淺析輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人設(shè)計的可行性

王楚鑫

關(guān)鍵詞：輕量化;自助式;康復(fù)外骨骼機器人;可行性

根據(jù)中國殘疾人聯(lián)合會統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示，截止到2019 年中國殘疾人總數(shù)將近九千萬，其中肢體殘疾的人數(shù)占四分之一?；疾〕跗谟行У乜祻?fù)訓(xùn)練對殘障患者的日常生活活動能力和運動功能恢復(fù)具有良好的促進作用[1]。目前我國合格的康復(fù)醫(yī)師占基本人群比例僅為每10 萬人中1.7 個人，遠遠不能滿足患者的康復(fù)需求，康復(fù)專業(yè)人才存在巨大的缺口[2]。隨著科技的發(fā)展，運動康復(fù)療法也在不斷地創(chuàng)新，從最初普通的器械到智能化輔助器械逐漸進入醫(yī)院，科技的力量正在改變傳統(tǒng)的方法，為患者和醫(yī)護人員提供最佳的儀器和治療方法。

下肢康復(fù)機器人能夠有效地幫助肢體運動障礙患者進行康復(fù)治療[3]，已經(jīng)在機器人領(lǐng)域的得到廣泛關(guān)注。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有很多比較成熟的可穿戴外骨骼機器人產(chǎn)品，這為本研究所提出的輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人的設(shè)計可行性提供了支撐，但是大多都是減重反饋綜合訓(xùn)練系統(tǒng)，體積大、價格較高，同時因為便攜性差、價格高昂及操作復(fù)雜程度高的特性決定了下肢康復(fù)外骨骼機器人需要在醫(yī)院進行操作治療。因此，本文設(shè)計了一款適合于居家康復(fù)的輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人，并通過ADAMS 仿真對所建立的外骨骼機器人進行可行性分析。

1 輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人概述

輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人是為幫助康復(fù)后期有一定運動能力的殘障患者進行居家康復(fù)訓(xùn)練而設(shè)計的，因此外骨骼機器人需要滿足輕便性和人機協(xié)調(diào)性。本文設(shè)計的外骨骼機器人主要包括腰部連接桿、大腿桿、小腿桿、足底支撐、驅(qū)動單元和緊固綁帶，機械結(jié)構(gòu)相對簡單，其中大腿桿和小腿桿部件采用無級可調(diào)機制，能夠滿足95% 以上的人群使用。為了減輕外骨骼整體質(zhì)量，對外骨骼機器人的結(jié)構(gòu)進行簡化，在單側(cè)腿設(shè)置了3 個自由度，這是因為下肢運動主要發(fā)生在矢狀面上，因此3 個自由度分別設(shè)置為髖關(guān)節(jié)的屈—伸主動自由度、膝關(guān)節(jié)屈—伸主動自由度、踝關(guān)節(jié)背曲—跖屈被動自由度。外骨骼機器人的驅(qū)動方式采用電機絲杠傳動，將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，從而帶動髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)實現(xiàn)屈伸運動，踝關(guān)節(jié)不施加驅(qū)動單元。在Solidworks 中完成對輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人的建模，模型圖如圖1 所示，尺寸表如表1 所示。

2輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人設(shè)計的可行性分析

根據(jù)輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人的尺寸、自由度設(shè)置和驅(qū)動方式，將Solidworks 建立的模型導(dǎo)入到ADAMS 中，通過建立關(guān)節(jié)約束，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動副和絲杠位移副，得到外骨骼機器人仿真模型，并進行關(guān)節(jié)力矩和關(guān)節(jié)角度跟蹤仿真分析，以驗證所設(shè)計的輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人的可行性。

2.1 建立輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人仿真模型

為了對輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人進行運動學(xué)和動力學(xué)分析，將輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人簡化為一個五連桿模型，包括腰部桿、兩個大腿桿和兩個小腿桿。由于踝關(guān)節(jié)位置無驅(qū)動單元，所以將足底支撐部分與小腿桿固定到一起?；诖?，結(jié)合輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人的基本尺寸，在ADAMS /View 模塊中建立下肢輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人的簡化模型。ADAMS / View 提供了大量的約束庫、確定好各參考點的位置后，新建Link 件，各參考點被依次連接，下肢輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人的簡化模型可以構(gòu)建得到，如圖2 所示。選取模型材料為鋁合金，密度的大小設(shè)置為2.74E-006Kg / mm^3，泊松比0.330，楊氏模量的值為72.0GPa。零件庫和動力學(xué)元件庫，操作簡單，交互界面友好。為了建立輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人的簡化模型，在ADAMS / View 中選取并建立五個桿件的參考點。重心的默認位置位于形心，是由ADAMS 根據(jù)模型的形狀推算得到，各個桿件的轉(zhuǎn)動慣量根據(jù)模型的材料和結(jié)構(gòu)尺寸計算得出，并且這些參數(shù)可以根據(jù)實際需求進行靈活調(diào)整。

