下肢康復機器人設計與分析

楊 力,徐林森，王海平

(1.常州工業職業技術學院軌道交通學院，江蘇 常州 213164)(2.中國科學院合肥物質科學研究所，安徽 合肥 230031)(3.江蘇理工學院機械工程學院，江蘇 常州 213163)

下肢康復機器人基于運動再學習理論而研發，是用于輔助肢體運動功能有障礙的患者進行康復訓練,并能提供患者康復信息的輔助治療自動化設備。機器人與人在同一個作業空間內帶動患肢完成康復訓練,使患肢逐漸恢復運動功能。機器人輔助治療的優點為:可以將治療師從康復訓練過程中解放出來,使其能專心地針對患者病情變化制定合理的訓練方案；能精確記錄訓練參數,對康復過程和效果進行客觀評價；還能讓患者直觀地看到自己的訓練進展,使訓練過程更具有吸引力,從而提高患者參與治療的積極性。

目前國內外市場上已投入生產的下肢康復機器人多為助力式直立行走模式或是懸吊減重模式[1-2]，前者需要患者有足夠的上肢力量，其有一定的平衡性隱患，后者則因為設備安裝要求高、整體尺寸過大等難以普及。國內外相關機構正在研究坐姿下肢康復機器人[3-4]，該機構具有結構簡單、功能齊全、適用于家庭康復等優點。

本文根據坐姿下肢康復機器人特點，開展康復機器人構型與尺度優化設計，并對關鍵功能部件[5]進行一體化、輕量化設計，進一步保證患者使用該機器人康復訓練的安全性與康復效果。

1 下肢康復機器人結構設計與計算

如圖1所示，該下肢康復機器人共有4個自由度，即髖關節外展/內收、髖關節屈伸、膝關節屈伸、踝關節背屈/跖屈，適用于身高150～190 cm、體重在120 kg之內的用戶，左右腳通用，運動范圍：髖關節屈伸10°～120°，膝關節屈伸0°～135°，踝關節背屈30°～跖屈45°。

圖1 腦卒中下肢康復機器人結構總圖

1.1 髖關節結構設計

如圖2所示，髖關節具有2個自由度，即1個旋轉自由度、1個屈伸自由度，各用1個電機驅動，2個關節的旋轉軸線共面且垂直，考慮到不同患者的腰圍不同，兩個關節之間的距離可以調整。

圖2 髖關節總圖

經計算可知，減速器輸出最大扭矩小于髖關節扭矩，同時考慮到動力在傳遞過程中的傳動效率問題，本文采用同步帶傳動，通過對減速器輸出扭矩進行放大處理可以滿足需求。另外，考慮到加工誤差、裝配精度、傳動效率等問題，設計了彈簧輔助機構來平衡機械臂及人體下肢重力。

1.2 膝關節結構設計

如圖3所示，膝關節具有1個屈伸自由度，由1個電機驅動，為了采購方便，膝關節電機選擇與髖關節電機一致。根據GB 10000—1988中國成年人人體尺寸，大腿長度為380～520 mm，故大腿采用可調式的抽拉結構，以滿足不同身高患者的需求。

圖3 膝關節總圖

膝關節也采用帶傳動并設計了彈簧輔助機構，其中彈簧的變形量通過調節螺母在帶孔螺桿上移動的距離來調節。

1.3 踝關節結構設計

如圖4所示，踝關節具有1個屈伸自由度，由1個電機驅動，踝關節電機、諧波減速器選型均與膝關節一致。根據GB 10000—1988中國成年人人體尺寸，小腿長度為320～420 mm，故小腿采用可調式的抽拉結構，以滿足不同身高患者的需求。

