王 毓，許德章,胡 飛

安徽工程大學機械與汽車工程學院，蕪湖，241000

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可穿戴式下肢外骨骼機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

王 毓，許德章,胡 飛

安徽工程大學機械與汽車工程學院，蕪湖，241000

設(shè)計了一種下肢外骨骼助力機構(gòu)，其中髖關(guān)節(jié)部分和踝關(guān)節(jié)部分采用了球鉸裝置，提高了下肢外骨骼機械結(jié)構(gòu)的仿生性能。其驅(qū)動裝置采用液壓驅(qū)動。為了驗證下肢外骨骼機械結(jié)構(gòu)對人體行走姿態(tài)具有良好的跟隨性，對下肢外骨骼機械結(jié)構(gòu)的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)進行了運動學仿真。通過獲得的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的輸出角度數(shù)據(jù)對比說明了該裝置具有良好的跟隨性。

下肢外骨骼；機械結(jié)構(gòu)；球鉸裝置；液壓；仿真

1 相關(guān)研究與問題提出

下肢外骨骼助力機器人是一款可以穿戴在人體下肢的機械裝置，它既可用于增加人體的負載能力也可以幫助下肢癱瘓者進行康復性訓練。其設(shè)計技術(shù)涉及到機器人學、控制學、仿生學、機構(gòu)學、傳感技術(shù)等學科。由于下肢外骨骼機器人的應用前景非常廣泛，目前已成為智能機器人研究的一個熱點[1-2]。

美國是最早研究下肢外骨骼機器人的國家之一[3],也是目前下肢外骨骼機器人研制最發(fā)達的國家之一，先后研制出HULC、XOS等機器人。日本筑波大學也推出了HAL系列助力機器人，它能幫助老年人和殘疾人行走等[4]。國內(nèi)的高校和研究院所也在積極研發(fā)，浙江大學、哈爾濱工業(yè)大學、中國科學院合肥智能研究所等均取得突破性研究成果[5]。

髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計對下肢外骨骼機構(gòu)非常重要。在傳統(tǒng)的外骨骼機器人設(shè)計中，髖關(guān)節(jié)多采用鉸鏈或十字萬向節(jié)以形成三個方向有一定自由度的結(jié)構(gòu)，但由于人體髖關(guān)節(jié)的實際活動較為靈活，所以這種結(jié)構(gòu)的仿生性能較差。另外，常見的外骨骼機器人設(shè)計多將髖關(guān)節(jié)的驅(qū)動放置在大腿桿上，并與之平行，但這種設(shè)計方式增加了機構(gòu)的整體重量。

本文設(shè)計了一種助力下肢外骨骼機構(gòu)，在髖關(guān)節(jié)處用球鉸結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉸鏈或十字萬向節(jié)結(jié)構(gòu)，提高了髖關(guān)節(jié)的仿生性能。另外，將髖關(guān)節(jié)的驅(qū)動裝置放置在腰帶的末端，這樣可以讓整個機構(gòu)更加輕便。并且在設(shè)計時采用Solidworks軟件進行三維建模，參照人體結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)節(jié)角度，并且計算驅(qū)動行程，最后采用ADAMS軟件進行關(guān)節(jié)角度的仿真驗證，結(jié)果表明該裝置具有良好的跟隨性。

2 下肢外骨骼機器人的整體結(jié)構(gòu)

下肢外骨骼機器人是一款可供人穿戴的機構(gòu)，在設(shè)計下肢外骨骼機器人的機械結(jié)構(gòu)時，應遵循以下原則：第一，下肢外骨骼的機械結(jié)構(gòu)必須類似于人體結(jié)構(gòu)，采用擬人化的方法設(shè)計。由于穿戴下肢外骨骼的人的身高、體形等不同，所以要求所設(shè)計的下肢外骨骼的機械結(jié)構(gòu)具有兼容性和跟隨性，而且要讓穿戴者感覺舒適。第二，下肢外骨骼機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計要求下肢外骨骼的材料有足夠的剛度來承受重物，機構(gòu)的強度要能承受做特殊動作所形成的沖擊力，各個關(guān)節(jié)的運動范圍要比人體正常行走時的范圍大。第三，下肢外骨骼機器人機構(gòu)要在保證剛度和強度的前提下，盡量減輕機構(gòu)的重量。本文設(shè)計的下肢外骨骼機器人的人體數(shù)據(jù)參照與GB10000-1988《中國成年人人體尺寸》中的人體數(shù)據(jù)[6]。

