下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)研究

喻行濤

（安川首鋼機(jī)器人有限公司，北京 100176）

0 引言

外骨骼康復(fù)機(jī)器人是一種機(jī)械裝置，它將人機(jī)工程學(xué)、仿生學(xué)知識適用于機(jī)器人技術(shù)[1]。外骨骼康復(fù)機(jī)器人是交叉學(xué)科，融合了如機(jī)器、電子、機(jī)器人和仿生學(xué)。它們用于患者的四肢，并由練習(xí)補(bǔ)充和替代，以智能/機(jī)械化的方式控制訓(xùn)練。這種骨骼機(jī)器人技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)治療方法的不足，并消除了人們非常關(guān)注的巨型康復(fù)設(shè)備的局限性。本文主要在其最重要的技術(shù)方面和發(fā)展方面進(jìn)行論述[2]。

1 人體下肢運(yùn)動分析

由于本設(shè)計(jì)為可穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人，該機(jī)器可直接與穿戴者下肢連接，并與穿戴者同步運(yùn)動。因此，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮柔性對使用的影響。采用人性化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)又必須反映出人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動特點(diǎn)，即仿生[3]。

1.1 人體下肢組成

人體下肢的各部分骨骼由髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)這三個(gè)關(guān)節(jié)而連接在一起，組成了人體的下肢骨架，如圖1 所示[4]。

圖1 人體下肢骨骼結(jié)構(gòu)

1.2 步態(tài)周期時(shí)相分析

人體下肢運(yùn)動是一種往復(fù)的周期運(yùn)動，對于單側(cè)右腿來說人體步態(tài)周期分為支撐期和擺動期。以單側(cè)為例：首先右腳準(zhǔn)備離開地面左腳進(jìn)入支撐期直到右腳完全離開地面這占總步態(tài)的12%。此時(shí)右腿獨(dú)自支撐整個(gè)身體重量這期間右腳跟著地與地面開始進(jìn)行滾動運(yùn)動，這個(gè)過程占總步態(tài)的40%。之后開始兩腿支撐占20%。然后右腿開始進(jìn)入擺動期，此時(shí)右腿先進(jìn)行屈膝運(yùn)動然后向前擺直到大腿小腿變成一條直線這一階段完成。在這個(gè)過程中身體中心向前移動，直到左腳再次抬起，此時(shí)一個(gè)完整的步態(tài)周期完成[4]。

1.3 下肢外骨骼設(shè)計(jì)要求

（1）外骨骼行走時(shí)由驅(qū)動系統(tǒng)助力，為保證行走的安全性，在外骨骼的驅(qū)動關(guān)節(jié)都應(yīng)設(shè)計(jì)有限行程限位裝置。

（2）需要對其中重要零部件進(jìn)行承載能力、剛度等計(jì)算和校核，來保證外骨骼的實(shí)用性和穩(wěn)定性。

設(shè)計(jì)指標(biāo)：由左右兩條外骨骼腿組成，通過腰部零件連接。單側(cè)外骨骼腿有5 個(gè)自由度，其中髖關(guān)節(jié)屈/伸和膝關(guān)節(jié)屈/伸是由電機(jī)驅(qū)動的主動自由度；髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍是-15 ～ 50°，膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍是0 ～ 60°；外骨骼本體采用鋁合金制造，在大腿及小腿處設(shè)計(jì)綁帶結(jié)構(gòu)與人體連接，可以承載體重在100 kg 以下的患者。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動系統(tǒng)的確定

由于本課題需要實(shí)現(xiàn)能夠根據(jù)患者體質(zhì)調(diào)節(jié)各關(guān)節(jié)的運(yùn)動速度與運(yùn)動幅度，所以選用無刷直流伺服電機(jī)。選用依據(jù)：

（1）可以避免出現(xiàn)電機(jī)失步問題。精度好，可以對位置、速度和力矩進(jìn)行閉環(huán)控制。

（2）穩(wěn)定，電機(jī)轉(zhuǎn)動平滑、運(yùn)行平穩(wěn)，震動、噪音低。

（3）快速反應(yīng)，電機(jī)從獲得指令信號到完成指令所要求的響應(yīng)時(shí)間短，要求轉(zhuǎn)動慣量小。

（4）能夠在苛刻的條件下運(yùn)行，有頻繁的正反向和加減速運(yùn)行特性。

將驅(qū)動與關(guān)節(jié)中心同軸安裝有2 種形式：①電機(jī)的輸出軸直接與關(guān)節(jié)中心軸同心，經(jīng)過減速器輸出轉(zhuǎn)矩；②電機(jī)與外骨骼腿桿平行安轉(zhuǎn)，經(jīng)過換向器后，再經(jīng)過減速器與關(guān)節(jié)中心同軸，如圖2 所示。

