【關鍵詞】外骨骼機器人；運動學分析；結構設計；仿真

前言

隨社會發(fā)展和生活水平提升，我國下肢運動功能障礙人數(shù)因人口老齡化及意外傷害等問題而攀升，嚴重影響日常生活與工作。外骨骼助行機器人的出現(xiàn)，為解決此問題提供了新的思路。下肢外骨骼機器人是一種新興的輔助設備，近年來，通過優(yōu)化機器人的機械結構和材料、改進控制算法和設計人性化的交互界面等方式，下肢外骨骼機器人的穩(wěn)定性、舒適性、自適應步態(tài)和智能控制等性能都得到顯著提高[1]。雖然目前國內(nèi)下肢外骨骼機器人技術發(fā)展迅猛，但與國外相比仍存在一定差距，尤其是在控制算法、傳感器精度和可穿戴舒適性等方面[2]。筆者基于傳統(tǒng)下肢外骨骼機器人的設計方案進一步考慮了仿生學結構與動力學理論分析，以優(yōu)化外骨骼機器人的設計方案，針對傳統(tǒng)外骨骼機器人在靈活性和行走能耗方面的不足、人機適配性差以及安全隱患問題對外骨骼機器人的整體結構進行了優(yōu)化設計。

一、下肢外骨骼機器人的總體結構設計及分析

（一）人體下肢尺寸以及解剖學分析

從人體解剖學角度，外骨骼機器人的尺寸應與使用者的身體結構相匹配，以確保機器人穿戴舒適，并且關節(jié)和支撐部件能夠正確對應人體骨骼和肌肉。下肢外骨骼機器人尺寸設計的依據(jù)主要基于以下幾個因素：人機工程學、人體解剖學和運動學原理。人機工程學考慮了人機交互的方面，外骨骼的尺寸應便于使用者穿戴和操作，且不影響其日?；顒?。運動學原理涉及外骨骼的運動范圍和關節(jié)的自由度，因此機器人的尺寸設計需要考慮人體正常運動的范圍和關節(jié)的生理限制。參考國家標準GB/T1000-1998《中國成年人人體尺寸》，進行了成年人身材數(shù)據(jù)的收集與分析，以此為基礎設計外骨骼機器人。如表1和表2所示。

人體下肢通過骨骼、骨骼連結和附著在骨和骨骼連結周圍的肌肉協(xié)同運動，形成了下肢的運動能力[3-4]。髖關節(jié)起支撐身體重量并提供下肢活動能力的作用，膝關節(jié)在承載重量的同時完成腿部的彎曲、伸展和各種動作，踝關節(jié)通過踝關節(jié)的背屈、跖屈、內(nèi)翻和外翻運動實現(xiàn)腳與地面的銜接[5]。為了進一步了解各關節(jié)運動范圍，我們查閱了醫(yī)學相關資料，并將下肢各關節(jié)的運動范圍整理，如表3所示。

（二）下肢外骨骼機器人主體結構設計

1.髖關節(jié)結構設計

髖關節(jié)具有三個對人體平穩(wěn)運動很重要的自由度，在人體運動時，髖關節(jié)的三個自由度會交匯于一點[6]，故自由度布局應避免與人體自身關節(jié)布局相同造成機器人結構臃腫，質(zhì)量過大。為達到簡化關節(jié)設計目的，本文采用兩個自由度相串聯(lián)的方式來模擬人體髖關節(jié)的運動功能。同時增加多鉸鏈結構防止外骨骼機器人的膝關節(jié)與人體自身的膝關節(jié)在運動時產(chǎn)生偏移。此外，在自由度處添加伺服電機作為動力源，幫助穿戴者達到行走目的的同時降低穿戴者在行走過程中的能耗。由于穿戴者身型不同對于腰部曲率的影響[7]，為更好地貼合穿戴者，本文將下肢外骨骼機器人的髖關節(jié)內(nèi)旋/外旋自由度與腰部旋轉(zhuǎn)軸運動相配合運動，以提高髖關節(jié)內(nèi)外旋轉(zhuǎn)軸的運動靈活性和“擬人化”設計要求，如圖1所示。

2.膝關節(jié)結構設計

人體膝關節(jié)是典型的滑車關節(jié)，起到承重和一定的減震緩沖作用[8]。將人體的膝關節(jié)看作一個簡單的鉸鏈關節(jié)，通過上文的描述可知，在關節(jié)屈曲運動時，脛骨上端和股骨下端互相靠攏且角度變小，而在伸展運動時又會互相分離且角度變大，所以膝關節(jié)水平方向上的瞬時旋轉(zhuǎn)中心是一直在改變的。因此，在設計過程中摒棄傳統(tǒng)單純依賴旋轉(zhuǎn)關節(jié)的方法，以避免外骨骼機器人膝關節(jié)的轉(zhuǎn)動中心與穿戴者膝關節(jié)的旋轉(zhuǎn)接觸點出現(xiàn)偏移，從而確保穿戴的舒適性，該設計采用轉(zhuǎn)向限位伸縮機構，具體結構如圖2所示。

通過增設機械限位裝置，能夠有效限制運動范圍，從而對穿戴者的膝關節(jié)產(chǎn)生一定的保護作用。在增大膝關節(jié)活動幅度的同時，該裝置也提升了下肢外骨骼機器人的舒適性和安全性能。

