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        可穿戴下肢外骨骼總體方案設(shè)計

        2020-03-05 02:33:50
        技術(shù)與市場 2020年2期
        關(guān)鍵詞:外骨骼步態(tài)踝關(guān)節(jié)

        (東北林業(yè)大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150080)

        0 引言

        可穿戴外骨骼機(jī)器人,又名助力機(jī)械,是一款能夠為使用者加強(qiáng)承載負(fù)荷能力,提供輔助動力,以及幫助其支撐地面的助力機(jī)器人,屬于可穿戴智能設(shè)備[1]。

        可穿戴外骨骼機(jī)器人作為熱門研究領(lǐng)域,在近些年發(fā)展迅速,已經(jīng)具備了針對不同工作領(lǐng)域的不同類型外骨骼。如今外骨骼機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域主要是:軍事、醫(yī)療以及民用[2-3]。

        下肢外骨骼總共有3個關(guān)節(jié)組件:髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。每個關(guān)節(jié)的運動和受力情況都能對人體產(chǎn)生影響。本文將針對人體下肢,進(jìn)行外骨骼的整體方案設(shè)計。

        1 人體步態(tài)分析

        我們通常把一個健康的成年人感覺最舒適、自如的行走姿態(tài)叫做人體步態(tài)。他是成年人體最基本的運動狀態(tài)。人體下肢一側(cè)的腳跟接觸地面到同側(cè)腳跟下一次接觸地面之間的運動時間叫做一個步態(tài)周期[4-5]。步態(tài)運動的各個時期如圖1所示:我們把一側(cè)腳跟接觸地面到腳尖離開地面的過程叫做支撐相,約占整個周期的3/5;把一側(cè)腳尖離開地面到同側(cè)腳跟接觸地面的過程叫做擺動項,約占整個周期的2/5[6]。

        圖1 人體步態(tài)

        2 人體下肢各關(guān)節(jié)生物力學(xué)模型及其運動學(xué)分析

        2.1 人體下肢生物力學(xué)模型分析

        通常在進(jìn)行人體各關(guān)節(jié)運動研究時,要對人體基本參考系進(jìn)行研究。在醫(yī)學(xué)研究和體育學(xué)中常用的參考系如圖2所示。整個參考系由失狀軸、冠狀軸、垂直軸3個軸組成,同時具有冠狀面、矢狀面和橫斷面3個平面。人體各個關(guān)節(jié)的運動形式,可以大致分為屈伸運動、收展運動和旋轉(zhuǎn)運動3種[7]。

        如圖3所示,參與人體下肢運動的關(guān)節(jié)有很多,而且大多數(shù)是多自由度關(guān)節(jié)。設(shè)計時下肢有些部位也存在一些少動或不動關(guān)節(jié),這些關(guān)節(jié)只具備少量的調(diào)節(jié)功能,所以在外骨骼簡化設(shè)計中只考慮髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。

        2.2 人體下肢運動學(xué)分析

        人體下肢具有不同的運動形式,大多以串并聯(lián)的混合旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)為主,在機(jī)構(gòu)學(xué)中可以表現(xiàn)出不同的運動形式[8]。在設(shè)計外骨骼機(jī)構(gòu)時,要詳細(xì)考慮人體下肢的機(jī)構(gòu)運動學(xué),使外骨骼結(jié)構(gòu)也具備人體下肢復(fù)雜和精密的機(jī)構(gòu)特點(見圖4)。

        圖2 人體基本平面及軸線

        圖3 人體重要骨骼及關(guān)節(jié)

        圖4 人體下肢關(guān)節(jié)分布情況

        通過對人體下肢骨骼機(jī)構(gòu)的分析,可以將髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)均看作具有3個自由度的球副機(jī)構(gòu),將膝關(guān)節(jié)看作只有1個自由度的轉(zhuǎn)動副機(jī)構(gòu)[9]。下肢骨骼與腰部盆骨相連,組成雙下肢的運動鏈,簡化后的下肢骨骼構(gòu)型如圖5所示。

