康復(fù)用下肢外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

張峻霞，李 威，張遵浩，蘇子懿，蘇海龍

(天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計(jì)與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

康復(fù)用下肢外骨骼是一種輔助病人站立、行走的雙足裝置[1]．在國(guó)內(nèi)外對(duì)外骨骼的研究中，Rewalk Robotics公司設(shè)計(jì)制造的外骨骼用于幫助截癱患者實(shí)現(xiàn)獨(dú)立行走，工作原理是外骨骼通過(guò)檢測(cè)患者重心的變化，利用電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)裝置的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)．但是此款外骨骼不能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)可調(diào)，且價(jià)格比較昂貴[2]．新西蘭 Rex Bionics公司研制的外骨骼能支撐殘障患者的身體，幫助他們重新站起來(lái)．但是裝置的質(zhì)量高達(dá) 38 kg，行走姿勢(shì)更像是在地面上滑行而不是真正的著地步行[3]．總結(jié)國(guó)內(nèi)外幾款典型的外骨骼，均存在以下關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：外骨骼與人體的協(xié)調(diào)性較差；外骨骼整機(jī)質(zhì)量普遍過(guò)重導(dǎo)致使用不便[4–5]．

本文在分析人體下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款外骨骼．通過(guò)使用碳纖維和航空鋁材料大大減輕了裝置質(zhì)量，使用無(wú)級(jí)可調(diào)機(jī)構(gòu)提高了人機(jī)協(xié)調(diào)性．該裝置既可以作為截癱患者的代步工具，也可以作為腦卒中患者康復(fù)訓(xùn)練的器具．

1 人體下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)理

人行走主要是由下肢髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，其運(yùn)動(dòng)器官由骨骼肌、肌腱、關(guān)節(jié)共同組成．通過(guò)附著在骨骼上的骨骼肌的收縮舒張運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)相關(guān)骨骼和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，完成行走過(guò)程[6]．此過(guò)程類似于機(jī)械原理中的四連桿運(yùn)動(dòng)，將人體骨骼肌帶動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與四連桿運(yùn)動(dòng)進(jìn)行類比，如圖1所示．

圖1 肌肉驅(qū)動(dòng)原理圖Fig. 1 Muscle driving principle diagram

2 康復(fù)用下肢外骨骼整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 自由度配置及運(yùn)動(dòng)參數(shù)采集

在將足部看作一個(gè)整體的情況下，人體單側(cè)下肢主要有 7個(gè)自由度．其中：髖關(guān)節(jié)有 3個(gè)自由度；踝關(guān)節(jié)有 3個(gè)自由度，分別是在矢狀面上繞冠狀軸的屈/伸運(yùn)動(dòng)，冠狀面上繞矢狀軸的外展/內(nèi)收運(yùn)動(dòng)，水平面上繞垂直軸的旋內(nèi)/旋外運(yùn)動(dòng)；膝關(guān)節(jié)有 1個(gè)自由度，是在矢狀面上繞冠狀軸的屈/伸運(yùn)動(dòng)[7]．

考慮腦卒中患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)的下肢運(yùn)動(dòng)主要集中在矢狀面上；人行走需要的力量主要來(lái)源于髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，與下肢矢狀面的自由度相關(guān)性最大，故本文設(shè)計(jì)的外骨骼主要考慮矢狀面上的運(yùn)動(dòng)．該裝置在矢狀面內(nèi)設(shè)置髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)為主動(dòng)自由度，即利用外骨骼髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)人體髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)．踝關(guān)節(jié)設(shè)置為被動(dòng)自由度，即外骨骼的踝關(guān)節(jié)隨著人體踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，保證人體與外骨骼運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)一致．

選用1名身高1.76m，體質(zhì)量75kg的健康成年男性作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象．利用Vicon系統(tǒng)采集實(shí)驗(yàn)對(duì)象正常行走時(shí)的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)角度變化曲線如圖2所示．根據(jù)圖 2中各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度數(shù)據(jù)可以得到：髖關(guān)節(jié)屈極限為 17°，伸極限為 43°；膝關(guān)節(jié)屈極限為71°，伸極限為 0°．

2.2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能．利用安裝在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處的驅(qū)動(dòng)裝置產(chǎn)生的直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)．人體下肢運(yùn)動(dòng)的極限位置見(jiàn)圖3．

圖2 髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度變化圖Fig. 2 Change of hip and knee joint angle

圖3 下肢機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)極限位置簡(jiǎn)圖Fig. 3 Motion limit position of lower limb

