主動柔順膝關節助力機構設計

韋祖拔　紀平鑫　莫新民

摘 要：為提高助力外骨骼的可穿戴性和柔順性能，基于雙橢圓模型提出了一種主動柔順的膝關節助力機構，采用平面四連桿機構結合串聯作動器的設計方法進行結構設計。與傳統單鉸鏈的剛性機構相比，該機構更匹配人體膝關節運動，克服了傳統剛性結構容易導致人體運動受限，出現過強的約束力，舒適性不足，人機交互力波動明顯的缺點。人機耦合計算結果表明機構與人體的能滿足運動學匹配，人機交互波動小，具備較好的可穿戴性能。

關鍵詞：膝關節；下肢外骨骼；主動；柔順；機構設計

1.引言

膝關節在日常活動中一直受到高強度的載荷，容易疲勞老化，受到損傷。為了增強人體機能，提高人體的耐疲勞度，本文開展外骨骼膝關節助力機構設計。目前，膝關節助力以剛性結構為主，對于穿戴式助力這種“人在環”的特殊系統，剛性結構容易導致人體運動受限，出現過強的約束力，導致舒適性變差，人機交互力波動明顯；而主動柔順助力系統穿戴的主觀感受好，對人體的運動范圍影響很小，系統更具靈活性，在邊防巡邏、城市作戰等軍事領域和助老助殘領域具有很大的應用價值。

本文由膝關節運動機理出發，基于雙橢圓模型，提出了柔順化的膝關節助力機構，采用平面串聯四連桿的方案的進行膝關節助力機構的設計，并進行人機耦合計算與分析。結果顯示機構與人體運動更貼合，人機交互力波動較小，具備較好的可穿戴性能。

2.人體膝關節模型建立

人體膝關節運動模型是機構設計的重要依據。真實人體膝關節十分復雜，由小腿脛骨、大腿脛骨、韌帶、肌肉等組成，脛骨之間的接觸面并不規則，所以在膝關節屈伸時接觸面之間并不是純滾動，而是滾動中還夾雜著滑動。單鉸鏈約束會導致膝關節實際運動軌跡不夠貼合，會影響穿戴者的舒適度，還可能引起一定的運動干涉，甚至損傷人體。因此，為獲取更符合人體膝關節實際運動的模型，對膝關節運動模型的研究很有必要。

近年來許多學者在研究利用簡化模型來描述膝關節在矢狀面的運動，應用比較廣泛的3個模型，有雙圓心模型，雙橢圓模型，速度瞬心模型[1]。通過比較發現，雙橢圓模型能較好模擬實際膝關節運動中轉動與滑動的運動過程。由此本文選擇以王東海等提出的雙橢圓模型[2]為基礎，進行更深入的研究。基于解析法選定參考系，根據實際尺寸參數，建立了雙橢圓模型，并進行理論分析，推導出雙橢圓相對運動關系。

膝關節的建模和分析在矢狀面內進行，如圖1所示。

該模型將人體膝關節的脛骨和股骨分別簡化為橢圓B和橢圓D。以人體踝關節的轉動中心O點為原點建立直角坐標系，矢狀面內水平向膝關節后面為X軸正方向。B，D位于兩橢圓的幾何中心。OB為人體小腿的軸線，OD為人體的大腿軸線。E點為大腿上端端點。大腿與小腿軸線的夾角為膝關節的角度。人體平地行走時，膝關節由完全伸直到彎曲，角度從-5°變化到約120°。C點為兩橢圓接觸點。C點的起始接觸點C0坐標由C0點到后脛骨中心線ITPC的距離d確定。初始位置d=23mm。兩橢圓的相關參數[3]所示：

根據國家標準人體尺寸[4]，人體大小腿長度和身高H呈一定的比例關系。按照人體身高的百分數[3，取人體身高H=175cm。取小腿長，大腿長。OB的長度為小腿長度與橢圓B的小徑之間的差值。同理，DE的長度為大腿長度與橢圓D的小徑之間的差值，即。O點為坐標原點（0，0），B點坐標為（0，398.5），D點坐標為（-15.5，500），初始接觸點C0點坐標為（-8，415.8），D點的坐標為（-15.5，445），E點坐標（-15.5，968）。膝關節滑轉的示意圖如圖1右邊所示。由于C點是上下橢圓的聯接點，其存在既轉又滑的問題。膝關節由完全伸直到彎曲120°的過程中，接觸點C也隨之變化C點在兩橢圓弧的軌跡如圖所示。

