陳宗民，干 靜，武 豪，王 彪

（四川大學機械工程學院，四川 成都 610031）

1 引言

外骨骼是一種能夠增強或輔助人體運動機能的可穿戴仿生動力輔助機械裝置，具有非常廣闊的發(fā)展前景與運用場景［1］。外骨骼在運行過程中所有的受力均通過綁縛結(jié)構傳遞，是人機物理交互的重要接口。較高的人機耦合程度可以減少相互運動干涉，降低外骨骼人機耦合運動的安全性、匹配性、可靠性與舒適性。

文獻［2］在綜合研究與分析了多關節(jié)外骨骼助力機器人的發(fā)展現(xiàn)狀與關鍵技術；文獻［3］對蹲起時助力外骨骼的人機耦合作用下的關節(jié)驅(qū)動補償進行了研究；文獻［4］基于三維運動捕捉提出了一種下肢外骨骼人機耦合粗糙度的評價方法；文獻［5］通人體仿真軟件與動作捕捉系統(tǒng)分析與評估了兩種綁縛約束條件下外骨骼人機耦合情況。在實際的外骨骼研究與設計過程中發(fā)現(xiàn)，綁縛系統(tǒng)在人體與外骨骼間起到直接接觸、連接、力傳遞與固定作用的，綁縛系統(tǒng)優(yōu)化能夠一定程度上直接提升外骨骼人機耦合程度，但事實上目前相關的設計與研究相對較少，需要進一步挖掘。

2 理論分析

目前的國內(nèi)外剛性外骨骼產(chǎn)品腿部綁縛系統(tǒng)大都采用由大腿綁縛與小腿綁縛組成的形式，本實驗在于探究綁縛位置與綁縛數(shù)量對人機耦合的影響，所以將綁縛系統(tǒng)簡化為徑向尺寸不同的剛性結(jié)構來消除綁縛結(jié)構帶來的影響。

腿部可綁縛的位置相對較多，根據(jù)國內(nèi)外大量外骨骼產(chǎn)品的研究［6］發(fā)現(xiàn)外骨骼腿部綁縛設計的三個主要特征：綁縛數(shù)量、綁縛位置以及綁縛尺寸。這里的人機耦合運動主要針對腿部綁縛設計的綁縛數(shù)量與綁縛位置兩個主要特征，在此基礎上提出對人機耦合影響的假設：綁縛位置的降低或綁縛數(shù)量的增加均能夠提升人機耦合程度。

3 運動分析

在行走運動狀態(tài)下，肢體在冠狀面及水平面內(nèi)的擺動幅度相比矢狀面內(nèi)的擺動幅度較小，所以選擇矢狀面進行二維行走步態(tài)分析［7］，行走步態(tài)分析，如圖1所示。在此基礎上建立坐標系，并構建三連桿機構人體運動簡化模型，進行運動學分析［8］與動力學分析［9］。

圖1 行走步態(tài)分析Fig.1 The Analysis of Walking Gait

將踝、膝、髖以及肩關節(jié)簡化為轉(zhuǎn)動副，將小腿、大腿以及軀干簡化為連桿，得到地面與小腿相對踝關節(jié)的夾角θ1、小腿與大腿相對膝關節(jié)的夾角θ2以及軀干與大腿相對髖關節(jié)夾角θ3，運動學簡化模型，經(jīng)過三角函數(shù)計算就可得到踝關節(jié)角位移φ1、膝關節(jié)角位移φ2以及髖關節(jié)角位移φ3，根據(jù)幾何關系運算得到關節(jié)角位移方程如式（1）所示，如圖2所示。

圖2 運動學簡化模型Fig.2 The Simplified Model of Kinematics

在運動學簡化模型的基礎上建立3自由度人機耦合運動系統(tǒng)的動力學簡化模型，如圖3所示。在行走步態(tài)變化中，肌肉變形導致腿部綁縛與肢體相互作用受力情況復雜，所以將所有的作用力均簡化到接觸受點力。小腿綁縛簡化到受力點A，將受力簡化為分力FxA與FyA，力臂LA為受力點A到膝關節(jié)O3的長度。大腿綁縛簡化到受力點B，將受力簡化為分力FxB與FyB，力臂LB為受力點B到膝關節(jié)O2的長度。人機腰背接觸受力簡化到受力點C，將受力簡化為分力FxC與FyC，力臂LC為受力點C到膝關節(jié)O3的長度。在運動學模型建立的運動參數(shù)基礎上，得到人機耦合動力學簡化模型的拉格朗日動力學方程式，如式（3）所示。

圖3 動力學簡化模型Fig.3 The Simplified Model of Dynamics

式中：τ—3×3 階關節(jié)驅(qū)動力矩矢量矩陣；M—3×3 階廣義質(zhì)量矩陣；H—3×3 階向心力及哥式力矩陣；G—3×3 階重力矩陣；F—3×3階廣義力適量矩陣。