圖2 驅(qū)動系統(tǒng)布位方案

圖2（a）安裝方案的優(yōu)點(diǎn)是不需要換向機(jī)構(gòu)，能減輕腿桿重量，缺點(diǎn)是電機(jī)在寬度方向上的尺寸較大，會使得關(guān)節(jié)處橫向距離較大，電機(jī)離外骨骼腿桿較遠(yuǎn)，使得安裝固定不方便，也不便于電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行；圖2（b）安裝方案彌補(bǔ)了以上（1）的不足，將電機(jī)平行安裝在推桿上，提高了整體的穩(wěn)定性，減小了安裝難度。另外，雖然添加了換向器，但其在橫向方向上的尺寸得以減小，且由于電機(jī)的輸出扭矩較小，故換向器不會太大，且可以選擇功率較大的電機(jī)來克服增加換向器帶來的負(fù)載的增加[5]。

本下肢外骨骼機(jī)器人采用大容量可充電蓄電池作為動力源，電能是一種比較環(huán)保的能源，沒有燃油帶來的有害氣體排放問題。傳動系統(tǒng)采用減速器加錐齒輪傳動，沒有選用傳統(tǒng)的液壓缸作動力元件，避免了出現(xiàn)液壓油泄露的情況。整個(gè)外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡潔，整體框架結(jié)構(gòu)采用比較常用的鋁合金材料。鋁合金為高強(qiáng)度合金材料，擁有可以熱處理、抗剝落腐蝕和抗應(yīng)力腐蝕斷裂等特性。其力學(xué)性能良好。其負(fù)重主要集中在腰部和大腿桿。在各關(guān)節(jié)處通過高副低代轉(zhuǎn)化關(guān)節(jié)球副，并設(shè)計(jì)墊圈緩沖沖擊。

2.2 確定機(jī)器人尺寸

下肢康復(fù)機(jī)器人在使用時(shí)要穿戴在使用者的身上，需要著重考慮到人機(jī)交互的設(shè)計(jì)。所以為了提高機(jī)器人的穿戴舒適性，在設(shè)計(jì)機(jī)器人的腿部尺寸時(shí)要與人體下肢尺寸相匹配，以人體下肢的主要尺寸信息為基礎(chǔ)和參考依據(jù)。由國家技術(shù)監(jiān)督局于發(fā)布的《中國成年人人體尺寸（GB/T10000-1988）》標(biāo)準(zhǔn)得到我國18～60 歲的成年男女下肢的主要參數(shù)，見表1。

表1 18～60 歲男/女主要肢體尺寸（mm）

由表1 可知男女肢體的尺寸的分布情況，去除下肢尺寸特殊人群，選取下肢尺寸占比10%～90%的人群作為主要的參考對象，可以得到該范圍內(nèi)男性人群身高1604 ～ 1750 mm，女性人群身高1503 ～ 1640 mm；男性大腿長度436 ～ 496 mm，女性大腿長度410 ～467 mm；男性小腿長度334 ～ 396 mm，女性小腿長度319 ～ 370 mm。綜合考慮男性和女性的下肢尺寸參數(shù)，選取男性和女性下肢尺寸范圍中的最大值與最小值作為下肢康復(fù)機(jī)器人的下肢極限尺寸的參考值。由此，初步得到機(jī)器人大腿桿的長度調(diào)節(jié)范圍410 ～ 500 mm，小腿桿的長度調(diào)節(jié)范圍320 ～ 400 mm[6]。

2.3 零件的三維模型

裝配體是由數(shù)個(gè)零件構(gòu)成的，而零件是由各種特征構(gòu)成的，特征是組成零件的重要部分[7]。只有在輸入各個(gè)特征命令后才能生成符合要求的零件模型。

髖關(guān)節(jié)外展內(nèi)/收運(yùn)動件如圖3 所示。此零件既能實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)的外展/內(nèi)收，又是連接腰部和髖關(guān)節(jié)及以下部分的連接體，按普通成人的身高計(jì)算，外展內(nèi)收運(yùn)動件的長度約為132 mm。其前端開有光孔用于實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)的旋內(nèi)/旋外運(yùn)動。

圖3 髖關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收運(yùn)動件

腰板的作用是將外骨骼的左腿和右腿連接起來，同時(shí)背部承物架也固連在腰板上。單個(gè)腰板的長度為147 mm，上面開有等距離的7 個(gè)通孔，便于隨時(shí)調(diào)節(jié)連接長度（圖4、圖5）。