膝關節行走中的滑轉，可以由各參數點坐標在上、下橢圓的軌跡隨膝關節角度θ的變化來描述。為求出膝關節角度θ與C點的關系，下面引入橢圓極坐標下的圓心角和向徑來描述。

3.機構設計

外骨骼的可穿戴性要求它需要合理的機構設計。良好的機構設計方案和布局可以提高穿戴舒適度，減少人機交互力，同時也便于動力單元，傳感單元等的布置，使結構更加緊湊輕巧，便于穿戴。

目前外骨骼機構有單鉸鏈結構和多連桿結構，包括四連桿，五連桿結構等。單鉸鏈結構形式簡單，驅動以及控制方便，但是單自由度鉸鏈限制了膝關節既轉又滑的運動，機械剛性過大不夠柔順，易造成人機運動不匹配，甚至損傷人體。人-機使用過程中的并聯過約束特性也是剛性機構的硬傷，需要花費巨大的精力和心血去解決過約束外骨骼結構，應具有比較容易的隨形特征，盡可能避免復雜的機械結構，體積、形狀、重量等指標應以小、柔、輕為設計目標。所以，過于集中的復雜結構、平面的多連桿結構等非為上選。這些結構能夠依據膝關節的相關運動學特性，實現某些運動特性的模擬或復現，但是，并不能完全涵蓋全部的運動特征和范圍，針對于非健全人的康復醫療束和并聯運動的奇異點問題。

本文選擇平面四連桿機構的方案以實現柔順化。采用平面四連桿的意義主要體現在：首先，待開發的膝關節的外在形式對不同于傳統的剛性來說也許是有很大的意義的，可針對有行動能力且需要增強其運動機能減輕人體負擔的外骨骼應用群體來說，是達不到應用需求的。眾多的結構桿件或者集中稍顯過重的設計對攜帶簡便性即拿即用性來說也是負擔，造成不方便。因此，研發具備運動范圍暴露能力的串聯式四連桿膝關節機構是有必要的且可行的。

本節分析膝關節助力機構的各個構件的設計，利用CAD等軟件進行了三維建模完成各桿件和零件的三維設計。

膝關節助力機構主要由大小腿連接桿，上下轉換桿，鋼絲，滾輪等其他零件組成。膝關節助力機構示意圖如下圖所示。

具體的組成為：主要組成結構有1大腿連接桿；2滑輪；3導輪，固定環，鋼絲鎖扣；5.鋼絲繩；8上轉換桿；9下轉換桿；12小腿連接桿；13彈簧。其余零件還有各個桿件之間的連接鉸，支撐墊片，內外側軸套等。在設計結構時為了保證質量輕便、結構簡潔，盡可能少使用緊固件和機械零件。

4.人機耦合建模與分析

圖3所示為人體穿戴四連桿機構的人機耦合模型。約定人體用大寫字母標識，四連桿機構采用雙字母表示，右一個字母為E。AE、EE分別為小腿與大腿處的人機綁縛點，通過綁帶將機構固定在人體肢體上。機構穿戴到人體身上以后，OE至O點的豎直距離為YE至O點的水平距離為XE，AE與OB的夾角為。OA長度為l1。

于是AE點坐標可以表示為：

如圖所示，紅線為上肢桿綁縛點處的受力，藍線為下肢桿綁縛點處的受力。在支撐相初期，鋼絲繩通過拉力驅動桿件，帶動人體行走。此時機構受人體的阻力最大，約為-300N。隨著步行進入中后期，人機交互力由負轉為零。而后進入擺動相時期，系統不再提供助力，由交互力帶動四連桿運動，交互力為正值且逐漸增大。在整個支撐相步態中人機交互力均值較小，且無明顯波動。

5.結論

膝關節是人體中結構最復雜的關節之一，運動形式也比較復雜。有學者提出雙橢圓模型來描述膝關節矢狀面內既轉又滑的運動。筆者采用解析法建立一個膝關節運動學模型，求出膝關節運動軌跡，以此為設計輸入進行柔順化膝關節助力機構的設計。建立人機耦合模型，進行運動學分動力學計算分析，求出了人機運動軌跡變化規律和人機交互力的變化規律。人機耦合計算結果表明四連桿機構機構與人體的能滿足運動學匹配，人機交互波動小，具備較好的可穿戴性能。

參考文獻

[1]李劍鋒等.膝關節康復外骨骼外骨骼構型綜合與結構設計[J] Journal of Harbin Engineering University，2017第38卷第四期

[2]王東海.基于行走步態的被動式重力支撐柔性下肢外骨骼系統[D].杭州：浙江大學，2017

[3]Kok-Meng Lee，Jiajie Guo.Kinematic and dynamic analysis of an anatomically based knee joint.[J] Journal of Biomechanics，2010 1231-1236

[4]GB/T 17245-2004

（作者單位：西北機電工程研究所）