王楚鑫

關鍵詞：輕量化;自助式;康復外骨骼機器人;可行性

根據(jù)中國殘疾人聯(lián)合會統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示，截止到2019 年中國殘疾人總數(shù)將近九千萬，其中肢體殘疾的人數(shù)占四分之一?；疾〕跗谟行У乜祻陀柧殞堈匣颊叩娜粘Ｉ罨顒幽芰瓦\動功能恢復具有良好的促進作用[1]。目前我國合格的康復醫(yī)師占基本人群比例僅為每10 萬人中1.7 個人，遠遠不能滿足患者的康復需求，康復專業(yè)人才存在巨大的缺口[2]。隨著科技的發(fā)展，運動康復療法也在不斷地創(chuàng)新，從最初普通的器械到智能化輔助器械逐漸進入醫(yī)院，科技的力量正在改變傳統(tǒng)的方法，為患者和醫(yī)護人員提供最佳的儀器和治療方法。

下肢康復機器人能夠有效地幫助肢體運動障礙患者進行康復治療[3]，已經(jīng)在機器人領域的得到廣泛關注。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有很多比較成熟的可穿戴外骨骼機器人產(chǎn)品，這為本研究所提出的輕量化自助式康復外骨骼機器人的設計可行性提供了支撐，但是大多都是減重反饋綜合訓練系統(tǒng)，體積大、價格較高，同時因為便攜性差、價格高昂及操作復雜程度高的特性決定了下肢康復外骨骼機器人需要在醫(yī)院進行操作治療。因此，本文設計了一款適合于居家康復的輕量化自助式康復外骨骼機器人，并通過ADAMS 仿真對所建立的外骨骼機器人進行可行性分析。

1 輕量化自助式康復外骨骼機器人概述

輕量化自助式康復外骨骼機器人是為幫助康復后期有一定運動能力的殘障患者進行居家康復訓練而設計的，因此外骨骼機器人需要滿足輕便性和人機協(xié)調(diào)性。本文設計的外骨骼機器人主要包括腰部連接桿、大腿桿、小腿桿、足底支撐、驅(qū)動單元和緊固綁帶，機械結構相對簡單，其中大腿桿和小腿桿部件采用無級可調(diào)機制，能夠滿足95% 以上的人群使用。為了減輕外骨骼整體質(zhì)量，對外骨骼機器人的結構進行簡化，在單側腿設置了3 個自由度，這是因為下肢運動主要發(fā)生在矢狀面上，因此3 個自由度分別設置為髖關節(jié)的屈—伸主動自由度、膝關節(jié)屈—伸主動自由度、踝關節(jié)背曲—跖屈被動自由度。外骨骼機器人的驅(qū)動方式采用電機絲杠傳動，將電機的旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動，從而帶動髖關節(jié)和膝關節(jié)實現(xiàn)屈伸運動，踝關節(jié)不施加驅(qū)動單元。在Solidworks 中完成對輕量化自助式康復外骨骼機器人的建模，模型圖如圖1 所示，尺寸表如表1 所示。

2輕量化自助式康復外骨骼機器人設計的可行性分析

根據(jù)輕量化自助式康復外骨骼機器人的尺寸、自由度設置和驅(qū)動方式，將Solidworks 建立的模型導入到ADAMS 中，通過建立關節(jié)約束，關節(jié)轉動副和絲杠位移副，得到外骨骼機器人仿真模型，并進行關節(jié)力矩和關節(jié)角度跟蹤仿真分析，以驗證所設計的輕量化自助式康復外骨骼機器人的可行性。

2.1 建立輕量化自助式康復外骨骼機器人仿真模型

為了對輕量化自助式康復外骨骼機器人進行運動學和動力學分析，將輕量化自助式康復外骨骼機器人簡化為一個五連桿模型，包括腰部桿、兩個大腿桿和兩個小腿桿。由于踝關節(jié)位置無驅(qū)動單元，所以將足底支撐部分與小腿桿固定到一起?；诖?，結合輕量化自助式康復外骨骼機器人的基本尺寸，在ADAMS /View 模塊中建立下肢輕量化自助式康復外骨骼機器人的簡化模型。ADAMS / View 提供了大量的約束庫、確定好各參考點的位置后，新建Link 件，各參考點被依次連接，下肢輕量化自助式康復外骨骼機器人的簡化模型可以構建得到，如圖2 所示。選取模型材料為鋁合金，密度的大小設置為2.74E-006Kg / mm^3，泊松比0.330，楊氏模量的值為72.0GPa。零件庫和動力學元件庫，操作簡單，交互界面友好。為了建立輕量化自助式康復外骨骼機器人的簡化模型，在ADAMS / View 中選取并建立五個桿件的參考點。重心的默認位置位于形心，是由ADAMS 根據(jù)模型的形狀推算得到，各個桿件的轉動慣量根據(jù)模型的材料和結構尺寸計算得出，并且這些參數(shù)可以根據(jù)實際需求進行靈活調(diào)整。