3.踝關節(jié)結構設計

踝關節(jié)的行為方式類似于球關節(jié)，從生理學方面考慮到踝關節(jié)的運動形式較為復雜多變[9]，針對踝關節(jié)處主要的背屈/跖屈和外翻/內(nèi)翻運動的3個自由度，本文在設計踝關節(jié)時采用球面復結構，將外骨骼機器人的底座與腳底板通過螺栓相連接，對整個外骨骼機器人起支撐作用，并在小腿桿與底座處安裝平衡桿增加機器平衡性?？紤]到靈活性與安全性，在每個自由度處添加相應阻尼以及限位機構來調(diào)整關節(jié)靈活度，保護穿戴者免受外骨骼機器人因運動角度偏移而給人體帶來的傷害，進一步提高外骨骼機器人的跟隨性和靈活性，如圖3所示。

（三）下肢外骨骼機器人總體結構設計

該裝置由兩條機械腿組成，它們通過腰部固定裝置相連，主要支撐部分選用輕巧堅固的鈦鎂合金，下肢貼合部分選用透氣材質(zhì)面料。整體設計采用開放式穿戴，緊固部分采用高強度的魔術粘扣，穿戴者可根據(jù)個人需要調(diào)整裝置松緊程度。此外，根據(jù)人機工程學原理[10]在膝關節(jié)處設置了調(diào)節(jié)卡盤，調(diào)節(jié)刻度盤采用耐用的ABS工程塑料，刻度數(shù)字凸顯清晰，便于調(diào)節(jié)，如圖4所示。

二、下肢外骨骼機器人運動學分析

（一）下肢外骨骼機器人運動學理論分析

運動學研究機器人的運動，包括速度、加速度和位置等方面的變化。使用D-H法建立下肢外骨骼機器人的運動學方程。為描述機器人關節(jié)轉(zhuǎn)動關系，采用四個參數(shù)：連桿長度a、偏移d、旋轉(zhuǎn)角度θ和角度偏移α。并基于此建立下肢外骨骼機器人運動學方程，并設計一款由三關節(jié)（關節(jié)1、關節(jié)2、關節(jié)3）連接而成的下肢外骨骼機器人。對此采用右手坐標系來定義機器人的三個坐標系，其中坐標系1、坐標系2和坐標系3分別與關節(jié)1、關節(jié)2和關節(jié)3對齊。接著分析連桿長度a和偏移d，設關節(jié)1、2、3及腳底間連桿長度分別為a1、a2、a3，偏移均為0。再分析關節(jié)旋轉(zhuǎn)角度（θ）和旋轉(zhuǎn)角度偏移（α），設關節(jié)1、2、3旋轉(zhuǎn)角度分別為θ1、θ2、θ3，旋轉(zhuǎn)角度偏移均為0。

建立一個D-H表格。表格的每一行代表一個關節(jié)，列代表參數(shù)a、d、α和θ。D-H參數(shù)如表4所示。

根據(jù)D-H表格中的參數(shù)，建立每個關節(jié)之間的變換矩陣。變換矩陣的計算公式如下：

設計的下肢外骨骼機器人中，由于三個關節(jié)在側(cè)面運動且中心軸線相互平行，因此連桿的偏移dn和旋轉(zhuǎn)角度偏移αn均為0。我們可以得到建立的坐標系n到n+1的位姿變換矩陣nTn+1。其中，連桿的偏移dn是沿Z軸，從Xn-1移動到Xn的距離，旋轉(zhuǎn)角度偏移αn表示繞Xn軸，從Zn旋轉(zhuǎn)到Zn-1的角度?？傻米儞Q矩陣：

其中，Rot表示繞軸旋轉(zhuǎn)的變換矩陣，Trans表示平移的變換矩陣，z和x表示坐標軸。

正運動學方程可以表示為

定義T01為連桿1的變換矩陣，T12為連桿2的變換矩陣，T23為連桿3的變換矩陣。

（二）下肢外骨骼機器人運動學仿真分析

在進行建模前充分考量外骨骼骨架結構的性能對整體機器結構負荷的影響，以及在行走上下坡時，外骨骼會受到各種力和振動這些因素后。我們運用SolidWorks軟件進行了三維模型和外骨骼模型的創(chuàng)作，并將其成功地引入ADAMS，從而完成了人機模型虛擬樣機的構建，在ADAMS中，我們將對每個部件進行編輯定義，設定仿真時間為16秒，仿真步長為100，總仿真幀數(shù)為100。模型設計如圖5及圖6所示。

采用ADAMS處理模塊對數(shù)據(jù)進行處理，得出人體與外骨骼大腿位置和速度變化的曲線，如圖7及圖8所示。

仿真結果表明，該外骨骼機器人能夠很好地跟隨人體的運動需求，驗證了運動學建模和分析方法的正確性和合理性，并為后續(xù)建立實際物理模型起到一定指導作用。這個仿真結果為我們研究人機聯(lián)合行走提供了非常重要的參考，也為設計更加高效的外骨骼機器人提供了非常好的啟示。

總結

本文基于人體下肢特性設計了一款涵蓋關節(jié)自由度、可調(diào)范圍及限位裝置等關鍵要素的穿戴式下肢外骨骼機器人。針對髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)，結合人體關節(jié)特點和研究設定的自由度及活動范圍進行了詳細設計，并采用了伺服電動機驅(qū)動。同時利用D-H模型建立法構建了外骨骼機器人下肢的運動學模型，通過設定關節(jié)參數(shù)并建立變換矩陣，進行正運動學分析。并利用SolidWorks進行運動學仿真獲取人體與外骨骼大腿的質(zhì)心位置與速度變化曲線。仿真結果與D-H模型計算高度一致，符合人體下肢運動特征，為外骨骼機器人的優(yōu)化與控制設計提供了依據(jù)。

受限于研究水平和時間，本文設計的下肢外骨骼機器人尚存不足，未來需深入探究其柔性關節(jié)特性。同時，本文研究基于理想仿真條件，與實際情況存在差距，需進一步搭建實驗樣機進行實證研究。