劉 瑩，張小棟

(1.寧夏民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏吳忠 751100;2.西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院，陜西西安 710049)

0 引言

康復(fù)機器人是一種人機一體化系統(tǒng)，它與使用者通過束帶連接，不僅要為使用者提供助力和相同的步態(tài)功能，而且在確保使用者的人身安全前提下，其穿戴舒適性是首要考慮的問題，為設(shè)計出穿著舒適的外骨骼，實現(xiàn)人與外骨骼緊密地物理吻合，使操作者肢體能進行協(xié)調(diào)運動，必須依照一個重要的條件－擬人化。在對外骨骼柔性關(guān)節(jié)進行設(shè)計時，需要對柔性關(guān)節(jié)機械結(jié)構(gòu)、人與外骨骼壓力接觸承受點、外骨骼柔性關(guān)節(jié)活動范圍及關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)進行分析與研究，形成了一套完善的仿生設(shè)計原則，設(shè)計的外骨骼要結(jié)構(gòu)輕巧、穿戴方便、操作柔順，保證穿戴者的舒適性和安全性。

1 外骨骼柔性關(guān)節(jié)機構(gòu)設(shè)計原理與要求

機械結(jié)構(gòu)設(shè)計是康復(fù)機器人柔性關(guān)節(jié)舒適性研究最重要的一步，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞將直接關(guān)系到整個康復(fù)機器人系統(tǒng)的整體性能，采用仿生學(xué)和擬人化的設(shè)計方法，要求各項參數(shù)都要參照正常人體下肢來設(shè)定。首先在材質(zhì)方面，機構(gòu)所選擇的材質(zhì)要無毒、無害、散熱性好，防腐蝕，抗輻射，絕緣，同時材質(zhì)的剛度不僅要能承擔(dān)自身設(shè)計的重量，還要能支撐穿戴者的體重，而且在外界突發(fā)的沖擊下，不會塑變和斷裂，目前我國普遍采用的是鋁合金材質(zhì);其次在重量方面，外骨骼的總質(zhì)量應(yīng)該從選材和設(shè)計上盡量輕巧，以節(jié)省穿戴者的體力，減少能量消耗;在結(jié)構(gòu)方面，外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計要避免復(fù)雜模型，盡量簡單方便，易于建模與控制。

康復(fù)機器人柔性關(guān)節(jié)系統(tǒng)是用來輔助患者做康復(fù)訓(xùn)練的，設(shè)計的外骨骼結(jié)構(gòu)必須要與人體協(xié)調(diào)共處，二者不能發(fā)生沖突;康復(fù)裝置帶動人體患肢按照預(yù)先設(shè)定好的步態(tài)軌跡進行康復(fù)訓(xùn)練，不僅效率要高，還要康復(fù)訓(xùn)練時間短;機構(gòu)設(shè)計不僅要考慮強度、精度、剛度，還要求肢體幾何尺寸能夠調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的穿戴者;同時在保證康復(fù)訓(xùn)練高效率前提下，還要增加人機接觸緩沖裝置，提高機構(gòu)的安全和舒適性;在滿足行走康復(fù)的功能基礎(chǔ)上，盡量減少運動關(guān)節(jié)的自由度，以減少使用驅(qū)動元件和傳感器的數(shù)量，滿足機構(gòu)輕巧、便捷、成本低的要求。綜上所述，為保證穿戴者的舒適度，康復(fù)機器人柔性關(guān)節(jié)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計必須滿足柔順簡單、待機時間長;輕巧便捷、成本低;穿戴方便、可調(diào)節(jié);穩(wěn)定安全、抗干擾性強［1］的條件，如圖1所示。

