下肢輔助外骨骼機(jī)器人研究

崔潤揚(yáng) 楊 熹 辛光紅 曹 文

(三亞學(xué)院，海南 三亞572000）

1 概述

近年來，關(guān)于仿人型機(jī)器人的科學(xué)研究已經(jīng)成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱門方向，其研發(fā)水平已取得很大的進(jìn)步，研制了各式各樣、不同用途的仿人型機(jī)器人，并已將其運(yùn)用到實(shí)際生活中。動(dòng)力外骨骼機(jī)器人是一種可以穿戴的機(jī)器人，它通過模仿人體的下肢結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，它不僅能幫助因先天或者疾病造成的肌肉損傷殘疾人恢復(fù)行走能力，還有可以改善心臟健康狀況、鍛煉肌肉強(qiáng)度。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的新型動(dòng)力外骨骼機(jī)器人，是在研究一種單兵“XOS—外骨骼機(jī)器人”和一種醫(yī)用“LOPES-懸掛式康復(fù)機(jī)器人”的基礎(chǔ)提出的全新有機(jī)融合，彌補(bǔ)了兩種外骨骼機(jī)器人的不足。其結(jié)構(gòu)主要由外骨骼機(jī)械主體、控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)組成。下肢輔助外骨骼機(jī)器人可以幫助患者進(jìn)行步行醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練，為不能自主行走的患者或老人提供輔助運(yùn)動(dòng)和康復(fù)訓(xùn)練[1]。

圖1 人體的基本面與基本軸

圖2 小腿力學(xué)簡化模型

2 下肢輔助外骨骼運(yùn)動(dòng)受力分析

外骨骼機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)是解決機(jī)器人的力與力矩與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的方法。根據(jù)人體解剖學(xué)，人體可分為三個(gè)互相垂直的基本面，如圖1 所示，額狀面、水平面以及矢狀面對應(yīng)有三個(gè)互相垂直的基本軸：矢狀軸、垂直軸與額狀軸。人體的各種運(yùn)動(dòng)都可以視為肢體繞三個(gè)基本軸的運(yùn)動(dòng)。而因?yàn)閯?dòng)力外骨骼主要針對腰部及下肢進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析[2]，如圖1。

下肢受力分析主要包括小腿受力分析、大腿受力分析與運(yùn)動(dòng)步態(tài)受力分析。進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，將下肢外骨骼模型進(jìn)行了簡化。小腿受力模型簡化為圖2，其中小腿、小腿連桿的質(zhì)量分別為m1, m2, m3。首先求解出整體質(zhì)心所在的位置，由于腳部的質(zhì)量相對于整體質(zhì)量較小，對分析影響不大，可在分析過程中忽略質(zhì)心處于桿件之外的部分。經(jīng)推導(dǎo)其慣量和角度之間的關(guān)系為：

大腿受力模型簡化為圖3，大腿外部構(gòu)建的重量為m2,大腿的質(zhì)量為m1,大腿重心距離髖關(guān)節(jié)的距離為l2c，大腿的重心距離髖關(guān)節(jié)距離為l1c。

圖3 大腿受力簡化模型

圖4 D-H 坐標(biāo)模型

經(jīng)推導(dǎo)可得：

D-H 法是利用基本齊次變換矩陣表示兩個(gè)相鄰桿件位置關(guān)系的一種常用的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法，用矩陣表示機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)從而推導(dǎo)出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方程。外骨骼擺動(dòng)腿D-H 坐標(biāo)系示意圖4。T1、T2和T3分別是外骨骼機(jī)械腿髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩；m1, m2和m3分別是大腿連桿、小腿連桿和踝關(guān)節(jié)以下連桿的質(zhì)量；d1、d2、和d3分別表示各連桿質(zhì)心距離對應(yīng)關(guān)節(jié)的距離。由于踝關(guān)節(jié)以下連桿和足底不轉(zhuǎn)動(dòng)，就相當(dāng)于固定在小腿末端的質(zhì)量塊。這樣處理之后，外骨骼機(jī)械腿就相當(dāng)于一個(gè)兩連桿機(jī)構(gòu)，其系統(tǒng)動(dòng)能與運(yùn)動(dòng)所需力矩表達(dá)如下：

對大腿連桿：

對小腿連桿：

K1K2、P1P2分別表示系統(tǒng)動(dòng)能、勢能，T1：髖關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)所需力矩，T2:膝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)所需力矩[2]。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述力學(xué)分析，外骨骼機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以看作是由一系列連桿通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（或移動(dòng)關(guān)節(jié)）連接起來的開式運(yùn)動(dòng)鏈，一般機(jī)械設(shè)計(jì)主要是強(qiáng)度設(shè)計(jì)，外骨骼機(jī)械設(shè)計(jì)既要滿足強(qiáng)度要求，還要考慮剛度和精度設(shè)計(jì)，與一般機(jī)械相比，機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)的緊湊性、靈巧性等方面有更高的要求[3]。本項(xiàng)目的機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5 所示：

