(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?yàn)槭褂谜呒訌?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(yùn)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(yùn)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(yùn)動時間叫做一個步態(tài)周期[4-5]。步態(tài)運(yùn)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(xiàng)，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(yùn)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(yùn)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(yùn)動形式，可以大致分為屈伸運(yùn)動、收展運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動3種[7]。

如圖3所示，參與人體下肢運(yùn)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(yùn)動學(xué)分析

人體下肢具有不同的運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(diǎn)(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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動副替代結(jié)構(gòu)；針對人體下肢特點(diǎn)，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(yùn)動適應(yīng)性要求

人體運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(shí)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(yùn)動范圍要求

外骨骼機(jī)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)滿足機(jī)體運(yùn)動范圍大于正常的人體運(yùn)動范圍，保證在規(guī)定范圍運(yùn)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(yùn)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(yùn)動中運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動軸線不重合，運(yùn)動中外骨骼與人體下肢實(shí)際運(yùn)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(yùn)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(yùn)動軸線可以輕易滿足與人體運(yùn)動軸線重合，所以設(shè)計重點(diǎn)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(yùn)動、大腿屈伸運(yùn)動和大腿內(nèi)旋外旋運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動的方式實(shí)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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。