淺析輕量化自助式康復外骨骼機器人設計的可行性

王楚鑫

關鍵詞：輕量化;自助式;康復外骨骼機器人;可行性

根據中國殘疾人聯合會統計的數據顯示，截止到2019 年中國殘疾人總數將近九千萬，其中肢體殘疾的人數占四分之一。患病初期有效地康復訓練對殘障患者的日常生活活動能力和運動功能恢復具有良好的促進作用[1]。目前我國合格的康復醫師占基本人群比例僅為每10 萬人中1.7 個人，遠遠不能滿足患者的康復需求，康復專業人才存在巨大的缺口[2]。隨著科技的發展，運動康復療法也在不斷地創新，從最初普通的器械到智能化輔助器械逐漸進入醫院，科技的力量正在改變傳統的方法，為患者和醫護人員提供最佳的儀器和治療方法。

下肢康復機器人能夠有效地幫助肢體運動障礙患者進行康復治療[3]，已經在機器人領域的得到廣泛關注。目前，國內外已經有很多比較成熟的可穿戴外骨骼機器人產品，這為本研究所提出的輕量化自助式康復外骨骼機器人的設計可行性提供了支撐，但是大多都是減重反饋綜合訓練系統，體積大、價格較高，同時因為便攜性差、價格高昂及操作復雜程度高的特性決定了下肢康復外骨骼機器人需要在醫院進行操作治療。因此，本文設計了一款適合于居家康復的輕量化自助式康復外骨骼機器人，并通過ADAMS 仿真對所建立的外骨骼機器人進行可行性分析。

1 輕量化自助式康復外骨骼機器人概述

輕量化自助式康復外骨骼機器人是為幫助康復后期有一定運動能力的殘障患者進行居家康復訓練而設計的，因此外骨骼機器人需要滿足輕便性和人機協調性。本文設計的外骨骼機器人主要包括腰部連接桿、大腿桿、小腿桿、足底支撐、驅動單元和緊固綁帶，機械結構相對簡單，其中大腿桿和小腿桿部件采用無級可調機制，能夠滿足95% 以上的人群使用。為了減輕外骨骼整體質量，對外骨骼機器人的結構進行簡化，在單側腿設置了3 個自由度，這是因為下肢運動主要發生在矢狀面上，因此3 個自由度分別設置為髖關節的屈—伸主動自由度、膝關節屈—伸主動自由度、踝關節背曲—跖屈被動自由度。外骨骼機器人的驅動方式采用電機絲杠傳動，將電機的旋轉運動轉變為直線運動，從而帶動髖關節和膝關節實現屈伸運動，踝關節不施加驅動單元。在Solidworks 中完成對輕量化自助式康復外骨骼機器人的建模，模型圖如圖1 所示，尺寸表如表1 所示。

2輕量化自助式康復外骨骼機器人設計的可行性分析

根據輕量化自助式康復外骨骼機器人的尺寸、自由度設置和驅動方式，將Solidworks 建立的模型導入到ADAMS 中，通過建立關節約束，關節轉動副和絲杠位移副，得到外骨骼機器人仿真模型，并進行關節力矩和關節角度跟蹤仿真分析，以驗證所設計的輕量化自助式康復外骨骼機器人的可行性。

2.1 建立輕量化自助式康復外骨骼機器人仿真模型

為了對輕量化自助式康復外骨骼機器人進行運動學和動力學分析，將輕量化自助式康復外骨骼機器人簡化為一個五連桿模型，包括腰部桿、兩個大腿桿和兩個小腿桿。由于踝關節位置無驅動單元，所以將足底支撐部分與小腿桿固定到一起。基于此，結合輕量化自助式康復外骨骼機器人的基本尺寸，在ADAMS /View 模塊中建立下肢輕量化自助式康復外骨骼機器人的簡化模型。ADAMS / View 提供了大量的約束庫、確定好各參考點的位置后，新建Link 件，各參考點被依次連接，下肢輕量化自助式康復外骨骼機器人的簡化模型可以構建得到，如圖2 所示。選取模型材料為鋁合金，密度的大小設置為2.74E-006Kg / mm^3，泊松比0.330，楊氏模量的值為72.0GPa。零件庫和動力學元件庫，操作簡單，交互界面友好。為了建立輕量化自助式康復外骨骼機器人的簡化模型，在ADAMS / View 中選取并建立五個桿件的參考點。重心的默認位置位于形心，是由ADAMS 根據模型的形狀推算得到，各個桿件的轉動慣量根據模型的材料和結構尺寸計算得出，并且這些參數可以根據實際需求進行靈活調整。