圖5

4 驅(qū)動(dòng)與控制設(shè)計(jì)

本外骨骼機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用的是直流推桿電機(jī)，考慮到髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)角速度與負(fù)載的不同，髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的電機(jī)推力為：500N 速度為：40MM/S 行程：100MM；膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的電機(jī)推力為：200N 速度為：80MM/S 行程：100MM。質(zhì)量推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊模塊支持電壓范圍7-24V，具有欠壓保護(hù)功能。雙路電機(jī)接口，每路額定輸出電流7A；瞬間峰值電流可達(dá)50A。每路都支持三線控制調(diào)速、正反轉(zhuǎn)及剎車。控制信號使用灌電流驅(qū)動(dòng)方式，支持絕大多數(shù)單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)并使用光耦對全部控制信號進(jìn)行隔離，避免電機(jī)動(dòng)作時(shí)的回流電流對控制信號造成干擾。模塊具有靜電泄放回路，避免了因靜電造成危險(xiǎn)。本項(xiàng)目控制器選用Arduino 開源平臺，Arduino 可以接收來自各種傳感器的輸入信號從而檢測出運(yùn)行環(huán)境，并通過控制光源，電機(jī)以及其他驅(qū)動(dòng)器來影響其周圍環(huán)境。項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)和控制結(jié)構(gòu)圖如6 所示?？刂七壿嬋绫?。其中0 為低電平、1 為高平、×為任意電平，懸空時(shí)為低電平。

表1 推桿控制邏輯

控制反饋采三軸加速度傳感器MMA7361 芯片，在姿態(tài)控制之外還可用于外骨骼跌倒檢測、傾斜度測量等場合，在本機(jī)械外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)中起到檢測平衡的作用。

5 應(yīng)用模式

本設(shè)計(jì)可進(jìn)行三種模式轉(zhuǎn)換，通過手動(dòng)控制端進(jìn)行行走模式、蹲起模式和攀爬模式三者之間的不同模式切換。

圖6 驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)圖

行走模式是可以幫助穿戴者步行助力，可以達(dá)到腿部神經(jīng)肌肉的訓(xùn)練，機(jī)器人可以通過傳感器系統(tǒng)進(jìn)行人體步態(tài)的控制。蹲起模式可以幫助實(shí)現(xiàn)人體本身的一個(gè)下肢運(yùn)動(dòng)，控制人的下肢做蹲下起立的動(dòng)作，當(dāng)模式切換到蹲起模式的時(shí)候，電機(jī)會驅(qū)動(dòng)人體下肢進(jìn)行蹲起，使人體的腿部神經(jīng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。當(dāng)模式切換到攀爬模式時(shí)，機(jī)器人可推動(dòng)腿部進(jìn)行向上抬起，穿戴者可以正常上下樓梯，對于一些登山運(yùn)動(dòng)員也可以達(dá)到助力的效果。目前設(shè)定了以上三種模式，后期根據(jù)不同需要的病人，可以根據(jù)所需設(shè)定的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。使下肢輔助外骨骼機(jī)器人最大程度上達(dá)到服務(wù)于人的目的[4]。

6 創(chuàng)新與總結(jié)

下肢輔助外骨骼機(jī)器人的機(jī)械外形設(shè)計(jì)，采用了韌度好、重量輕的鉻合金，相較于美國的“XOS—外骨骼機(jī)器人”有更靈活輕便的機(jī)械本體，電動(dòng)推桿帶動(dòng)機(jī)械桿件運(yùn)動(dòng)，不會有以液動(dòng)氣動(dòng)為動(dòng)力源的外骨骼機(jī)器人所產(chǎn)生巨大噪音。相較于“LOPES-懸掛式康復(fù)機(jī)器系統(tǒng)”，下肢輔助外骨骼機(jī)器人采用500N 和200N 推力的電動(dòng)推桿作用在機(jī)械桿件上，在不用復(fù)雜且笨重的氣動(dòng)、液動(dòng)動(dòng)力裝置的同時(shí),提供主動(dòng)力輔助穿戴者獨(dú)立行走，還可依靠外骨骼機(jī)器人負(fù)重行走。推桿式的電機(jī)設(shè)計(jì)相比于行星減速機(jī)的扭矩力電機(jī)本設(shè)備成本低，實(shí)用性強(qiáng)，更加符合大眾的消費(fèi)水平，有利于該設(shè)備的推廣。