柔性外骨骼機(jī)器人技術(shù)研究

吳嘉鑫 韓亞麗 柯澤陽(yáng) 朱熹微 石微微 孫文澤 吳楓

關(guān)鍵詞：可穿戴式;氣動(dòng)肌肉;柔性;腰部助力

0引言

當(dāng)今社會(huì)，人口老齡化問(wèn)題日益嚴(yán)重。近20年來(lái)，我國(guó)老年人口撫養(yǎng)比急速上升，由2000年的9.9%，很快增長(zhǎng)到了2018年的13.7%。根據(jù)20世紀(jì)六十年代人口老齡化確定的劃分標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入到了老齡化階段。老齡化產(chǎn)業(yè)，尤其是福利機(jī)械用品方面，必然獲得良好的發(fā)展前景。

據(jù)此，研究智能養(yǎng)老及福利機(jī)械用品，特別是針對(duì)行動(dòng)不便的老人研究服務(wù)型機(jī)構(gòu)意義重大。據(jù)了解，護(hù)工們普遍反映，在照顧老人的過(guò)程中，一些生活基礎(chǔ)的動(dòng)作，如翻身、移動(dòng)幫助站立都會(huì)對(duì)護(hù)工們?cè)斐蓸O大的體力負(fù)擔(dān)。針對(duì)上述問(wèn)題，著重研究可支援看護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，應(yīng)用于日常生活的穿戴式助力機(jī)器人，使得老年患者能夠獨(dú)自完成一些基本動(dòng)作，減輕護(hù)工的工作負(fù)擔(dān)。穿戴式助力機(jī)器人，可針對(duì)在老年群體中常見的因肢體偏癱所導(dǎo)致的生活無(wú)法自理現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在難以獨(dú)自完成坐起、站起這樣的生活基本動(dòng)作。而穿戴式助力機(jī)器人可通過(guò)腰部助力的方式來(lái)彌補(bǔ)老年患者的肌力差，使其獨(dú)自完成起坐動(dòng)作。

本機(jī)構(gòu)采用了彈性材料作為驅(qū)動(dòng)型裝置，利用氣壓驅(qū)動(dòng)的輕柔性并且輸出力大、穿戴方便等特點(diǎn)對(duì)使用者腰部動(dòng)作進(jìn)行助力，通過(guò)氣泵充氣然后利用彈性材料再拉伸來(lái)存儲(chǔ)壓縮力量，在人體恢復(fù)伸展過(guò)程中回饋提供助力。本文設(shè)計(jì)了關(guān)于柔性氣壓驅(qū)動(dòng)器的可穿戴腰部助力機(jī)構(gòu)，外骨骼機(jī)器人應(yīng)用于老年病患者日常生活中的躺到坐、坐到直立等運(yùn)動(dòng)。

1項(xiàng)目研究分析

1.1人體腰部在不同運(yùn)動(dòng)模式下的運(yùn)動(dòng)功能需求分析

進(jìn)行腰部在不同運(yùn)動(dòng)模式下的人體運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析，例如躺到坐、坐到起等運(yùn)動(dòng)模式，獲得腰部運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程中腰部角度變化、背部主要肌肉群的受力變化等，給腰部助力外骨骼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1.2以氣動(dòng)肌肉為動(dòng)力腰部助力外骨骼機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

進(jìn)行腰部助力外骨骼機(jī)器人中所需的氣動(dòng)肌肉選型;進(jìn)行腰部外骨骼機(jī)器人機(jī)構(gòu)中的彈簧元件選型設(shè)計(jì);進(jìn)行氣動(dòng)肌肉及彈性元件的布置設(shè)計(jì)，并進(jìn)行腰部機(jī)構(gòu)的寬度可調(diào)設(shè)計(jì)研究。

1.3腰部助力外骨骼機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)研究

進(jìn)行腰部助力外骨骼樣機(jī)的研制，通過(guò)腰部助力外骨骼的運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究，研究腰部助力外骨骼樣機(jī)對(duì)穿戴者運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)能力及助力的影響效果。

2腰部助力外骨骼機(jī)構(gòu)