        圖5 下肢骨骼簡化模型D-H坐系

        通過人機(jī)工程的相關(guān)資料數(shù)據(jù)分析,可以得到我國正常青年男子的身高與骨骼的大致比例。根據(jù)比例,可以得到人體各關(guān)節(jié)中心的相對尺寸,從而確定外骨骼各連桿和副之間的尺寸參數(shù)(見圖6),其中:l0=0.039 H;l1=0.246 H;l2=0.245 H;l3=0.191 H。

        圖6 骨骼長度與身高比例關(guān)系

        人體在正常步態(tài)運動中兩側(cè)下肢為相對中心對稱關(guān)系,所以在分析時可以只考慮單側(cè)下肢。本小節(jié)以右側(cè)下肢為例,進(jìn)行運動軌跡方程求解。[10]式中l(wèi)3,l4均為常值,θ1,θ2,θ3為旋轉(zhuǎn)角度,隨著時間t變化而變化,c代表cos,s均代表sin,α、β、γ分別代表對應(yīng)X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)角度。

        設(shè)盆骨中心O4的運動軌跡方程為:

        (1)

        (2)

        根據(jù)式(2)可以得到:

        所以大腿連桿相對髖關(guān)節(jié)中心的軌跡方程為:

        f1(t)=y1(t)=-l0·y(t)

        (3)

        小腿連桿相對膝關(guān)節(jié)中心的軌跡方程為:

        (4)

        當(dāng)已知速度方程時,可以通過下肢連桿末端的速度X和下肢各連桿的初始位置求得運動學(xué)逆解,得到關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動曲線。設(shè):

        (5)

        3 外骨骼踝關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

        3.1 外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

        外骨骼機(jī)器人是一種典型的人機(jī)結(jié)合設(shè)備,需要具備良好的舒適性和穩(wěn)定性,保證人機(jī)協(xié)作效率良好。具體設(shè)計要求如下。

        3.1.1 外骨骼擬人設(shè)計要求

        外骨骼各關(guān)節(jié)的擬人設(shè)計是外骨骼各關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)穿戴舒適且與人體運動功能相一致的前提,根據(jù)人體各關(guān)節(jié)位置進(jìn)行盡量精確排布關(guān)節(jié)自由度位置,設(shè)計合理的運動副替代結(jié)構(gòu);針對人體下肢特點,設(shè)計合理的約束機(jī)構(gòu),其穿戴部分尺寸可調(diào)。

        3.1.2 外骨骼人機(jī)運動適應(yīng)性要求

        人體運動過程中,設(shè)備與人體的相對位置可能會產(chǎn)生偏移,因此需要設(shè)計一些機(jī)構(gòu)以適應(yīng)人體運動過程中產(chǎn)生的人機(jī)相對位置變化,設(shè)備穿戴后無論何種綁縛狀態(tài),勢必要留有一定空間給人體進(jìn)行自調(diào)整,運動過程中這樣的空間會造成人機(jī)一定程度的偏離,保證適應(yīng)性的關(guān)鍵是為設(shè)備和人體設(shè)計合理的空間位置,選擇適應(yīng)性較強(qiáng)的人機(jī)連接方式,或者設(shè)計一個調(diào)整機(jī)構(gòu)或在結(jié)構(gòu)本體或在驅(qū)動系統(tǒng)中,以適應(yīng)足部屈伸帶動小腿肌肉的變化,實現(xiàn)外骨骼各關(guān)節(jié)部件的位置自調(diào)整。

        3.1.3 外骨骼機(jī)體運動范圍要求

        外骨骼機(jī)構(gòu)設(shè)計時,應(yīng)滿足機(jī)體運動范圍大于正常的人體運動范圍,保證在規(guī)定范圍運動時能夠達(dá)到人體需要而機(jī)器不產(chǎn)生干涉,不與其他部件產(chǎn)生碰撞;再在各關(guān)節(jié)處增加限位部件,起到保護(hù)作用。