下肢外骨骼機器人整體結(jié)構(gòu)主要部分有腰帶整體結(jié)構(gòu)、髖關(guān)節(jié)整體結(jié)構(gòu)、大腿連桿、小腿連桿、踝關(guān)節(jié)、腳底踏板、髖關(guān)節(jié)驅(qū)動液壓缸、大腿升降調(diào)節(jié)機構(gòu)、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動液壓缸和小腿升降調(diào)節(jié)機構(gòu)(圖1)。設(shè)計時，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)采用液壓驅(qū)動；為了改善機構(gòu)與大腿的匹配性，大腿連接桿采用弧形結(jié)構(gòu)，為膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動液壓缸留出空間，使整個機構(gòu)變得更加緊湊。為了適應不同身高和胖瘦的人穿戴，該裝置分別在腰帶處、大腿連桿上端處和小腿連桿下端處設(shè)置有調(diào)節(jié)大小的兼容性伸縮機構(gòu)。

圖1 下肢外骨骼整體機械結(jié)構(gòu)圖

3 下肢關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)是整個下肢外骨骼機器人的核心部分，也是最重要的部分[7]。

3.1 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖2所示，髖關(guān)節(jié)由大腿連接頭、關(guān)節(jié)夾板、驅(qū)動液壓缸、球頭鏈接裝置、球頭端蓋、腰帶伸縮裝置和轉(zhuǎn)動軸組成。

圖2 髖關(guān)節(jié)整體結(jié)構(gòu)

髖關(guān)節(jié)是用來連接大腿與腰部的。生理學、人體解剖學等研究成果表明，人體的髖關(guān)節(jié)是一個球窩狀結(jié)構(gòu)，由坐骨囊韌帶、恥骨囊韌帶、豁股韌帶和關(guān)節(jié)孟輔助髖關(guān)節(jié)組成,能承受人體的重量，完成運動。人體解剖學研究表明，當人體自然站立時，髖關(guān)節(jié)的連接骨在矢狀面和冠狀面與人體的中軸線均有有一定的角度，大致為36°。

在設(shè)計髖關(guān)節(jié)機械結(jié)構(gòu)時，本文在髖關(guān)節(jié)處采用球鉸的連接方式。球頭鏈接裝置與腰帶伸縮裝置相連接，并且在連接處設(shè)計一個球頭端蓋。球頭端蓋的作用類似于人體中的各種韌帶，該結(jié)構(gòu)使髖關(guān)節(jié)能更好地承受機構(gòu)的重量，輔助髖關(guān)節(jié)更好地運動，并且實現(xiàn)運動限位，為人體的髖關(guān)節(jié)提供限位保護。在人體自然站立時，髖關(guān)節(jié)的連接骨在矢狀面和冠狀面與人體中軸線均呈大約36°的角度，故在球鉸和腰帶伸縮裝置末端連接的面也設(shè)計成36°的角。

在滿足下肢外骨骼整體機構(gòu)剛度和強度的前提下，盡量減輕機構(gòu)的重量。結(jié)構(gòu)應簡單可靠，用驅(qū)動液壓缸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的腰帶末端，并且基于三連桿機構(gòu)和杠桿原理設(shè)計髖關(guān)節(jié)的驅(qū)動結(jié)構(gòu)。大腿連接頭的下端連接大腿連桿，在其中間裝上滾動軸承連接轉(zhuǎn)動軸，上端通過鉸鏈鏈接驅(qū)動液壓缸前端，通過液壓缸控制關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，為關(guān)節(jié)運動提供動力。液壓缸末端連接另一根轉(zhuǎn)動軸，該轉(zhuǎn)動軸與球鉸末端相連接。兩個轉(zhuǎn)動軸通過兩塊夾板用螺栓固定。

本文設(shè)計的髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)用鉸鏈和萬向節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計的髖關(guān)節(jié)相比，更具有仿生性能。并且利用液壓缸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的腰帶末端結(jié)構(gòu)，使整個髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)更加緊湊，同時也減輕了結(jié)構(gòu)的重量。

3.2 膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖3，膝關(guān)節(jié)由大腿連桿、限位螺釘、小腿連接頭和驅(qū)動液壓缸組成。

圖3 膝關(guān)節(jié)整體結(jié)構(gòu)