圖4 踝關節總圖

因踝關節處所需扭矩較小，故所選電機、諧波減速器的輸出扭矩完全可以滿足需求，不需要帶傳動機構，采用電機帶動諧波減速器直接驅動。

1.4 ANSYS靜力學分析[6]

根據GB 10000—1988 中國成年人人體尺寸，取大腿長為520 mm，小腿長為420 mm。

大腿約占體重的14%，小腿約占體重的4%，腳約占體重的1.5%。根據本文設定，最大穿戴者體重為120 kg，故大腿質量m1為17 kg，小腿質量m2為5 kg,腳質量m3為2 kg。機器人材料為鋁合金，機器人大腿及小腿的厚度為6 mm，寬度為80 mm。機器人大腿尺寸為520 mm×80 mm×6 mm，質量m4為0.68 kg，小腿尺寸為420 mm×80 mm×6 mm，質量m5為0.55 kg。膝關節處電機+減速器+磁流變等質量取為m6=3 kg，踝關節處電機+減速器等質量取為m7=2 kg。髖關節處扭矩T1為

T1=m1×10×0.26+m2×10×0.47+m3×10×0.94+m4×10×0.26+m5×10×0.47+m6×10×0.55+m7×10×0.94=126.153(N·m)

膝關節處扭矩T2為

T2=m2×10×0.21+m3×10×0.42+m5×10×0.21+m7×10×0.40=28.455(N·m)

簡易靜力學分析如下：

在SolidWorks中建立模型并導入ANSYS中，設置材料屬性、重力、外力及固定位置。分析結果如圖5所示。

圖5 分析結果

由圖可知，最大位移為2.3 mm，最大應力為21.083 MPa，機器人能滿足康復使用要求。

2 運動學和動力學分析

2.1 運動學分析

2.1.1運動學方程的建立

機器人結構簡圖如圖6所示。本文采用D-H法[7]對機器人系統進行運動學分析，在機器人的每個連桿上都固定一個坐標系，如圖7所示，用4×4的齊次變換矩陣來描述相鄰兩連桿的空間關系，則該4自由度的腦卒中下肢康復機器人的運動學方程TH為：

圖6 結構簡圖 圖7 坐標系圖

(1)

式中：A1,A2,A3,A4為各連桿對應的變換矩陣；nx，ny，nz為機械臂末端坐標系的X軸在基坐標系中的方向矢量；ox,oy,oz為機械臂末端坐標系的Y軸在基坐標系中的方向矢量；ax,ay,az為機械臂末端坐標系的Z軸在基坐標系中的方向矢量；px,py,pz為機械臂末端在基坐標系中的坐標。

2.1.2運動學仿真[8]

采用基于MATLAB下的Robotics Toolbox機器人工具箱對下肢康復機器人進行運動學可視化計算仿真，仿真結果如圖8所示。通過調節各關節轉角變量θ1，θ2，θ3，θ4的值，可以得到機器人的運動狀態。

圖8 仿真結果

輸入θ1=θ2=θ3=θ4=0°可以確認解的正確性。

2.2 動力學分析

2.2.1動力學方程的建立

采用拉格朗日法對腦卒中下肢康復機器人系統進行動力學分析。

動力學的普遍方程為：

(2)

2.2.2動力學仿真[9]

在SolidWorks中建立簡化模型三維圖，機器人工作時需帶動患者的腿部進行康復訓練，故仿真關節扭矩時需考慮人腿的質量，本文取大腿質量m1為17 kg，小腿質量m2為5 kg,腳質量m3為2 kg，仿真時將人腿的質量平均分布于對應的連桿上。建模后三維圖及質量屬性如圖9，10所示，仿真結果如圖11所示。

圖9 康復機器人簡化模型三維圖

圖10 康復機器人簡化模型質量屬性

機械臂在運動過程中慣性較大，為了保證機械臂能夠平穩運行，需要研究運動過程中機械臂各個連桿動能的變化情況，從圖11中可以看出，在運行過程中各個關節運行平穩，沒有出現大的突變，符合工作要求。

圖11 各連桿動能變化曲線

3 結束語

本文針對腦卒中的下肢運動功能障礙患者對康復訓練的要求,從人體下肢運動機理出發,完成了一款具有4個自由度的腦卒中下肢康復機器人的設計。

通過機器人的運動學及動力學建模與仿真，得出4個關節處的動能數據，為動力傳遞方式的設計提供了理論依據，優化了機器人結構，保證了康復訓練的安全性。