        3.2 外骨骼關(guān)節(jié)布置方案

        已知影響人體下肢步態(tài)運動的自由度共有7個,但是踝關(guān)節(jié)處的收展自由度在人體正常運動中運動角度很小,可以忽略不計,所以在外骨骼設(shè)計時不進(jìn)行考慮,外骨骼每側(cè)下肢只設(shè)計6個自由度。這6個自由度中,髖關(guān)節(jié)具有屈伸、旋轉(zhuǎn)、收展3個自由度;膝關(guān)節(jié)具有屈伸運動1個自由度;踝關(guān)節(jié)具有旋轉(zhuǎn)和屈伸2個自由度。

        通過已知的自由度限制,設(shè)計2種可行性較高的關(guān)節(jié)布置方案,如圖7所示。

        (a)外骨骼關(guān)節(jié)布置方案一 (b)外骨骼關(guān)節(jié)布置方案二

        在人機(jī)穿戴運動時,外骨骼的關(guān)節(jié)相對人體外置,與人體各個關(guān)節(jié)的運動軸線不重合,運動中外骨骼與人體下肢實際運動軌跡偏差會很大。為了解決這個問題,需要在外骨骼關(guān)節(jié)位置布局上進(jìn)行設(shè)計,在保證與人體運動一致的情況下,滿足人體所需的舒適度。

        設(shè)計時,由于3個關(guān)節(jié)的屈伸自由度運動軸線可以輕易滿足與人體運動軸線重合,所以設(shè)計重點往往在髖關(guān)節(jié)的收展和旋轉(zhuǎn)自由度,還有踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)自由度上。如圖7所示,2種方案在腰部與大腿的連接處均設(shè)置了3個旋轉(zhuǎn)軸線相互垂直的旋轉(zhuǎn)副,可以滿足髖關(guān)節(jié)進(jìn)行正常的大腿內(nèi)擺外擺運動、大腿屈伸運動和大腿內(nèi)旋外旋運動;在大腿與小腿的連接處設(shè)置了一個水平方向的旋轉(zhuǎn)副,可以滿足膝關(guān)節(jié)水平方向的屈伸運動;在小腿與腳部連接處設(shè)置了2個旋轉(zhuǎn)軸線垂直的旋轉(zhuǎn)副,可以滿足踝關(guān)節(jié)的內(nèi)旋外旋和屈伸運動。2種設(shè)計方案最大的區(qū)別就是髖關(guān)節(jié)處收展和屈伸2個自由度的位置變化。方案一中髖關(guān)節(jié)的收展運動軸線在腰部的后邊,可以在人機(jī)穿戴時滿足與人體髖關(guān)節(jié)收展運動軸線重合,而方案二中髖關(guān)節(jié)收展自由度處于大腿與腰部中間,很難與人體髖部收展運動軸線重合,理論誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于方案一。

        已知正常人體骨骼之間長度比例大致相同,如果一個人身高為H,那么他的大腿長度即髖關(guān)節(jié)到膝關(guān)節(jié)的長度為0.245 H;小腿長度即膝關(guān)節(jié)到踝關(guān)節(jié)的長度為0.246 H;踝關(guān)節(jié)相對地面的長度約為0.039 H。據(jù)統(tǒng)計男性身高平均值為175.24 cm,在骨骼結(jié)構(gòu)要設(shè)計6 cm的伸長縮短結(jié)構(gòu),保證這一可調(diào)節(jié)的范圍。采用內(nèi)桿外桿相對運動的方式實現(xiàn)。

        4 結(jié)語

        本章通過對人體步態(tài)進(jìn)行分析,首先將步態(tài)按人體下肢的運動劃分成6個狀態(tài),然后經(jīng)過分析論述人體下肢的生物力學(xué)模型,并對該模型按構(gòu)件簡化進(jìn)行運動學(xué)分析。最后根據(jù)下肢各關(guān)節(jié)的生物力學(xué)模型和運動規(guī)律,提出外骨骼的設(shè)計要求,對外骨骼的整體方案進(jìn)行設(shè)計。

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