2.1機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于可穿戴式外骨骼柔性助力的特點(diǎn)，使用者容易穿戴在人體上并且輕便，機(jī)構(gòu)在使用者躺著時(shí)提供腰部助力和拉力幫助其坐好，再由坐姿到站立時(shí)提供助力。圖1所示為腰部助力外骨骼機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。腰部助力機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來(lái)源是由2種氣壓驅(qū)動(dòng)器所組成，其中腰部腿部護(hù)具為基礎(chǔ)，驅(qū)動(dòng)器由伸長(zhǎng)型氣動(dòng)人工肌肉組成，主要輸出收縮力達(dá)到助力效果，氣動(dòng)肌肉提供的拉力在背部腰部腿部側(cè)，其兩端分別固定在背部腰部、臀部和腿部;還有腰部固定裝置、腿部護(hù)具和臀部連接物件以及背部彈力帶。去氣泵需穿戴的整個(gè)裝置質(zhì)量約為3kg。

2.2氣動(dòng)肌肉

作為主要?jiǎng)恿ρb置的氣動(dòng)人工肌肉，能以很小的重量提供很大的力量，氣動(dòng)肌肉有達(dá)到推拉極限時(shí)自動(dòng)制動(dòng)的特點(diǎn)，可以有效避免突破預(yù)定的范圍，同時(shí)基于氣壓驅(qū)動(dòng)器人機(jī)交互比較安全的特點(diǎn)，所以很適合作為穿戴類柔性氣壓的驅(qū)動(dòng)器。

氣動(dòng)人工肌肉結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主要是通過(guò)氣泵進(jìn)行充氣的條件來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)部所需要的助力。此氣動(dòng)肌肉由內(nèi)管、外套和兩端部連接頭所組成，本實(shí)驗(yàn)所用的橡膠管外徑約為16mm，內(nèi)徑約14mm，厚度差2mm，自然狀態(tài)下外網(wǎng)外徑（不考慮內(nèi)徑）約為25mm，充氣作用下外編織網(wǎng)外徑會(huì)膨脹至35mm。內(nèi)管的直徑和長(zhǎng)度根據(jù)用途來(lái)決定，其主要任務(wù)是接受氣泵充氣后膨脹產(chǎn)生彈性變形，同時(shí)儲(chǔ)存彈性勢(shì)能。為了具有優(yōu)良的彈性內(nèi)管材料，通常選用氣密性硅橡膠管。外網(wǎng)套的作用是傳遞收縮力，同時(shí)限制內(nèi)管的變形，所以選用柔性且具有高強(qiáng)度纖維編織網(wǎng)作為材料。通常外網(wǎng)套的長(zhǎng)度是根據(jù)內(nèi)管長(zhǎng)度來(lái)決定，要長(zhǎng)于橡膠管，留有連接頭的空間。在肌肉兩端，連接頭的主要作用是把外網(wǎng)套與內(nèi)管固定起來(lái)，封住內(nèi)管的其中一端，同時(shí)向另一端提供充氣孔。一旦氣泵通人壓縮空氣后，保障內(nèi)管可以彈性變形儲(chǔ)存彈性勢(shì)能，同時(shí)帶動(dòng)外網(wǎng)套收縮變形，從而產(chǎn)生助力。原理是由外部提供的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，過(guò)程像是在作推拉動(dòng)作，就像人體的肌肉運(yùn)動(dòng)。肌肉隨著供給氣壓增大，收縮的長(zhǎng)度越大。表現(xiàn)在通入壓縮空氣實(shí)現(xiàn)充氣氣壓變大，然后膨脹，外網(wǎng)主動(dòng)收縮，從而帶動(dòng)肌肉助力，收縮率高，這與人體生物肌肉模型特性極為相似，很適合柔性助力研究。在此實(shí)驗(yàn)用到的氣動(dòng)人工肌肉，在無(wú)外力作用時(shí)自然長(zhǎng)度為330mm，氣泵作用下供給氣壓為500kPa，長(zhǎng)度最大變化量L=190mm，實(shí)現(xiàn)充氣氣壓變大，然后膨脹實(shí)現(xiàn)主動(dòng)收縮，從而帶動(dòng)肌肉助力，長(zhǎng)度收縮率La/（L0+La）=190mm/520mm=36.5%。

通過(guò)使用測(cè)力儀器，研究分析在變化的供給氣壓力下，人工氣動(dòng)肌肉的輸出助力與壓縮位移的關(guān)系，其產(chǎn)生助力的彈性系數(shù)K，充氣氣壓力p，提供助力F和肌肉長(zhǎng)度變化量La之間的關(guān)系如下式所示：