建立下肢各構(gòu)件的物理模型，對各個桿件的連接點及關(guān)節(jié)處施加約束，同時在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)施加驅(qū)動。為了仿真的便利性，本研究假定所有的輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人的桿件都是剛體，桿件之間的連接采用剛性連接的方式，驅(qū)動器施加的驅(qū)動力矩和功率滿足輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人運動的需要，各部分構(gòu)件之間的摩擦予以忽略。為了盡可能地貼合真實的下肢輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人結(jié)構(gòu)，需要將腰部位置的桿件進行固定，因此在腰部桿件和髖部位置的連接處設(shè)置一個Fixed 連接。根據(jù)本文所提出的踝關(guān)節(jié)為無動力關(guān)節(jié)，為了防止仿真過程中出現(xiàn)誤差，在足底支撐和小腿桿件的連接處也添加一個Fixed 連接。為了實現(xiàn)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的屈—伸運動，在髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)處分別施加一個鉸鏈連接，并在每個鉸鏈連接上添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。最后，下肢輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人需要通過前進運動以獲得各關(guān)節(jié)的性能參數(shù)，因此在腰部桿件與地面之間添加了一個平移驅(qū)動，通過步態(tài)實驗測得人體平均步速，所以本文設(shè)定平移驅(qū)動的速度為1.2m / s。

2.2 關(guān)節(jié)力矩仿真驗證

在ADAMS 軟件中對所設(shè)計的輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人進行動力學(xué)仿真，獲得輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人在運動過程中的關(guān)節(jié)力矩和關(guān)節(jié)角度的變化情況。

輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)力矩分布的仿真結(jié)果如圖3 所示，單位為N · m。髖關(guān)節(jié)處和膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生的最大的轉(zhuǎn)矩分別為241N · m 和77N · m，均大于人體實際的髖、膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩，所以設(shè)定的髖、膝關(guān)節(jié)處的驅(qū)動裝置滿足助行器載人行走的動力需求。

2.3 關(guān)節(jié)角度跟蹤仿真驗證

為了驗證所設(shè)計的輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人的運動特性與人體運動是否一致，需要從關(guān)節(jié)角度的變化趨勢來觀察。本研究采用三維動作捕捉系統(tǒng)對正常人體真實運動關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)進行采集，用來作為對照組。仿真結(jié)果與人體真實步態(tài)的對比結(jié)果如圖4 和圖5 所示，其中紅色虛線代表仿真結(jié)果，藍色實線代表人體步態(tài)變化曲線。根據(jù)實驗結(jié)果的結(jié)果看出，下肢輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度變化與人體步態(tài)軌跡基本保持一致，從而可以判斷本研究所設(shè)計的輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人模型和參數(shù)設(shè)定是符合人體工學(xué)的。通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者存在一定的誤差，這是由于參考點的取點數(shù)有限和位置偏差造成的。因此，在接下來的工作中，還要對輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人做進一步地改進，比如通過制定補償控制策略和增加仿真模型的參考點數(shù)量以更好地模擬正常步態(tài)。

3 結(jié)語

下肢康復(fù)外骨骼機器人是涉及人類健康的特殊領(lǐng)域，潛在經(jīng)濟市場十分龐大，多個國家已將其列為新型重點戰(zhàn)略發(fā)展產(chǎn)業(yè)。本研究所提出的機器人結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動方式有效，根據(jù)模型估計，整體質(zhì)量大約為10kg，相較于市面上質(zhì)量較輕的成都布法羅機器人AIDER [4]，本外骨骼機器人在質(zhì)量上有明顯的優(yōu)化。同時為了驗證本研究所設(shè)計的輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人的協(xié)調(diào)性，通過ADAMS 進行了關(guān)節(jié)力矩和關(guān)節(jié)角度的仿真分析，仿真結(jié)果表明輕量化自助式康復(fù)外骨骼機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計和動力設(shè)計切實可行。由于目前康復(fù)輔具的設(shè)計主要是以功能實現(xiàn)為主，對用戶與產(chǎn)品之間的感情交流的考慮比較少[5]，下一步將圍繞情感化康復(fù)輔具設(shè)計策略開展研究。