膝關(guān)節(jié)的機械結(jié)構(gòu)如圖3所示。大腿與小腿是通過膝關(guān)節(jié)連接在一起的。膝關(guān)節(jié)由股骨內(nèi)、外側(cè)髁和脛骨內(nèi)、外側(cè)髁以及髕骨構(gòu)成。小腿通過膝關(guān)節(jié)和相關(guān)肌肉可作屈伸運動以及微小的旋轉(zhuǎn)運動,但由于膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)囊緊固，因此通過膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運動范圍小且韌帶在小腿伸直時的限制緊,很難進行旋轉(zhuǎn)運動,因此在進行膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計時可以忽略其旋轉(zhuǎn)運動。本文設(shè)計的膝關(guān)節(jié)在矢狀面上有一定的自由度，基于仿生學理論，小腿連接頭的前端有一段弧形的凸起，類似于人體的髕骨，并且采用有限元分析，設(shè)計減重孔，減輕重量。在減重孔中設(shè)有限位螺釘，對膝關(guān)節(jié)進行機械限位保護。

3.3 踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計

小腿和腳底板的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。踝關(guān)節(jié)是將腳與小腿連接在一起的結(jié)構(gòu)。踝關(guān)節(jié)作為被動關(guān)節(jié)，采用球鉸裝置，則具有較好的仿生性。人體腳部分為前腳掌和后腳掌，設(shè)計時用連接板和螺釘構(gòu)成腳底板，用不同的連接板替代前腳掌和后腳掌，這樣可彎曲,更符合人正常行走時的狀況。連接板下設(shè)計橡膠材料的鞋墊，在橡膠墊下可布置足底壓力傳感器,用于收集人體運動的信息。

圖4 踝關(guān)節(jié)整體結(jié)構(gòu)

4 運動分析

本文中下肢外骨骼的髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)的設(shè)計均采用三連桿結(jié)構(gòu)，且驅(qū)動方式均為液壓驅(qū)動。為了獲得液壓缸的行程，首先要知道大腿與小腿的轉(zhuǎn)動范圍[8-9]。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，大腿與小腿的轉(zhuǎn)動范圍分別設(shè)定為-30°～80°和0°～90°。采用繪圖的方法，得到液壓缸的行程，如圖5和圖6所示。

圖5 髖關(guān)節(jié)驅(qū)動范圍示意圖

圖6 膝關(guān)節(jié)驅(qū)動范圍示意圖

髖關(guān)節(jié)的驅(qū)動范圍為：

L=Lmax-Lmin=82.6(mm)

所需液壓缸的最大驅(qū)動力為：

其中，F(xiàn)max為液壓缸所需最大驅(qū)動力，K為髖關(guān)節(jié)力矩，Kmax為實驗中所得到的每千克力矩，M為人體的質(zhì)量，Dmin為最小力矩，帶入數(shù)據(jù)，計算得到:

Fmax≈900(N)

同理，膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動范圍繪圖的方法可以得到：

L=Lmax-Lmin=100(mm)

代入數(shù)據(jù)，計算得到膝關(guān)節(jié)液壓缸的最大驅(qū)動力為：

Fmax≈780(N)

圖7 髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的力矩圖

5 仿真驗證

由于在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，將三連桿機構(gòu)的尺寸假設(shè)在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處，并且由于繪圖的方法并不能完全地模擬三連桿機構(gòu)的運動軌跡，因此應對該機構(gòu)的假設(shè)進行仿真校核[10-11]。

本文采用ADAMS軟件，分別對該機構(gòu)的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角及對應的驅(qū)動液壓缸的行程進行仿真校核，仿真結(jié)果如圖8、圖9和表1。

圖8 髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角和驅(qū)動行程

圖9 膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角和驅(qū)動行程

人體正常行走時，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的運動角度分別為-26.51°～32.82°和5.6°～78.65°，將仿真實驗得到的數(shù)據(jù)和使用繪圖法規(guī)定的數(shù)值與其對比，表明所設(shè)計的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角能滿足正常人體行走的要求。將繪圖法所得到的驅(qū)動行程和仿真實驗得到的實際行程進行對比，可以得到驅(qū)動液壓缸的行程，以此進行液壓缸的選型或定制。

表1 關(guān)節(jié)運動范圍對比

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種下肢外骨骼機器人機構(gòu)，其髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處采用三連桿結(jié)構(gòu)，尤其在髖關(guān)節(jié)處還設(shè)計了球鉸裝置，提高仿生性能。在大腿、小腿和腰帶處分別設(shè)計有升降調(diào)節(jié)機構(gòu)，用于適合不同形體的人。大腿處采用弧形結(jié)構(gòu)，使整體結(jié)構(gòu)更加緊湊。并且通過ADAMS仿真分析，驗證了該機構(gòu)的轉(zhuǎn)角范圍和驅(qū)動范圍。

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(責任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2017.02.025

2016-11-12

安徽省科技攻關(guān)計劃項目(1604a0902125)。

王毓(1989-)，安徽舒城人，碩士，研究方向：機器人與信息感知研究。

TP242

A

1673-2006(2017)02-0102-04