充氣使內(nèi)管膨脹，內(nèi)部氣體壓強(qiáng)變大，不同的氣動(dòng)壓力對(duì)應(yīng)不同斜率曲線，可以將氣動(dòng)人工肌肉類比于彈簧，將斜率看作變彈性系數(shù)。彈簧長(zhǎng)度越長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的彈性勢(shì)能越大，因而彈性勢(shì)能所轉(zhuǎn)換的輸出力就越大。容易分析出助力機(jī)構(gòu)輸出力會(huì)跟著壓力的變大而增大。

2.3助力輸出機(jī)理

本助力裝置主要是通過(guò)2個(gè)過(guò)程幫助人體達(dá)到從躺姿到站立的效果。在第一個(gè)從躺到坐的過(guò)程中需人體有要坐起來(lái)的身體幅度，此時(shí)由腰部連接到腿部的氣動(dòng)肌肉收縮開始工作，產(chǎn)生如圖3所示的效果圖，幫助人體達(dá)到坐姿。

如圖4所示，從各個(gè)過(guò)程分析，經(jīng)過(guò)第一部分，助力人體可以過(guò)渡到站立的第二過(guò)程。此時(shí)腿部發(fā)力，臀部的氣囊工作，提供一個(gè)向上的助力可以幫助人體開始進(jìn)入第三過(guò)程，同時(shí)氣動(dòng)肌肉開始工作，腿部產(chǎn)生一個(gè)拉向臀部的力，同時(shí)幫助臀部前傾;還有背部氣動(dòng)肌肉開始工作，在腰部產(chǎn)生一個(gè)向上的力，如圖5所示，同時(shí)彈力帶開始工作，防止身體過(guò)于前傾。

從人體肌肉做功上分析助力的效果，與沒有穿戴助力膝關(guān)節(jié)裝置時(shí)相比，人體肌肉做功變少，肌肉的損耗也小。綜上，可以幫助使用者站立。

3仿真及實(shí)驗(yàn)

研究氣動(dòng)肌肉的助力效果，通過(guò)使用相關(guān)的測(cè)力儀器，分析在變化的供給氣壓力下人工氣動(dòng)肌肉的輸出助力與壓縮位移特性曲線如圖6所示。可以看出在工作初始狀態(tài)p=500kPa時(shí)開始，使用者通過(guò)起身前傾，同時(shí)氣動(dòng)肌肉工作到達(dá)飽和狀態(tài)，每根人工肌肉平均輸出達(dá)20N，整個(gè)由6根氣動(dòng)肌肉組成的系統(tǒng)輸出達(dá)到120N，從而實(shí)現(xiàn)提供使用者起身時(shí)的助力。當(dāng)需要恢復(fù)人體站立姿態(tài)時(shí)，提供充足供給壓力，單根的肌肉輸出力最大為60N，理論上整個(gè)系統(tǒng)輸出力可達(dá)到360N左右。

分析氣動(dòng)助力實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的研究，分析包括機(jī)構(gòu)承受質(zhì)量的大小和提供力大小以及自由度的數(shù)目。整個(gè)實(shí)驗(yàn)要求助力裝置在理想工作狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，整個(gè)機(jī)構(gòu)大體分為2個(gè)重要組成部分，分別是腰部和背部，腰部回轉(zhuǎn)、臀部、腿部關(guān)節(jié)末端位置確定，相關(guān)連接部位的調(diào)整。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試、氣動(dòng)助力裝置測(cè)試和驗(yàn)證助力實(shí)驗(yàn)設(shè)備的相關(guān)工作情況來(lái)看，可以產(chǎn)生助力效果。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，氣泵工作帶動(dòng)氣動(dòng)肌肉收縮可以為達(dá)到預(yù)期效果提供一個(gè)助力，幫助人體達(dá)到坐立的姿態(tài)。

4結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種針對(duì)老年人日常生活助力腰部外骨骼機(jī)器人，通過(guò)對(duì)以人工氣動(dòng)肌肉為主要?jiǎng)恿Φ难恐ν夤趋罊C(jī)器人相關(guān)的柔性可穿戴式機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究，驗(yàn)證了對(duì)比于傳統(tǒng)使用金屬的氣動(dòng)人工肌肉，該柔性氣壓驅(qū)動(dòng)器具有更高的收縮比，而且同時(shí)有相似生物肌肉的輸出力特性，適合穿戴應(yīng)用的柔性驅(qū)動(dòng)要求，針對(duì)各個(gè)運(yùn)動(dòng)助力仿真過(guò)程，機(jī)構(gòu)有助力功能，達(dá)到了輔助起身的效果。