建立下肢各構件的物理模型，對各個桿件的連接點及關節處施加約束，同時在髖關節和膝關節施加驅動。為了仿真的便利性，本研究假定所有的輕量化自助式康復外骨骼機器人的桿件都是剛體，桿件之間的連接采用剛性連接的方式，驅動器施加的驅動力矩和功率滿足輕量化自助式康復外骨骼機器人運動的需要，各部分構件之間的摩擦予以忽略。為了盡可能地貼合真實的下肢輕量化自助式康復外骨骼機器人結構，需要將腰部位置的桿件進行固定，因此在腰部桿件和髖部位置的連接處設置一個Fixed 連接。根據本文所提出的踝關節為無動力關節，為了防止仿真過程中出現誤差，在足底支撐和小腿桿件的連接處也添加一個Fixed 連接。為了實現髖關節和膝關節在矢狀面內的屈—伸運動，在髖關節和踝關節處分別施加一個鉸鏈連接，并在每個鉸鏈連接上添加旋轉驅動。最后，下肢輕量化自助式康復外骨骼機器人需要通過前進運動以獲得各關節的性能參數，因此在腰部桿件與地面之間添加了一個平移驅動，通過步態實驗測得人體平均步速，所以本文設定平移驅動的速度為1.2m / s。

2.2 關節力矩仿真驗證

在ADAMS 軟件中對所設計的輕量化自助式康復外骨骼機器人進行動力學仿真，獲得輕量化自助式康復外骨骼機器人在運動過程中的關節力矩和關節角度的變化情況。

輕量化自助式康復外骨骼機器人的髖關節和膝關節關節力矩分布的仿真結果如圖3 所示，單位為N · m。髖關節處和膝關節產生的最大的轉矩分別為241N · m 和77N · m，均大于人體實際的髖、膝關節轉矩，所以設定的髖、膝關節處的驅動裝置滿足助行器載人行走的動力需求。

2.3 關節角度跟蹤仿真驗證

為了驗證所設計的輕量化自助式康復外骨骼機器人的運動特性與人體運動是否一致，需要從關節角度的變化趨勢來觀察。本研究采用三維動作捕捉系統對正常人體真實運動關節角度數據進行采集，用來作為對照組。仿真結果與人體真實步態的對比結果如圖4 和圖5 所示，其中紅色虛線代表仿真結果，藍色實線代表人體步態變化曲線。根據實驗結果的結果看出，下肢輕量化自助式康復外骨骼機器人的髖關節和膝關節的關節角度變化與人體步態軌跡基本保持一致，從而可以判斷本研究所設計的輕量化自助式康復外骨骼機器人模型和參數設定是符合人體工學的。通過仿真結果發現二者存在一定的誤差，這是由于參考點的取點數有限和位置偏差造成的。因此，在接下來的工作中，還要對輕量化自助式康復外骨骼機器人做進一步地改進，比如通過制定補償控制策略和增加仿真模型的參考點數量以更好地模擬正常步態。

3 結語

下肢康復外骨骼機器人是涉及人類健康的特殊領域，潛在經濟市場十分龐大，多個國家已將其列為新型重點戰略發展產業。本研究所提出的機器人結構簡單，驅動方式有效，根據模型估計，整體質量大約為10kg，相較于市面上質量較輕的成都布法羅機器人AIDER [4]，本外骨骼機器人在質量上有明顯的優化。同時為了驗證本研究所設計的輕量化自助式康復外骨骼機器人的協調性，通過ADAMS 進行了關節力矩和關節角度的仿真分析，仿真結果表明輕量化自助式康復外骨骼機器人的結構設計和動力設計切實可行。由于目前康復輔具的設計主要是以功能實現為主，對用戶與產品之間的感情交流的考慮比較少[5]，下一步將圍繞情感化康復輔具設計策略開展研究。