徐繼東， 金山海

(延邊大學(xué) 工學(xué)院， 吉林 延吉 133002)

外骨骼是一種可以提高人的運(yùn)動(dòng)能力的可穿戴機(jī)器人，目前被廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)學(xué)康復(fù)等領(lǐng)域[1-3].傳統(tǒng)剛性外骨骼雖然可以為穿戴者的下肢提供足夠大的輔助力，但其存在重量大、穿戴過程復(fù)雜以及軸與穿戴者的關(guān)節(jié)連接位置容易發(fā)生錯(cuò)位等問題[4-5].為了克服上述傳統(tǒng)剛性外骨骼存在的問題，一些學(xué)者研究并設(shè)計(jì)了多種下肢步行輔助機(jī)器人.例如： Jin等[6]開發(fā)了一種柔性可穿戴下肢助力機(jī)器人，該機(jī)器人可以為髖關(guān)節(jié)提供合理有效的輔助力，但無法為其他關(guān)節(jié)提供輔助；王東海[7]設(shè)計(jì)了一種被動(dòng)式柔性下肢外骨骼機(jī)器人，該機(jī)器人可以減輕膝關(guān)節(jié)負(fù)載，但輔助力較?。?Asbeck等[8]設(shè)計(jì)了一種可以為穿戴者的踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)提供輔助的柔性可穿戴機(jī)器人，該機(jī)器人雖然可以通過主被動(dòng)相結(jié)合的方式產(chǎn)生輔助力，但對(duì)穿戴者髖關(guān)節(jié)提供的輔助力較??； Collins等[9]設(shè)計(jì)了一種輕便的被動(dòng)助力機(jī)器人，該機(jī)器人可以根據(jù)穿戴者腳踝的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)提供合適的輔助力，但由于該機(jī)器人無動(dòng)力源，因此只能提供很小的輔助力.上述學(xué)者們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人雖然較好地解決了裝置笨重、外骨骼的軸與穿戴者關(guān)節(jié)的連接位置易發(fā)生錯(cuò)位等問題，但仍存在機(jī)器人提供的輔助力較小，以及無法同時(shí)為下肢多個(gè)關(guān)節(jié)提供輔助力等缺點(diǎn).為此本文設(shè)計(jì)了一種輔助踝髖關(guān)節(jié)的柔性可穿戴步行輔助機(jī)器人，并通過對(duì)穿戴者踝髖關(guān)節(jié)的受力分析驗(yàn)證了該機(jī)器人的有效性.

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的柔性踝髖關(guān)節(jié)輔助機(jī)器人主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳遞系統(tǒng)和綁帶系統(tǒng)組成(見圖1).

圖1 機(jī)器人的正視圖(a)和側(cè)視圖(b)

1) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).整體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩部分組成，主要包含電機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪、滾輪、齒輪組、滾筒等部件，如圖2所示.考慮到在腰部增加8 kg的質(zhì)量不會(huì)顯著增加穿戴者的能量消耗[10]，所以將占機(jī)器人重量絕大部分的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過腰帶固定在腰部，如圖1所示.在髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，固定在電機(jī)軸上的小齒輪驅(qū)動(dòng)大齒輪和滾筒旋轉(zhuǎn)，以此使兩端分別固定在滾筒和穿戴者大腿后側(cè)綁帶的彈性帶卷起，進(jìn)而產(chǎn)生拉力以輔助髖關(guān)節(jié)伸展.在踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，固定在電機(jī)軸上的驅(qū)動(dòng)輪使兩端分別固定在驅(qū)動(dòng)輪和腳踝處的線纜卷起，從而產(chǎn)生拉力以輔助踝關(guān)節(jié)進(jìn)行跖屈運(yùn)動(dòng).

圖2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2) 傳遞系統(tǒng).傳遞系統(tǒng)由可以承受高力矩的線纜和彈性帶組成，如圖3所示.由圖3可以看出，線纜與彈性帶從穿戴者腰部的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分別延伸到腳跟和大腿，并在輔助過程中將輔助力傳遞到踝髖關(guān)節(jié).

圖3 傳遞系統(tǒng)示意圖

3) 綁帶系統(tǒng).綁帶系統(tǒng)由綁縛在穿戴者腰部、大腿、小腿和腳踝的綁帶組成，如圖1所示.其中腰部的綁帶用來固定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，大腿和小腿的綁帶用來固定導(dǎo)向管，腳部的綁帶用來固定腳踝和連接線纜.

2 助力策略

圖4為本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人的助力策略，該策略將一側(cè)腳的腳尖從接觸地面開始到再次接觸地面定義為一個(gè)步態(tài)周期.

圖4 機(jī)器人輔助策略示意圖

機(jī)器人在穿戴者步態(tài)周期的0%～60%范圍內(nèi)為踝髖關(guān)節(jié)提供輔助力矩.其中：在步態(tài)周期的0%～40%范圍內(nèi)，滾筒卷起髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的彈性帶，以此給大腿施加一個(gè)沿彈性帶運(yùn)動(dòng)方向的拉力，驅(qū)動(dòng)穿戴者的大腿向前擺動(dòng)；在步態(tài)周期的20%～60%范圍內(nèi)，踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)收緊線纜，使穿戴者的腳跟處產(chǎn)生一個(gè)沿線纜向上的拉力，以此驅(qū)動(dòng)穿戴者的踝關(guān)節(jié)彎曲.