圖4 腰板

圖5 腰板

腿桿的作用是將髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)等關(guān)節(jié)連接起來，桿上開有6 個(gè)等間距的通孔，便于根據(jù)使用情況調(diào)節(jié)機(jī)械腿的長度。腿桿的長度為280 mm，寬度為30 mm，高度為21 mm，以確保滿足強(qiáng)度要求，如圖6 所示。

圖6 腿桿

安置于踝關(guān)節(jié)上的彈簧架，其安裝形式為中間方形孔套于踝關(guān)節(jié)連接架上，通過兩個(gè)并排螺栓與之緊固。彈簧架兩側(cè)也開有方孔，目的是便于懸掛拉伸彈簧。彈簧架整體的長度為118 mm，寬度為26 mm，高度為14 mm，如圖7 所示。

圖7 彈簧架

2.4 下肢外骨骼裝配

此模型共有10 個(gè)自由度，單下肢各5 個(gè)，其中髖關(guān)節(jié)有收展、屈伸和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動3 個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)有屈伸運(yùn)動1 個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)有屈伸運(yùn)動1 個(gè)自由度。背部腰帶將背部承物架和下肢機(jī)構(gòu)連一起，大腿桿將膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)連接一起，小腿桿將膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)連一起，驅(qū)動系統(tǒng)安放在腿桿上。連接件均用鉸制孔螺栓連接，連接牢固，可靠。

2.5 各個(gè)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

（1）髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)。在外骨骼設(shè)計(jì)時(shí)將髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)為3 個(gè)自由度，即屈/伸、旋外/旋內(nèi)、外展/內(nèi)收。其中屈/伸為主動自由度，其余為被動自由度。屈伸運(yùn)動為主要運(yùn)動，采用了圓錐滾子軸承連接；內(nèi)收/外展自由度設(shè)計(jì)在腰部，該機(jī)構(gòu)不受驅(qū)動，只跟隨身體運(yùn)動變換狀態(tài)；實(shí)現(xiàn)旋內(nèi)/旋外運(yùn)動的機(jī)構(gòu)放置在主動自由度上方，該運(yùn)動繞腿桿中心線轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)腿部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

髖關(guān)節(jié)包括：腰帶連接件、內(nèi)收/外展運(yùn)動件、旋內(nèi)/旋外運(yùn)動件、髖關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)軸、圓錐滾子軸承、大腿桿、屈/伸運(yùn)動件、調(diào)整墊片、軸承蓋。

（2）膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)。在外骨骼膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中，僅設(shè)置一個(gè)與人體膝關(guān)節(jié)屈/伸自由度同軸的旋轉(zhuǎn)自由度來實(shí)現(xiàn)外骨骼膝關(guān)節(jié)的屈/伸運(yùn)動。膝關(guān)節(jié)包括大腿桿連接件、關(guān)節(jié)軸、軸承、屈/伸運(yùn)動件、墊片、軸承蓋、小腿桿。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動副中使用圓錐滾子軸承，同樣為減少振動和噪聲。

（3）踝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)。考慮到腳踝外側(cè)空間位置與腳踝的連接，盡量使設(shè)計(jì)緊湊、貼近人體，從而減少偏差。踝關(guān)節(jié)不參與下肢行走的主運(yùn)動，因此在此處沒有添加驅(qū)動。如果行走過快，則會出現(xiàn)重心不穩(wěn)，因此在兩側(cè)添加了拉伸彈簧，有效保證了行走時(shí)的穩(wěn)定。

踝關(guān)節(jié)包括：固定彈簧的彈簧上架、小腿桿連接件、踝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)軸、深溝球軸承、屈/伸運(yùn)動件、調(diào)整墊片、軸承蓋、拉伸彈簧、腳板連接件、腳板。

彈簧上架通過兩個(gè)平行螺栓和小腿桿連接；小腿桿連接件和屈/伸運(yùn)動件用關(guān)節(jié)軸連接；腳板連接件和腳板用螺栓連接；在彈簧上架和腳板連接件上開有通孔，用圓柱銷將兩個(gè)拉伸彈簧分別掛住，同時(shí)在小推桿連接件上加工出限位凸臺裝置，防止拉伸彈簧出現(xiàn)壓縮情況。

（4）限位裝置設(shè)計(jì)。在人體結(jié)構(gòu)中，每個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動幅度在一定角度內(nèi)。為了保證患者下肢安全避免由于機(jī)器產(chǎn)生二次傷害，設(shè)置各關(guān)節(jié)的機(jī)械限位裝置。使之不能由于控制系統(tǒng)失控運(yùn)動到設(shè)定范圍之外。

膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)限位裝置，限位裝置和屈伸運(yùn)動件結(jié)合在一起，減少了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，如圖8 所示。屈/伸運(yùn)動件上加工有一定角度的凸緣輪，在腿桿連接件上加工出相對應(yīng)的凹圓輪，即屈/伸運(yùn)動件的運(yùn)動范圍為0° ～ 60°。外骨骼中膝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)和髖關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)幾乎一致，只是運(yùn)動的極限位置不同，這樣減少了關(guān)節(jié)在加工制造過程中的復(fù)雜度。另外，外骨骼的控制策略為“人主機(jī)輔”控制，即主動控制，因此在其他輔助關(guān)節(jié)處不設(shè)限位裝置，靠人體本身調(diào)節(jié)處理。

（5）腿桿設(shè)計(jì)。穿戴者人體胖瘦、高度存在差異，為了使外骨骼有更好的結(jié)構(gòu)兼容性，將大腿桿、小腿桿和腰部設(shè)計(jì)成尺寸可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過大量采樣并統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，人體各部位尺寸都在一個(gè)范圍內(nèi)。如果人體身高為H，則踝關(guān)節(jié)到地面尺寸0.039H，膝關(guān)節(jié)到地面尺寸0.285H，髖關(guān)節(jié)到地面尺寸0.53H，人體兩條大腿之間的距離為0.191H。結(jié)構(gòu)的最大可調(diào)范圍設(shè)定為250 mm，腰部寬度可調(diào)范圍為42 mm。本設(shè)計(jì)中腿桿結(jié)構(gòu)通過調(diào)整腿桿的連接點(diǎn)來調(diào)整的長度，即大小腿的長度。上下腿桿用鉸制孔螺栓連接，鉸制孔螺栓主要承受橫向載荷，連接牢固，穩(wěn)定可靠。如圖9 和圖10 所示。

圖9 腿部可調(diào)節(jié)連桿

圖10 腰部可調(diào)節(jié)連桿

（6）背部承物架設(shè)計(jì)。動力源電池和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在背部背架上，背架上還設(shè)有一個(gè)負(fù)重平臺。如圖11 所示。

圖11 背架結(jié)構(gòu)圖

背架通過兩邊的連接件與腰帶用螺栓件相連，上面通過軟繩與人體肩部相連，將負(fù)重通過腿桿傳遞到地面，盡量減小對人體的彎矩。背架上用于放置電池和控制組件，以避免核心器件與外部負(fù)重直接接觸造成損壞?？紤]到舒適性和減緩沖擊，在穿戴者與腰部直接接觸的支架板面粘接有柔軟結(jié)實(shí)的棉墊護(hù)具。針對不同使用人群，腰部也設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，由于此背架無調(diào)節(jié)裝置和限位裝置，因此連接為過盈連接，防止出現(xiàn)橫向滑移。此背部承物架的尺寸為長161 mm，寬220 m，高207 mm，要求能夠承受25 kg 的負(fù)重。

2.6 外骨骼三維模型

在solidworks 三維建模軟件中將設(shè)計(jì)的各零件按照裝配圖進(jìn)行裝配（圖12、圖13），并且加入所用到的各類標(biāo)準(zhǔn)件。

圖12 外骨骼三維圖正面

圖13 外骨骼三維圖側(cè)面

3 結(jié)語

根據(jù)下肢外骨骼機(jī)器人的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，基于擬人化的思想和人體生物學(xué)理論研究，從人體下肢運(yùn)動機(jī)理分析、外骨骼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和建模、驅(qū)動系統(tǒng)的選型以及關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)等開展了研究工作。下肢康復(fù)機(jī)器人其優(yōu)點(diǎn)突出在于使用時(shí)要穿戴在使用者的身上，通過深度學(xué)習(xí)來做到輔助殘患人士行走。然而外骨骼結(jié)構(gòu)還需要很多優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包括：如何將一些質(zhì)量較輕同時(shí)又具有一定強(qiáng)度的新型材料（如鎂合金材料）應(yīng)用到外骨骼中，以進(jìn)一步控制外骨骼的重量和尺寸；對于人機(jī)連接而言，在保證穿戴精度要求的前提下，如何分析設(shè)計(jì)更加合理的柔性人機(jī)約束是一個(gè)值得研究的問題；對旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)等進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，在保證完整的下肢自由度運(yùn)動的前提下減輕復(fù)雜程度，使其穩(wěn)定性和快速性得以提高。