圖1 機器人柔性關(guān)節(jié)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計要求圖

2 人與外骨骼壓力接觸承受點分析

當(dāng)人皮膚的表面承受的壓力大于30 mm汞柱時，就會導(dǎo)致皮膚表面毛細血管血液不流通，危及軟組織的安全［2］，因此外骨骼柔性關(guān)節(jié)設(shè)計必須考慮外骨骼對人的接觸壓力。壓力分布決定操作者的舒適性，壓力大小關(guān)乎操作者的安全，表皮壓力感受并不取決于所施加的壓力，而取決于整個施加壓力的動態(tài)過程，因此不能精確地建立人機接觸壓力與操作舒適性之間的關(guān)系。實驗表明，將壓力分散在盡可能大的范圍以減小表皮承受的壓強，較之在具有較高壓力承受能力的部位局部施加較大的壓力，前者更具舒適性，可以更好地消除壓痛，避免傷害。在柔性關(guān)節(jié)設(shè)計時，選擇人與外骨骼的壓力接觸承受點要注意以下幾點:

(1)不宜選擇腋窩、腹股溝等易損傷部位作為接觸壓力承受點，易造成人體的疼痛和不必要的損傷。

(2)要避開神經(jīng)較為密集和表皮毛細血管豐富的區(qū)域，以免造成傷害。

(3)人體活動關(guān)節(jié)周圍不要作為接觸壓力承受點，以便于關(guān)節(jié)全范圍的舒展運動，提高穿戴者的舒適感。

(4)骨頭較多的部位也不要作為接觸壓力承受點，因為這些區(qū)域中骨頭對表皮的擠壓易產(chǎn)生疼痛感，造成患者的不舒適。

為保證舒適度，可在外骨骼與人體直接接觸的部位加裝結(jié)實、柔軟的棉墊，保護穿戴者自身肢體不受傷害;在外骨骼與地面接觸的部位加裝剛強度的橡膠材料，緩解穿戴者行走時地面反沖擊力帶來的不舒適;在外骨骼機構(gòu)之外增設(shè)拐杖機構(gòu)，當(dāng)患者在康復(fù)行走過程中，發(fā)生意外傾斜，機構(gòu)瞬時質(zhì)心位移發(fā)生偏轉(zhuǎn)［3］，可利用拐杖增加其穩(wěn)定性。

3 柔性關(guān)節(jié)舒適性活動范圍分析

正常人體下肢由骨骼、關(guān)節(jié)、骨骼肌組成，如圖2所示，它起著支撐人體體重、支持人體走、跑、跳、轉(zhuǎn)各種活動的作用。人體下肢結(jié)構(gòu)由盆骨、大腿骨、小腿骨、足骨以及肌肉組成，以髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)以及踝關(guān)節(jié)進行連接 ，在活動中，髖關(guān)節(jié)可屈伸、旋轉(zhuǎn)、外展與內(nèi)收;而膝關(guān)節(jié)只可屈伸，無其他自由度;踝關(guān)節(jié)也可屈伸、旋轉(zhuǎn)、外展與內(nèi)收［4］，如圖 3 所示。

圖2 人體下肢生理結(jié)構(gòu)圖

圖3 人體下肢關(guān)節(jié)活動機理圖

表1為外骨骼柔性關(guān)節(jié)活動范圍設(shè)計，出于安全和舒適的考慮，外骨骼柔性關(guān)節(jié)的活動范圍應(yīng)大于人在行走時的活動范圍而小于人的最大活動范圍［5］，為防止外骨骼系統(tǒng)出錯，關(guān)節(jié)運動超出設(shè)計范圍，對人造成傷害，必須在關(guān)節(jié)處設(shè)計機械限位機構(gòu)，當(dāng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度超過設(shè)定值時，預(yù)裝的限位塊將阻擋關(guān)節(jié)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，有效地保障了穿戴者的安全。

