下肢外骨骼虚拟样机设计研究

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人体下肢外骨骼机器人是-种可以穿戴，以人为主、机械为辅的人机-体化机械装置l1-2]，不仅具备保护人体和支持人体结构的功能，还大大增强了人体的力量 、速度和耐力[31。其设计思想是在人机交互的基础上，拓展人的运动功能 ，因此在下肢功能障碍患者康复训练、老年人及正常人助力行走、单兵装备中获得广泛关注与应用 。

经过几十年的发展，下肢外骨骼日趋成熟，但仍存在技术结构复杂、人机匹配不佳、成本高昂等问题。本着人机功能匹配的原则，在人体步态分析与动力学研究的基础上，提出了-种兼顾行走助力功能与低成本的可行设计方案。

2人体行走步态实验与运动分析步态分析是外骨骼机器人设计中不可或缺的技术环节 。以人体步态运动规律作为下肢外骨骼运动姿态控制的基础，有利于实现良好的人机匹配。采用 Vicon运动分析系统进行了运动学实验与分析。系统中的六台红外摄像镜头对实验对象身上的反光Marker进行实时捕捉，如图 1所示。Vicon系统结合用户建立的人体杆件运动学模型，如图2所示。能够实时的捕捉到各个关节的空间位置参数、各个关节间在同-时间点上的协同位置。

图1 Vicon运动系统在步态实验中应用Fig.1 Vicon Motion System Application in the Gait Experiments实验对象为 1名男性，24岁，身高 173cm，体重 65kg。实验对象在 8m的测量区域内，运动 3次，计算平均值作为实验结果。

为简化实验过程，仅对下肢的 16个标记点进行了捕捉测量。

来稿 日期：2012-07-14基金项目：国家自然科学基金(50975204)；天津市自然科学基金(11JCYBJC05700)作者简介：王新亭，(1978-)，男，山东武城人，讲师，主要研究方向：人机工程与仿生设计、工业设计第5期 王新亭等：下肢外骨骼虚拟样机设计研究 141图 2下肢模型建立Fig.2 Lower Limb Model is Established in This Paper经分析得步态运动学参数与时间的关系，如图3所示。图中水平轴为时间轴，在实验的起始和结束阶段人体处在尚未静止状态或停止运动状态，各个关节的在矢状面内角度为0，因此截取中间两个较为完整的步态周期数据，进行曲线拟合后作为动力学仿真和设计参考量，来指导模型运动仿真及各个关节及限位机构的设计。

各个关节相对于时间的角度关系， 、10080蒌604o耄20p-0地- 20- 40厂、/z / /. / 1. ， /f)< -、 。～ 1) / /J笺曼苫至圣罨 胄 曼 曼曼兰窒tlHipAngles：，-L KeeAngles：x- - LAnkAn e ：图3步态曲线(矢状面内)Fig.3 Gait Curve(In Sagital Plane)3动力学仿真与分析对比以杆件模型为基础，进行 ADAMS动力学仿真，求解髋关节及膝关节的驱动力矩。为了确保所建的动力学模型与人体行走规律吻合，以人体正常行走中的每-时刻各个关节的角度曲线(求导得到角速度 和角加速度 )为基础，选择拟合程度-定的函数 ，作为模型仿真的输人参数，这些参数都是通过在人体步态行走实验中能够测得的数据经拟合后得到，如图3所示。使用 ADAMS进行运动仿真，输出各个关节的力矩参数，如图4、图5所示。为最终驱动系统的选择提供依据。所需的人体杆件各个杆件的长度，质量，质心位置及绕质心转动的转动惯量等参数结合测量结果与生物力学参数公式确定。

-I： 洲 J L - 介 .r ， 。 h 、 -、 厂、 V - 00 0 5 1.0 .5 2 0 2.5Time(sec)图4 ADAMS仿真髋关节力矩参数Fig.4 ADAMS Simulation of Hip Joint Torque Parameters考虑到外骨骼和人体下肢均具有良好的对称性，为了便于分析，选取人体单侧腿进行分析，将外骨骼及腿杆均简化为刚体 ，通过约束把人体各腿杆与外骨骼结构杆件连为-体。即外骨骼的各连杆与相应的人体各腿杆重新构成-新的连杆系171，外骨骼与人体腿杆构成的连杆结构示意图，如图6所示。

0"IONII ，J。 I1 ，I f ， J W I ，- 、.. - ， l、 ， l J J ， 、 ， u ，、- 、 I L， V r， Il l' ，T 、 ，k √ I 丫 、 i ， ，：l， l 0 ，- 1 f I ， I r- ， 1 l， I f1 、， I VTime(sec)图5 ADAMS仿真膝关节力矩参数Fig.5 The ADAMS Simulation of Knee Joint Torque Parameters图6下肢外骨骼动力学模型Fig.6 Lower Limb Exoskeleton Dynamics Model图 6中， ( 1-3)对应于髋关节、膝关节和踝关节的转矩，为待求解项；m 13)为下肢外骨骼各连杆的质量，与之相应的是人体各腿杆质量为 ；m 表示膝关节处的驱动电机与减速箱的质量(髋关节处的驱动装置设计安装在腰部不计为腿部负载)；mr表示足体重量 (人足与外骨骼机械足重量之和).cf分别对应大腿连杆、小腿连杆和踝关节各人体腿杆的质心位置(外骨骼腿杆的重量比人腿的重量小且均匀分布到人腿上，只在膝关节中心处因施加驱动而出现有质量集中现象，但也可近似认为穿戴外骨骼不会引起腿部质心的种大变化)。人体的行走运动主要是通过髋关节、膝关节和踝关节在矢状面内的屈胂 来实现，因此，简化的运动空间由平面坐标系描述，髋关节、膝关节、踝关节的旋转角度分别Oi表示。重力加速度为 则建立该模型的Lagrange方程如下式所示：LT-U (1)式中： 型的总动能；u-模型的总势能； 格朗日函数。