結(jié)合四桿機(jī)構(gòu)的原理、裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡和正常人體的尺寸可以確定四桿機(jī)構(gòu)各桿件的長(zhǎng)度．分析下肢殘障患者前期恢復(fù)步態(tài)行走的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)得人體步態(tài)數(shù)據(jù)，設(shè)置外骨骼裝置的髖關(guān)節(jié)屈極限15°，伸極限 35°；膝關(guān)節(jié)屈極限 70°，伸極限 0°．利用各關(guān)節(jié)的極限位置計(jì)算滾珠絲杠的行程．髖關(guān)節(jié)處滾珠絲杠的行程如圖3(a)所示，AE1表示絲杠完全縮回，絲杠安裝位置至絲杠末端的長(zhǎng)度．AE表示絲杠伸出一定距離，絲杠安裝位置至絲杠末端的長(zhǎng)度．其中，AB＝100mm，BC＝57mm，CD＝CD1＝90mm，DE＝D1E1＝50mm．

當(dāng)髖關(guān)節(jié)屈15°時(shí)

由余弦定理可知

當(dāng)髖關(guān)節(jié)伸35°時(shí)

由余弦定理可知

故安裝在髖關(guān)節(jié)處的滾珠絲杠的行程為

膝關(guān)節(jié)處滾珠絲杠的行程如圖3(b)所示，BC表示絲杠完全縮回時(shí)，絲杠安裝位置至絲杠末端的長(zhǎng)度．BC1表示絲杠伸出一定距離時(shí)，絲杠安裝位置至絲杠末端的長(zhǎng)度．

當(dāng)膝關(guān)節(jié)與地面垂直，即伸0°時(shí)

由余弦定理可知

當(dāng)膝關(guān)節(jié)屈70°時(shí)

由余弦定理可知

故安裝在膝關(guān)節(jié)處的滾珠絲杠行程為

2.3 驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

人體下肢運(yùn)動(dòng)特性分析表明，人在正常行走過(guò)程中，通過(guò)骨骼肌直線收縮產(chǎn)生的拉力為各關(guān)節(jié)提供動(dòng)力并轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)．故本設(shè)計(jì)采用伺服電機(jī)加滾珠絲杠的直線執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)方式與人體下肢骨骼肌肉的運(yùn)動(dòng)相近．此方式利用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的易于控制、運(yùn)動(dòng)響應(yīng)快、精度高、驅(qū)動(dòng)效率高的特點(diǎn)，而且連續(xù)工作制可達(dá)到 100%，能提供持續(xù)穩(wěn)定的動(dòng)力[8].根據(jù)滾珠絲杠需要的行程，后續(xù)對(duì)人穿戴外骨骼模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，分析計(jì)算后對(duì)滾珠絲杠和電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行選擇．伺服電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩與滾珠絲杠的推力關(guān)系為

式中：T為電機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩，N·m；F為滾珠絲杠推力，N；L為滾珠絲杠導(dǎo)程，mm；η為電機(jī)到滾珠絲杠的傳動(dòng)效率．

計(jì)算得到能為髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)提供的最大轉(zhuǎn)矩分別為

式中：Fh表示髖關(guān)節(jié)處滾珠絲杠的推力；Fk表示膝關(guān)節(jié)處滾珠絲杠的推力．

2.4 無(wú)級(jí)可調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選擇

為使外骨骼達(dá)到人機(jī)高度協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)了無(wú)級(jí)可調(diào)結(jié)構(gòu)，即可以根據(jù)穿戴者自身尺寸對(duì)外骨骼進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證該裝置最大程度貼合穿戴者．外骨骼腿桿結(jié)構(gòu)(以小腿桿為例)見(jiàn)圖 4，上端碳纖維管和下端碳纖維管均與碳管端部螺紋套用環(huán)氧樹(shù)脂粘接劑 DP460粘接，碳管端部螺紋套與六方中間桿細(xì)牙用螺紋連接，通過(guò)旋轉(zhuǎn)六方中間桿細(xì)牙調(diào)節(jié)桿長(zhǎng)達(dá)到所需長(zhǎng)度，用軸端緊定螺母進(jìn)行鎖緊．大腿桿長(zhǎng)調(diào)節(jié)方法采用相同原理．該裝置的小腿桿長(zhǎng)可調(diào)范圍為 324～419mm，大腿桿長(zhǎng)可調(diào)范圍為 413～523mm，滿足第99百分位人群使用．