表1 外骨骼柔性關(guān)節(jié)活動范圍表

4 外骨骼柔性關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)對比分析

外骨骼柔性關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)是實現(xiàn)柔性關(guān)節(jié)舒適性、柔順性的重要環(huán)節(jié)，設(shè)計時盡量模擬真實的人體運動關(guān)節(jié)。人在行走過程中，下肢肌肉的驅(qū)動方式是通過關(guān)節(jié)兩側(cè)的骨骼肌在自身軸線方向上的收縮達到的，如圖4所示。

機器人驅(qū)動系統(tǒng)主要包括:電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣缸驅(qū)動、氣動人工肌肉驅(qū)動［6］及簡易控制的凸輪驅(qū)動。電機驅(qū)動控制響應(yīng)快，驅(qū)動效率高，控制精度易于保證，維護使用方便，成本低廉，但要實現(xiàn)較大動力的驅(qū)動，選取電機的體積會較大，與機構(gòu)的靈活輕巧性要求產(chǎn)生矛盾;液壓驅(qū)動具有穩(wěn)定和承受轉(zhuǎn)矩大的特點，而且人腳擺動落地時與地面之間會產(chǎn)生沖擊力，液壓驅(qū)動會消除這種振動對人體產(chǎn)生的不良影響，這正好符合下肢外骨骼承柔性關(guān)節(jié)驅(qū)動的特點，但液壓驅(qū)動有它的缺點，這種驅(qū)動方式需要油缸及液壓管路，這就給外骨骼增加了質(zhì)量，同時限制了外骨骼行走時的抬腿高度及下蹲的幅度值;氣缸驅(qū)動使用安全，容易達到高速，工作壓力低，介質(zhì)無污染，制造要求比液壓元件低，但是空氣可壓縮的特點導(dǎo)致其運動速度穩(wěn)定性差，位置控制不精準(zhǔn);氣動人工肌肉驅(qū)動具有柔順、功率/質(zhì)量比大、在力/長度特性上與人類肌肉類似等優(yōu)點，但是人工肌肉具有高度非線性，伴有遲滯現(xiàn)象，使得肌肉建模和高精度控制困難;凸輪驅(qū)動能夠?qū)崿F(xiàn)特定的步態(tài)模式行走運動，極大地簡化了外骨骼設(shè)計的控制策略，降低了控制難度和成本但凸輪驅(qū)動不能根據(jù)使用者的步態(tài)進行實時調(diào)整［7］。

圖4 關(guān)節(jié)驅(qū)動示意圖

良好的驅(qū)動機構(gòu)能夠減小外骨骼的重量，提高輸出的穩(wěn)定性，增加運動的安全性，減小振動給穿戴者帶來舒適感。所以在選擇、設(shè)計驅(qū)動機構(gòu)時，不僅要求有足夠的輸出功率來對外骨骼進行加速、減速并帶動負載，同時在滿足功能的基礎(chǔ)上既要有較輕的重量，較小的體積，又要有良好的散熱性能，以實現(xiàn)可穿戴式的外骨骼柔性關(guān)節(jié)系統(tǒng)的要求。

5 結(jié)語

康復(fù)機器人外骨骼柔性關(guān)節(jié)舒適性研究本著貫徹仿生學(xué)擬人化的原則，設(shè)計不僅要輕巧、穿戴方便、操作柔順，滿足穿戴者舒適和安全的要求，還要使患者獲得正確行走步態(tài)訓(xùn)練。從機構(gòu)設(shè)計角度來看，太過于簡單的人體運動關(guān)節(jié)模型無法滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求，而過于復(fù)雜的人體運動關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)模型也將成倍地增加外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度，合理地選擇人體運動關(guān)節(jié)模型，以最簡潔的結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)所需的全部功能，是外骨骼柔性關(guān)節(jié)舒適設(shè)計的基本思想，從生理學(xué)角度合理選擇地人機壓力接觸承受點、從仿生學(xué)角度為外骨骼柔性關(guān)節(jié)設(shè)計活動范圍，從擬人化角度科學(xué)地選擇關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)，為下一步柔性關(guān)節(jié)機構(gòu)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

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