依次求出 、 ，则拉格朗日函数为：，J -U1- -u31 12， 12(m。 .) . 。

( jl 2 )-21.如( ) c。s02 J1 2 2 ， 2 10 2 )-2l z2 cosO2 J(ml埘 1 J l cosO1-% 1 cos0l-(，n2 )g[-lIcosO1 2cos(0l )]-， I-l cosOl/：cos(01 )j (2)对 L求偏导数和导数，即第二类拉格朗日方程如下：：粤 -些 ， 1 2.， (3) ot匆 Oq，结合(2)、(3)可求出动力学方程：2 2T1D 0D12 力0lDl2202Dl120l Dl21 0l OzDl (4)2 2TD2l0l 2 D2 0D22 ，)2lvl0 02Dz2101 02D2 (5)142 机械 设 计 与制造NO.5Mav.2O13方程求解中所需已知量按如下原则设定 ：将人体模型简化为五杆机构，以 GB10000-1988中第50百分位人体尺寸输入模型的人体重为74kg，身高 1 75cm，并以该百分位的人体刚体参数[81为初始量。依据相关样机制作经验选取各腿杆的质量m。、m：、m 、m 、rn1分别为：2.0、2.0、0.25、4.0、1.0kg。为保证充裕的设计余量，各腿杆的最大角度 0 、02、0 、0 、0 ”、 分别为(245、140、216、371.6、1410、3642)。，经计算可得出各关节力矩。

表 1 Adams仿真和 L计算结果Tab.1 Adams SimuIation and L Results表中：T.-髋关节力矩 ；乃-膝关节力矩； .-髋关节启动力矩 ；- 膝关节启动力矩。单位为 Nm。

表 1结果表明，外骨骼的重量对于关节的转矩影响还是比较大的，因此对外骨骼的重量选择需要尽量的轻巧；髋关节和膝关节的力矩相差比较明显，应该选用不同的驱动电机，以更好的控制外骨骼的尺寸和重量；表中的启动转矩之所以很小，可能是因为导入信号有-定的起始角度 (人体静止站立时大腿与铅垂方向存在约4。左右的夹角)，即模型不能从0-始运动；另外人体在起始的迈步阶段，人体下肢的启动速度和加速度都很小，故启动力矩较校4虚拟样机设计方案运动学及动力学分析为样机设计提供了硬件参数约束、驱动系统选型等基本信息。在以上基础上，提 了较为简化的设计方案。在髋关节、膝关节、踝关节处各有-个旋转运动副，实现腿部在矢状面内的屈伸运动，其中在髋关节及膝关节处施加了驱动；另外，在髋关节处及踝关节处均设旋内旋外和外展内收自由度，但这些自由度均为欠驱动自由度，并与人体关节均--对应，保证人机运动协调有效。所有的旋转运动副内部都装有轴承，使传动稳定，噪声校外骨骼的整体机构简图，如图7所示。

器图7下肢外骨骼机构简图Fig.7 Lower Limb Exoskeleton Mechanism Diagram在外骨骼结构设计中，驱动方式决定了外骨骼结构形式和T作原理。本方案的外骨骼系统拟选用的是伺服电机系统驱动，将电机的输出转矩同过换向器和减速器放大后作用在腿杆上，带动腿杆绕关节中心做旋转运动。通过控制系统的协同控制，按照人体步行的规律进行信号和运动输出，实现外骨骼的行走功能。外骨骼的助力功能则是通过两个方面实现，-方面电机将分配到各腿杆上的负载带动起来做行走运动，另-方面腿杆将负重传递到地面而不让人有明显的负重感。下肢外骨骼结构与穿戴效果图(图略)。

为实现外骨骼腿杆的长度无级可凋、能适应强、轻巧等特点。外骨骼的主要部件均采用强度质量比很好的铝合金材料(ZA1Mgl0)，以满足助力式下肢外骨骼对于结构轻便性的高要求。高度方向的尺寸可调，约为 1.1m，宽度方向上的结构(背部结构 )简单，其尺寸可以因人而异，本样机宽度方向上的尺寸约为0.70m。设计杆件结构为标准铝方管型材和铝板型材的折叠件，减小了加工制造的困难度，同时保证结构较小的重量。

5结束语在步态实验及动力学仿真计算的基础上，获取了制约外骨骼设计结构形式的基础信息，以人的因素指导设计，保证了人机的良好 配。基于人体运动补偿的考虑，虚拟样机的某些自由度为欠驱动，这虽然简化了结构，但也在-定程度上限制了该款外骨骼的使用范围。