圖4 小腿桿結(jié)構(gòu)Fig. 4 Leg rod structure

使用新材料是實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的重要途徑[9]．裝置中除了標(biāo)準(zhǔn)件外，關(guān)節(jié)處的活動(dòng)部件采用航空鋁材料，其他部位包括靠背、腰部、大小腿桿、腳板均使用碳纖維材料．航空鋁材料易加工、抗氧化、耐腐蝕．碳纖維材料質(zhì)量輕、抗拉強(qiáng)度好、壽命長(zhǎng)．使用碳纖維和航空鋁材料后，與課題組上一代外骨骼的總質(zhì)量 30kg相比，減輕了 5kg．建立的外骨骼三維模型如圖5所示，樣機(jī)如圖6所示．

圖5 外骨骼三維模型Fig. 5 3D model of exoskeleton

圖6 外骨骼樣機(jī)Fig. 6 Exoskeleton prototype

3 動(dòng)力學(xué)仿真

采用交互式仿真，即運(yùn)用STEP角位移函數(shù)作為驅(qū)動(dòng)函數(shù)，驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)在矢狀面轉(zhuǎn)動(dòng)，可以逆推出完成給定運(yùn)動(dòng)所需驅(qū)動(dòng)力矩，進(jìn)而確定滾珠絲杠及電機(jī)的參數(shù)．將建立的人體穿戴外骨骼三維模型簡(jiǎn)化后導(dǎo)入ADAMS中，如圖7所示，分別為外骨骼和人體模型設(shè)置材料屬性、添加約束和角位移驅(qū)動(dòng)函數(shù)．

圖7 ADAMS中的人體穿戴外骨骼模型Fig. 7 Model of human wearing exoskeleton in ADAMS

3.1 髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度變化分析

將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的人體步態(tài)數(shù)據(jù)輸入 step驅(qū)動(dòng)函數(shù)中，對(duì)外骨骼進(jìn)行仿真．仿真結(jié)束進(jìn)行后處理，輸出髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的角度、力矩等參數(shù)．其中測(cè)得人體右髖關(guān)節(jié)和右膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度變化曲線與裝置仿真曲線見(jiàn)圖8．

圖8 人體右髖關(guān)節(jié)和右膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度變化曲線與裝置仿真曲線Fig. 8 Experimental gait curve and the device simulation curve of human right hip joint and knee joint

將實(shí)際測(cè)量的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)角度變化曲線與仿真曲線進(jìn)行對(duì)比分析可知，仿真得到的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度范圍均在人的正常運(yùn)動(dòng)范圍之內(nèi)，即穿戴外骨骼的步態(tài)曲線與人體正常步態(tài)曲線基本一致，人穿戴外骨骼后基本能按照人體步態(tài)曲線行走．

3.2 髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩變化分析

根據(jù)圖9的仿真結(jié)果，人體穿戴外骨骼系統(tǒng)在髖關(guān)節(jié)處產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩為 241N·m，在膝關(guān)節(jié)處產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩為77N·m．

圖9 裝置髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩變化曲線Fig. 9 Curve of torque change of hip joint and knee joint in the device

表1 髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處的動(dòng)力元件參數(shù)Tab. 1 Parameters of dynamic elements of hip joint and knee joint

根據(jù)仿真的力矩選擇的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)動(dòng)力元件的參數(shù)見(jiàn)表 1．通過(guò)式(1)—式(3)計(jì)算得髖關(guān)節(jié)處滾珠絲杠最大的推力為 3391.2N，膝關(guān)節(jié)處滾珠絲杠的最大推力為 1836.9N．兩關(guān)節(jié)處滾珠絲杠的最大推力均小于所選擇滾珠絲杠的最大動(dòng)載．髖關(guān)節(jié)處的驅(qū)動(dòng)裝置提供的最大轉(zhuǎn)矩為 288.3N·m，膝關(guān)節(jié)處的驅(qū)動(dòng)裝置提供的最大轉(zhuǎn)矩為97.5N·m．兩關(guān)節(jié)處的驅(qū)動(dòng)裝置提供的轉(zhuǎn)矩均大于人穿戴下肢外骨骼仿真所得的最大轉(zhuǎn)矩．結(jié)果說(shuō)明選取的驅(qū)動(dòng)裝置滿足人體穿戴下肢外骨骼行走的動(dòng)力需求．

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款六自由度康復(fù)用下肢外骨骼，采用無(wú)級(jí)可調(diào)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)滿足第 99百分位人群使用．主要桿件均使用碳纖維或航空鋁材料，減輕了裝置質(zhì)量．建立動(dòng)力學(xué)模型并用 ADAMS軟件對(duì)外骨骼進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，確定了電機(jī)與滾珠絲杠的參數(shù).仿真結(jié)果表明人穿戴外骨骼能按照人的步態(tài)行走.通過(guò)有線電源驅(qū)動(dòng)，人穿戴外骨骼樣機(jī)進(jìn)行了行走試驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性和裝置設(shè)計(jì)的合理性．