無動力助行外骨骼的機構設計和運動分析

梁觀坡 鄒澤華

（福州大學，福建福州350116）

0 引言

本文所探究的無動力助行外骨骼是立足于迫切的社會需求以及我國人口老齡化問題的嚴峻形勢而產生的，依托于目前外骨骼機器人的綜合控制技術及智能化機器人技術日漸成熟的背景，進行無動力助行外骨骼的開發設計是合理也是可行的[1]。

1 人體解剖學的相關術語

1.1 人體的三個基本平面及三條基本軸

三個基本平面與三條基本軸分別為矢狀面、額狀面、水平面，矢狀軸、額狀軸、垂直軸。

1.2 人體下肢關節的各種運動

髖關節可以實現屈曲（彎曲）及后伸（伸展）、外展及內收、外旋及內旋六種基本的人體下肢運動，而膝關節只有屈曲及伸展兩種運動形式。

踝關節與髖關節的自由度數目一樣，都是三個，它實現的是背伸、跖屈、內翻及外翻。

2 人體下肢的運動機理及步態分析

2.1 人體下肢運動機理

為了能實現無動力助行外骨骼與人體下肢的高度協調統一，自由度數目與分布以及下肢的關節為完成不同運動模式而做出的不同運動形式等方面二者都要保持一致。

在此基礎上，再進行人體下肢的正常步態分析。

2.2 人體下肢步態分析

從圖1不難看出人體完整的步態周期被劃分為了支撐相（也稱站立相）與擺動相兩個時間段，即相位。

支撐相的定義為：地面與一側腳掌接觸的所有時間段，換言之就是從一側足部的足跟著地開始算起到該足尖離開地面不接觸的時間段，這就是平時所說的站立姿態。

對于擺動相，顧名思義，就是搖擺狀態，與支撐相剛好相反，即從一側足部的足尖離開地面開始算起到該足部的足跟接觸地面的時間段。

其中，支撐相約占整個周期的60%，擺動相約占整個周期的40%。

圖1 人體右下肢的完整步態周期示意圖

3 無動力助行外骨骼的機構設計

3.1 髖關節的結構設計

為使可穿戴無動力助行外骨骼康復裝置能夠適應不同身高、體重以及下肢損傷情況不同的患者之間的不同需求，設計了滑道，使儲能彈簧能夠在各自的相應滑道進行移動，從而實現無極調節的功能。髖關節離合器設計如圖2所示。

圖2 髖關節離合器設計

對于圖2髖關節離合器的設計，采用雙彈簧的原因在于：

其一，將人體下肢在行走時從站立中期到站立后期這一過程中髖關節所做的功轉化為彈性勢能儲存起來；

其二，兩彈簧相對于轉軸的力矩相等，可以增加患者下肢站立的穩定性[2]。

3.2 無動力助行外骨骼康復裝置的整體建模

設計的主要思路就是合理配置系統的自由度，以最簡單的關節結構滿足無動力助行外骨骼的設計要求，圖3為無動力助行外骨骼的整體三維模型。

圖3 加外殼整體三維模型示意圖

4 基于Matlab的最佳彈簧剛度參數優化

選取彈簧1和3的剛度相同，彈簧2和4的剛度相同。分別選取0.5 N/mm、1 N/mm、1.5 N/mm、2 N/mm四個不同的彈簧剛度值，測試髖關節、膝關節及踝關節的力矩變化，取其最大力矩為研究值，針對獲得的數據通過Matlab軟件分別繪制髖關節、膝關節和踝關節力矩圖，以便觀察力矩隨兩對彈簧剛度值的變化趨勢。最終得到了16組相關數據，如表1所示。

表1 各關節最大驅動力矩表

使用Matlab將表1的數據制成三維曲面圖，以便對數據進行分析及得到該機構的最佳彈簧剛度參數。由表1數據可得各關節力矩三維曲面圖，如圖4所示。

圖4 各個關節力矩三維曲面圖

5 總結與展望

對髖關節處的儲能彈簧剛度參數進行深入研究，得到關于該系統的最佳彈簧剛度參數，是本設計的重心及創新點所在。本文為簡化計算，將人體下肢一側簡化為二連桿模型去求解運動學相關問題，但是人體下肢運動機理卻十分錯綜復雜，故而應構建更符合人體下肢運動特征的相關物理模型，這樣才能讓設計更符合人機工程學的要求，并使康復裝置性能更佳。