下肢外骨骼機器人機構設計及有限元分析

摘" 要：為解決因腦卒中、偏癱等疾病引起的下肢運動功能障礙，設計并研發一款具有下肢外骨骼機構、動態減重機構、跑臺于一體的跑臺式下肢外骨骼康復機器人，輔助下肢運動功能障礙患者進行步態訓練，恢復運動功能。基于有限元（Abaqus）的方法分析人體步態極限位置外骨骼機構的受力情況，并進行靜力學分析，觀察其不同狀態下所受的應力、應變情況，根據所選材料和結構分析其結果。結果表明，外骨骼機構強度和剛度滿足設計的安全性和合理性。

關鍵詞：下肢康復；外骨骼機構；有限元分析；結構剛度；機器人

中圖分類號：TP242" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）28-00４0-0４

Abstract： In order to solve the lower limb motor dysfunction caused by stroke， hemiplegia and other diseases， the design and development of a lower limb exoskeleton with a lower limb exoskeleton mechanism， dynamic weight reduction mechanism， running platform in one of the running table lower limb exoskeleton rehabilitation robot， to assist patients with lower limb motor dysfunction for gait training， recovery of motor function. Based on the finite element method （Abaqus）， the stress of the human gait limit position exoskeleton mechanism was analyzed， and the statics analysis was carried out to observe the stress and strain under different states， and the results were analyzed according to the selected materials and structures. The results show that the strength and stiffness of the exoskeleton mechanism satisfy the safety and rationality of the design.

Keywords： lower limb rehabilitation; exoskeleton mechanism; finite element analysis; structural stiffness; robot

隨著人工智能、機器學習等技術的發展，下肢外骨骼康復機器人在傳感器、控制算法、機械設計等方面技術的不斷進步，使得機器人能夠更加準確地感知用戶的運動意圖和身體狀況，并能夠根據用戶的需求進行個性化康復訓練。下肢外骨骼康復機器人不僅應用于肢體功能障礙康復訓練，還被廣泛用于老年人運動康復、運動員訓練、軍事助行等方面。國內外的醫療機器人企業在下肢外骨骼康復機器人領域投入了大量的研發資金和技術力量，推出了多款新產品，如國產的“足底壓力云圖機器人”“Flexbot[1]”“AiLegs[2]”等，以及國外的“ReWalk[3]”“HAL[4]”“LOPES”等，這些產品在機械結構、控制算法、人機交互等方面都有不同程度的創新和優勢。

本文所設計的跑臺式下肢外骨骼康復機器人主要是針對下肢肌肉骨骼系統受損或功能障礙的患者，例如中風、脊髓損傷、腦損傷和多發性硬化等疾病所引起的下肢肌肉萎縮、運動障礙、肌肉功能失調等問題。通過提供可控的康復訓練，幫助患者恢復下肢的運動能力和肌肉力量，提高生活自理能力和社會參與度[5]。

1" 外骨骼機構設計

根據設計要求電機及部件選型后，通過SolidWroks三維繪圖軟件對下肢外骨骼康復機器人整體結構進行建模。機器人包含外骨骼機構、減重機構和跑臺3個機構，減重機構使患者的雙腿減輕負擔，輔助患者站立，使其能夠獨自站立；外骨骼機構通過機械機構對下肢進行力學干預，通過正常人的步態帶動患者進行行走訓練；跑臺為患者提供一個真實的觸地行走體驗。

下肢外骨骼單腿結構設計如圖1所示。外骨骼由髖關節驅動部件、大腿部件、大腿綁腿部件、膝關節驅動部件、小腿部件、小腿綁腿部件及彈簧綁腿組成。髖關節驅動部件通過連接板與大腿部件相連接，大腿部件具有一定的長度調節范圍，膝關節驅動部件連接大腿部件和小腿部件，通過大腿綁腿部件和小腿綁腿部件將外骨骼穿戴在人體身上，彈簧綁腿穿戴于人體足尖，通過彈簧的拉力給足尖一個向上的力，防止患者在訓練過程中因下肢運動功能障礙造成的腳尖觸地拖行。因人體行走時主要與髖關節、膝關節的伸展/彎曲有關，同時康復機器人因有外骨骼平衡機構，所以外骨骼只有2個自由度。

2" 基于Abaqus的外骨骼機構靜力學分析

下肢外骨骼機構被患者雙腿穿戴于表面，與患者直接接觸，其結構的安全性和穩定性至關重要。通過有限元方法，分析步態運動過程中外骨骼處于極限位置的受力對結構強度和剛度的影響，預測其在實際使用中的性能和安全性能，從而提高設計的可靠性和優化結構的性能。如果機器人存在安全隱患，不僅可能對患者造成二次傷害，還會導致機器人故障，降低機器人的可靠性，影響康復效果。

外骨骼機構如圖1所示，其結構多為板狀結構，且具有一定的厚度，所以選用四面體單元進行有限元建模。實體四面體單元適用于各種形狀的結構，可以模擬三維空間內的任何形狀，同時四面體單元具有很好的數學穩定性，即使在非常大的變形下，也不容易產生計算誤差，具有較高的計算精度。通過外骨骼模型的簡化后，其由2種材料構成，外骨骼主體由7系鋁合金7075構成，其外骨骼護腿部位由304不銹鋼組成，其材料屬性參數見表1。