3 受力分析

3.1 踝關(guān)節(jié)的受力分析

在踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電機(jī)的最大持續(xù)扭矩為2 N·m， 旋轉(zhuǎn)半徑為0.008 m， 為腳踝提供的最大輔助力為200 N.

圖5為踝關(guān)節(jié)的受力示意圖，其中圖(a)是穿戴者腳踝的示意圖，圖(b)和(c)分別為穿戴者在站立時(shí)刻和步行期間某一時(shí)刻的踝關(guān)節(jié)受力示意圖.圖中O1為踝關(guān)節(jié)矢狀面上的樞軸點(diǎn)，r1為踝關(guān)節(jié)力臂，l1為樞軸點(diǎn)O1到線纜在踝關(guān)節(jié)作用點(diǎn)的距離.在輔助過程中，由于線纜與穿戴者小腿是平行的，所以踝關(guān)節(jié)力臂r1的旋轉(zhuǎn)角度與穿戴者的踝關(guān)節(jié)角度θ1相等.因此，踝關(guān)節(jié)的力臂r1可表示為：

r1=l1cosθ2.

(1)

由式(1)可得踝關(guān)節(jié)輔助力矩T1的計(jì)算公式：

T1=f1r1,

(2)

其中f1為踝關(guān)節(jié)的目標(biāo)輔助力.

圖5 踝關(guān)節(jié)受力示意圖

對(duì)踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在步態(tài)周期的20%～60%范圍內(nèi)提供的目標(biāo)輔助力f1進(jìn)行了模擬，如圖6所示.由圖6可以看出，在步態(tài)周期的20%～60%范圍內(nèi)，f1呈增加趨勢(shì)，并在60%時(shí)達(dá)到峰值.另外，在此期間機(jī)器人對(duì)穿戴者踝關(guān)節(jié)進(jìn)行輔助的最大輔助力矩T1為4 N·m左右.

圖6 踝關(guān)節(jié)角度θ1、踝關(guān)節(jié)力臂r1、踝關(guān)節(jié)目標(biāo)輔助力f1以及踝關(guān)節(jié)所受輔助力矩T1在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)的波形圖

3.2 髖關(guān)節(jié)的受力分析

圖7 髖關(guān)節(jié)受力示意圖

在髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電機(jī)的最大持續(xù)扭矩為2 N·m， 齒輪傳動(dòng)比i為1.67，滾筒外徑為0.005 m， 髖關(guān)節(jié)的最大輔助力為222 N.大腿與彈性帶之間的角度φ的計(jì)算公式為：

(3)

根據(jù)φ可得髖關(guān)節(jié)力臂r2為：

r2=l3sinφ.

(4)

由公式(4)即可得到計(jì)算髖關(guān)節(jié)的輔助力矩T2的公式，為：

T2=f2r2，

(5)

其中f2為髖關(guān)節(jié)目標(biāo)輔助力.

為了驗(yàn)證機(jī)器人對(duì)穿戴者髖關(guān)節(jié)的輔助效果，在步態(tài)周期的0%～40%范圍內(nèi)對(duì)髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所提供的目標(biāo)輔助力f2進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖8所示.由圖8可以看出，在步態(tài)周期的0%～20%范圍內(nèi)，f2呈增加趨勢(shì)，并在20%時(shí)達(dá)到峰值；在步態(tài)周期的20%～40%范圍內(nèi)，f2呈減小趨勢(shì)，并在40%時(shí)減小為0.在該期間穿戴者髖關(guān)節(jié)受到的最大力矩約為20 N·m.上述結(jié)果說明，機(jī)器人對(duì)穿戴者髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)能夠起到有效的輔助作用.

4 結(jié)論

研究表明，本文設(shè)計(jì)的輔助踝髖關(guān)節(jié)的可穿戴步行輔助機(jī)器人可以在步態(tài)周期的0%～60%范圍內(nèi)為穿戴者的踝髖關(guān)節(jié)提供高達(dá)約200 N和222 N的峰值力，以幫助腳踝彎屈和髖關(guān)節(jié)伸展，而且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穿戴方便；因此本文研究結(jié)果可為外骨骼步行輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供參考.在今后的研究中，我們將繼續(xù)探討機(jī)器人的輕便性，并通過實(shí)驗(yàn)探索如何在不同行走模式下為穿戴者的踝髖關(guān)節(jié)提供最佳的輔助力，以進(jìn)一步增強(qiáng)穿戴者的下肢活動(dòng)效果.

圖8 髖關(guān)節(jié)角度θ2、大腿與彈性帶之間的角度φ、髖關(guān)節(jié)力臂r2、髖關(guān)節(jié)目標(biāo)輔助力f2以及髖關(guān)節(jié)所受輔助力矩T2在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)的波形圖