助力機(jī)構(gòu)的各個構(gòu)件的設(shè)計，利用CAD等軟件進(jìn)行了三維建模完成各桿件和零件的三維設(shè)計。

膝關(guān)節(jié)助力機(jī)構(gòu)主要由大小腿連接桿，上下轉(zhuǎn)換桿，鋼絲，滾輪等其他零件組成。膝關(guān)節(jié)助力機(jī)構(gòu)示意圖如下圖所示。

具體的組成為：主要組成結(jié)構(gòu)有1大腿連接桿；2滑輪；3導(dǎo)輪，固定環(huán)，鋼絲鎖扣；5.鋼絲繩；8上轉(zhuǎn)換桿；9下轉(zhuǎn)換桿；12小腿連接桿；13彈簧。其余零件還有各個桿件之間的連接鉸，支撐墊片，內(nèi)外側(cè)軸套等。在設(shè)計結(jié)構(gòu)時為了保證質(zhì)量輕便、結(jié)構(gòu)簡潔，盡可能少使用緊固件和機(jī)械零件。

4.人機(jī)耦合建模與分析

圖3所示為人體穿戴四連桿機(jī)構(gòu)的人機(jī)耦合模型。約定人體用大寫字母標(biāo)識，四連桿機(jī)構(gòu)采用雙字母表示，右一個字母為E。AE、EE分別為小腿與大腿處的人機(jī)綁縛點(diǎn)，通過綁帶將機(jī)構(gòu)固定在人體肢體上。機(jī)構(gòu)穿戴到人體身上以后，OE至O點(diǎn)的豎直距離為YE至O點(diǎn)的水平距離為XE，AE與OB的夾角為。OA長度為l1。

于是AE點(diǎn)坐標(biāo)可以表示為：

如圖所示，紅線為上肢桿綁縛點(diǎn)處的受力，藍(lán)線為下肢桿綁縛點(diǎn)處的受力。在支撐相初期，鋼絲繩通過拉力驅(qū)動桿件，帶動人體行走。此時機(jī)構(gòu)受人體的阻力最大，約為-300N。隨著步行進(jìn)入中后期，人機(jī)交互力由負(fù)轉(zhuǎn)為零。而后進(jìn)入擺動相時期，系統(tǒng)不再提供助力，由交互力帶動四連桿運(yùn)動，交互力為正值且逐漸增大。在整個支撐相步態(tài)中人機(jī)交互力均值較小，且無明顯波動。

5.結(jié)論

膝關(guān)節(jié)是人體中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的關(guān)節(jié)之一，運(yùn)動形式也比較復(fù)雜。有學(xué)者提出雙橢圓模型來描述膝關(guān)節(jié)矢狀面內(nèi)既轉(zhuǎn)又滑的運(yùn)動。筆者采用解析法建立一個膝關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)模型，求出膝關(guān)節(jié)運(yùn)動軌跡，以此為設(shè)計輸入進(jìn)行柔順化膝關(guān)節(jié)助力機(jī)構(gòu)的設(shè)計。建立人機(jī)耦合模型，進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分動力學(xué)計算分析，求出了人機(jī)運(yùn)動軌跡變化規(guī)律和人機(jī)交互力的變化規(guī)律。人機(jī)耦合計算結(jié)果表明四連桿機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)與人體的能滿足運(yùn)動學(xué)匹配，人機(jī)交互波動小，具備較好的可穿戴性能。

參考文獻(xiàn)

[1]李劍鋒等.膝關(guān)節(jié)康復(fù)外骨骼外骨骼構(gòu)型綜合與結(jié)構(gòu)設(shè)計[J] Journal of Harbin Engineering University，2017第38卷第四期

[2]王東海.基于行走步態(tài)的被動式重力支撐柔性下肢外骨骼系統(tǒng)[D].杭州：浙江大學(xué)，2017

[3]Kok-Meng Lee，Jiajie Guo.Kinematic and dynamic analysis of an anatomically based knee joint.[J] Journal of Biomechanics，2010 1231-1236

[4]GB/T 17245-2004

（作者單位：西北機(jī)電工程研究所）