4 實驗過程

實驗由模擬仿真實驗與樣機測試實驗兩個部分組成，模擬仿真實驗主要基于OpenSim 生物力學仿真分析軟件［10］，通過二次開發(fā)構建人機剛?cè)狁詈线\動系統(tǒng)模型，模擬綁縛作用力產(chǎn)生的影響。但肌肉在受力變形后會對綁縛結(jié)構產(chǎn)生的影響，需要通過樣機測試實驗來探究。樣機測試實驗基于下肢負重外骨骼綁縛樣機，如圖4 所示。實驗對象穿戴樣機在無驅(qū)動狀態(tài)下進行人機耦合運動，測量腿部綁縛產(chǎn)生的相對偏移與人體生理體征影響。

圖4 下肢負重外骨骼綁縛樣機Fig.4 The Experimental Prototype of Lower Limb Booster Exoskeleton

4.1 人機耦合系統(tǒng)構建

首先根據(jù)中國成年人人體尺寸，如表1所示。對人體骨肌模型進行模型縮放與測量標記，得到修改后的全身骨肌模型。應用SolidWorks 軟件建立負重下肢外骨骼簡化模型，采用Bushing Force約束力與Hunt Crossley Force 接觸力來模擬人機耦合運動中的外骨骼腿部綁縛受力情況，裝配得到人機耦合系統(tǒng)模型，如圖5所示。根據(jù)人體下肢可供綁縛空間尺寸與一般特征軸向尺寸，將大腿與小腿分別劃分為三個綁縛區(qū)域，如圖5所示。根據(jù)綁縛數(shù)量與綁縛位置設置綁縛實驗模型，腿部綁縛實驗模型設置，如圖7所示。

表1 中國成年人人體尺寸（a）Tab.1 Chinese Adult Body Size（a）

表1 中國成年人人體尺寸（b）Tab.1 Chinese Adult Body Size（b）

圖5 人機耦合模型Fig.5 Man-Machine Coupling Model

圖6 綁縛區(qū)域劃分Fig.6 Division of Binding Area

圖7 模擬仿真實驗模型設置Fig.7 The Setting of Simulation Models

4.2 模擬仿真實驗

選擇典型行走步態(tài)作為實驗的運動控制數(shù)據(jù)，采用RRA算法優(yōu)化各關節(jié)運動學數(shù)據(jù)，最終應用CMC正向動力學算法計算得到下肢各關節(jié)的運動學與動力學數(shù)據(jù)［11］。導出最能體現(xiàn)人機耦合運動特征的關節(jié)力矩曲線作為人機耦合匹配度判別依據(jù)，選擇左膝關節(jié)作為特征關節(jié)。

人體骨肌模型膝關節(jié)力矩曲線作為理想曲線，如圖8所示。其對應的關節(jié)角位移曲線，如圖9所示。各組對照模型實驗仿真對應的膝關節(jié)力矩曲線，如圖10～圖13所示。在綁縛數(shù)量確定的條件下，分析關節(jié)力矩曲線與理想曲線偏差，發(fā)現(xiàn)在大腿處伴隨綁縛位置距離髖關節(jié)的增大而縮小，在小腿處伴隨綁縛位置距離膝關節(jié)增大而縮?。辉诮壙`距離確定的條件下，實驗曲線峰值處伴隨綁縛數(shù)量的增加變得更加平滑。偏差越小說明人機耦合運動干涉產(chǎn)生的阻力越小，人機耦合相對越好；曲線平滑則說明綁縛結(jié)構在人機耦合運動過程中人機運動誤差較小，人機耦合相對較好。增加綁縛數(shù)量能夠進一步減弱人機耦合運動干涉產(chǎn)生的阻力，同時也提高了人機連接精度，所以人機耦合程度得到了提升，但人機耦合運動干涉與人機運動誤差并不能完全消除，所以在達到了一定程度后，增加綁縛數(shù)量對人機匹配度的提升效率逐漸減弱。

圖8 膝關節(jié)力矩理想曲線Fig.8 The Ideal Curve of Knee Joint Torque

圖9 膝關節(jié)角位移理想曲線Fig.9 The Ideal Curve of Knee Joint Angular Displacement

圖10 大腿綁縛位置對應膝關節(jié)力矩曲線Fig.10 The Curve of Knee Joint Torque Corresponding to the Binding Position of Thigh

圖11 小腿綁縛位置對應膝關節(jié)力矩曲線Fig.11 The Curve of Knee Joint Torque Corresponding to the Binding Position of Calf

圖12 綁縛數(shù)量對應膝關節(jié)力矩曲線Fig.12 The Curve of Knee Joint Torque Corresponding to the Number of Bindings