建立下肢各構件的物理模型，對各個桿件的連接點及關節(jié)處施加約束，同時在髖關節(jié)和膝關節(jié)施加驅(qū)動。為了仿真的便利性，本研究假定所有的輕量化自助式康復外骨骼機器人的桿件都是剛體，桿件之間的連接采用剛性連接的方式，驅(qū)動器施加的驅(qū)動力矩和功率滿足輕量化自助式康復外骨骼機器人運動的需要，各部分構件之間的摩擦予以忽略。為了盡可能地貼合真實的下肢輕量化自助式康復外骨骼機器人結構，需要將腰部位置的桿件進行固定，因此在腰部桿件和髖部位置的連接處設置一個Fixed 連接。根據(jù)本文所提出的踝關節(jié)為無動力關節(jié)，為了防止仿真過程中出現(xiàn)誤差，在足底支撐和小腿桿件的連接處也添加一個Fixed 連接。為了實現(xiàn)髖關節(jié)和膝關節(jié)在矢狀面內(nèi)的屈—伸運動，在髖關節(jié)和踝關節(jié)處分別施加一個鉸鏈連接，并在每個鉸鏈連接上添加旋轉驅(qū)動。最后，下肢輕量化自助式康復外骨骼機器人需要通過前進運動以獲得各關節(jié)的性能參數(shù)，因此在腰部桿件與地面之間添加了一個平移驅(qū)動，通過步態(tài)實驗測得人體平均步速，所以本文設定平移驅(qū)動的速度為1.2m / s。

2.2 關節(jié)力矩仿真驗證

在ADAMS 軟件中對所設計的輕量化自助式康復外骨骼機器人進行動力學仿真，獲得輕量化自助式康復外骨骼機器人在運動過程中的關節(jié)力矩和關節(jié)角度的變化情況。

輕量化自助式康復外骨骼機器人的髖關節(jié)和膝關節(jié)關節(jié)力矩分布的仿真結果如圖3 所示，單位為N · m。髖關節(jié)處和膝關節(jié)產(chǎn)生的最大的轉矩分別為241N · m 和77N · m，均大于人體實際的髖、膝關節(jié)轉矩，所以設定的髖、膝關節(jié)處的驅(qū)動裝置滿足助行器載人行走的動力需求。

2.3 關節(jié)角度跟蹤仿真驗證

為了驗證所設計的輕量化自助式康復外骨骼機器人的運動特性與人體運動是否一致，需要從關節(jié)角度的變化趨勢來觀察。本研究采用三維動作捕捉系統(tǒng)對正常人體真實運動關節(jié)角度數(shù)據(jù)進行采集，用來作為對照組。仿真結果與人體真實步態(tài)的對比結果如圖4 和圖5 所示，其中紅色虛線代表仿真結果，藍色實線代表人體步態(tài)變化曲線。根據(jù)實驗結果的結果看出，下肢輕量化自助式康復外骨骼機器人的髖關節(jié)和膝關節(jié)的關節(jié)角度變化與人體步態(tài)軌跡基本保持一致，從而可以判斷本研究所設計的輕量化自助式康復外骨骼機器人模型和參數(shù)設定是符合人體工學的。通過仿真結果發(fā)現(xiàn)二者存在一定的誤差，這是由于參考點的取點數(shù)有限和位置偏差造成的。因此，在接下來的工作中，還要對輕量化自助式康復外骨骼機器人做進一步地改進，比如通過制定補償控制策略和增加仿真模型的參考點數(shù)量以更好地模擬正常步態(tài)。

3 結語

下肢康復外骨骼機器人是涉及人類健康的特殊領域，潛在經(jīng)濟市場十分龐大，多個國家已將其列為新型重點戰(zhàn)略發(fā)展產(chǎn)業(yè)。本研究所提出的機器人結構簡單，驅(qū)動方式有效，根據(jù)模型估計，整體質(zhì)量大約為10kg，相較于市面上質(zhì)量較輕的成都布法羅機器人AIDER [4]，本外骨骼機器人在質(zhì)量上有明顯的優(yōu)化。同時為了驗證本研究所設計的輕量化自助式康復外骨骼機器人的協(xié)調(diào)性，通過ADAMS 進行了關節(jié)力矩和關節(jié)角度的仿真分析，仿真結果表明輕量化自助式康復外骨骼機器人的結構設計和動力設計切實可行。由于目前康復輔具的設計主要是以功能實現(xiàn)為主，對用戶與產(chǎn)品之間的感情交流的考慮比較少[5]，下一步將圍繞情感化康復輔具設計策略開展研究。