圖13 大腿綁縛位置與人機耦合程度插值曲線Fig.13 Interpolation Curve of Thigh Binding Position with the Degree of Man-Machine Coupling Degree

4.3 樣機測試實驗

樣機測試研究對象的基本生理信息，如表2所示。在實際樣機測試中發(fā)現(xiàn)，由于重力作用會產(chǎn)生綁縛滑移的現(xiàn)象，該現(xiàn)象會伴隨人機耦合運動的時間增長而加劇，綁縛下滑導致外骨骼機構轉(zhuǎn)軸軸心與人體關節(jié)軸心發(fā)生偏移，產(chǎn)生偏心矩增大的情況，加劇干涉運動產(chǎn)生的作用力，促使綁縛進一步位移，通過增加綁縛數(shù)量的方法可以有效的降低這種情況的發(fā)生，但每增加一副綁縛平均增加11.36s的穿戴時間，而且會在一定程度上導致穿戴者血壓增高。

表2 研究對象的基本生理信息（a）Tab.2 Basic Physiological Information of the Subjects（a）

表2 研究對象的基本生理信息（b）Tab.2 Basic Physiological Information of the Subjects（b）

在樣機測試試驗中還發(fā)現(xiàn)，大腿越靠近膝關節(jié)處則腿圍個體差異縮小且形變相對較少，受到肌肉變形的影響也較小，在膝關節(jié)處存在小幅腿圍增大變化，能夠為綁縛提供一定程度的結(jié)構約束；小腿靠近踝關節(jié)處雖然綁縛的力學性能較好但綁縛滑移明顯，靠近膝關節(jié)處雖然存在結(jié)構約束，但力學性能相對較差。

將各組曲線與理想曲線的數(shù)據(jù)方差倒數(shù)進行歸一化處理，通過三次樣條插值方法建立綁縛數(shù)量、綁縛位置與人機耦合程度的關系曲線，如圖14～圖16所示。通過仿真模擬與樣機測試結(jié)果的綜合分析，可以得到相對較優(yōu)的綁縛系統(tǒng)是在大腿處應選擇遠離髖關節(jié)的區(qū)域設置2副綁縛，在小腿處則應選擇在小腿靠近膝關節(jié)處與靠近踝關節(jié)處各設置1副綁縛共2副綁縛，如圖17所示。

圖14 小腿綁縛位置與人機耦合程度插值曲線Fig.14 Interpolation Curve of Calf Binding Position with the Degree of Man-Machine Coupling Degree

圖15 綁縛數(shù)量與人機耦合程度插值曲線Fig.15 Interpolation Curve of the Number of Bindings with the Degree of Man-Machine Coupling Degree

圖16 相對最優(yōu)腿部綁縛系統(tǒng)設置Fig.16 The Setting of Leg Binding System with Relatively High Degree of Man-Machine Coupling

5 結(jié)論

通過外骨骼綁縛的模擬仿真實驗與樣機測試實驗，發(fā)現(xiàn)綁縛位置的調(diào)整可以減小人機耦合運動產(chǎn)生的相互干涉作用力，提高人機耦合程度。綁縛位置的調(diào)整可以減小人機耦合運動產(chǎn)生的相互干涉作用力，提高人機耦合程度。大腿處的綁縛位置，當距離髖關節(jié)越遠時力學性能越好，大腿根部位置不適合綁縛，相對較優(yōu)的綁縛位置為靠近膝關節(jié)處；小腿處的綁縛位置，當距離膝關節(jié)越遠時力學性能越好，小腿中部位置不適合綁縛，相對較優(yōu)的綁縛位置為靠近踝關節(jié)處與靠近膝關節(jié)處。

綁縛數(shù)量的增加可以進一步減小人機耦合運動產(chǎn)生的相互干涉作用力，提高人機耦合運動速度，這一點與綁縛位置的作用原理相同。不同的是還可以增大總摩擦力，防止外骨骼相對人體向下滑移導致的軸心偏移現(xiàn)象，避免人機相互干涉運動進一步加劇。但綁縛數(shù)量增加到一定程度后對人機匹配度的貢獻率下降，而且還會帶來阻礙正常肌肉變形、導致穿戴者血壓增高與增加整體穿戴時間等影響。人機匹配度相對最高的腿部綁縛系統(tǒng)是在大腿處應選擇遠離髖關節(jié)的區(qū)域設置2副綁縛，在小腿處則應選擇在小腿靠近膝關節(jié)處與靠近踝關節(jié)處各設置1副綁縛共2副綁縛。

在本次外骨骼綁縛系統(tǒng)研究過程中并未涉及到綁縛結(jié)構，綁縛結(jié)構也是綁縛系統(tǒng)中影響人機匹配度的重要因素。未來需要繼續(xù)研究外骨骼綁縛結(jié)構對人機耦合匹配影響，重點探索通過綁縛結(jié)構優(yōu)化設計提升人機匹配度的方法。