根據本文所設計的跑臺式下肢外骨骼康復機器人，其具備外骨骼平衡模塊，可以承擔外骨骼機構的重力，外骨骼穿戴在患者身上時使患者不必承擔外骨骼重量。人體下肢髖關節在運動過程中，不僅存在屈曲/伸展運動，還存在外展/內收和內旋/外旋運動，所以外骨骼帶動患者進行步態訓練過程中，也會對外骨骼機構橫向的剛度、強度造成影響，則分析外骨骼機構的橫向剛度和強度也顯得尤為重要。根據國家二類醫療器械安全性檢測流程要求，外骨骼末端在收到20 kg橫向力的情況下，變形不超過10 mm，及達到安全標注。所以為了分析外骨骼橫向受力的安全性，使用有限元方法進行仿真，在距離末端5 cm的地方加載橫向196 N的負載。

人體在步態運動中會出現髖、膝關節屈曲/伸展運動極限位置，此時是外骨骼受力的極大值位置，分別位于進入支撐相時和進入擺動相瞬間，其受力情況分別如圖2和圖3所示。根據外骨骼關節角度設計，要求外骨骼髖關節旋轉范圍為-25～37°，膝關節旋轉角度為-72～0°，所以外骨骼當達到進入支撐相極限位置時大腿桿與豎直方向角度為37°，大腿桿與小腿桿相對角度為0°，當達到進入擺動相極限位置時，大腿桿與豎直方向角度為25°，大腿與小腿相對角度為72°。因為本文所設計的患者的人體極限為100 kg，通過表2統計的我國男、女肢體占體重的比例情況可得出100 kg的人體，大腿質量為11.15 kg，小腿質量為10.70 kg。

由于外骨骼機構通過在大腿桿和小腿桿處的綁腿部件與人體表面接觸，所以以護腿位置為受力點，分別求出大腿、小腿在護腿處的受力情況。

在進入支撐相瞬間時大腿受到護腿的力F1的情況是

式中：m1為大腿質量。

則小腿F2受到護腿的力為

在進入擺動相瞬間大腿受到護腿的力F1為

小腿受到護腿的力F2為

通過對外骨骼步態周期的分析，分別得出2個極限位置，根據受力分析求得外骨骼大、小腿護腿部位的受力情況，將2種極限位置的受力情況分別導入有限元模型中，進行加載和約束，其結果如圖4和圖5所示。

3" 外骨骼機構靜力學強度、剛度結果分析

外骨骼機構主要由主體部分的鋁合金7075板和護腿部位的304不銹鋼構成，因為鋁合金7075為塑性材料，所以分析其靜強度時，取安全系數[n]=1.5。通過式（5）可得其許用應力為[σ]=349.33 MPa。

根據上文所提國家二類醫療器械安全性檢測流程要求，在康復機器人滿載情況下，其形變量需小于10 mm，則達到使用安全性，選用主體框架許用形變量[y]=10 mm。

3.1" 外骨骼機構橫向受力強度、剛度分析

在外骨骼距離末端5 cm處加載100 N的力，其最大應力出現于頂部固定點附近，此處連接外骨骼髖部寬都調節機構，其最大應力為253.54 MPa，小于其許用應力[σ]=349.33 Mpa，能夠滿足其橫向強度的需要，具有抵抗患者步態訓練中下肢外翻的能力，糾正其步態。

在此情況下其最大應力形變出現在外骨骼末端，最大位移為7.29 mm小于許用形變量10 mm，則外骨骼在橫向手里的情況下，剛度也符合其安全性。綜上所述外骨骼在橫向受力情況下，能夠保證其剛度、強度的安全性，避免因橫向受力外骨骼斷裂的情況發生，避免患者二次受傷。

3.2" 外骨骼步態極限位置時強度、剛度分析

如圖6和圖7所示，分別是步態處于支撐期極限位置和擺動期極限位置時，對護腿部件處施加最大載荷，所產生的應力分布圖。處于支撐期極限位置時，其最大應力出現于大腿桿長度調節處，此處連接外骨骼髖、膝驅動模塊，最大應力為149.46 MPa。當處于擺動期極限位置時，最大應力也出現在大腿長度調節處，為96.27 MPa，其2種極限位置，皆小于許用應力[σ]=349.33 Mpa，達到強度的安全性。

其2種狀態的位移分布圖如圖8與圖9所示，其形變最大處都處于大腿護腿處，其結構由304不銹鋼組成，在支撐期極限位置時最大位移量為4.16 mm，擺動期極限位置最大位移量為3.98 mm，均小于許用形變量10 mm。綜上所述，外骨骼機構在步態周期訓練過程中剛度、強度均滿足設計的需求，同時還留有很大的富余量。

4" 結束語

本文通過有限元的方法分析了跑臺式下肢外骨骼康復機器人外骨骼機構橫向受力與極限位置的剛度、強度的安全性。首先對康復機器人外骨骼機構進行受力分析，分析出其受力點與最大受力，并通過其受力對機構的應力與應變的影響，分析出最大應力與最大位移量，皆滿足其材料的許用應力和許用形變，滿足康復機器人設計要求的安全性。

參考文獻：

[1] 林在龍，傅雄偉，余朝偉，等.Flexbot下肢康復機器人結合虛擬現實訓練對帕金森病患者平衡功能和步行能力的影響[J].浙江醫學，2021，43（4）：405-408，413.

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[3] KESSLER F. Researchers report positive results for ReWalk ReStore exosuit in stroke rehabilitation[J]. NewsRx Health amp; Science， 2020：414.

[4] LAFITTE M N， et al. Alteration of muscle activity during voluntary rehabilitation training with single-joint Hybrid Assistive Limb （HAL） in patients with shoulder elevation dysfunction from cervical origin[J]. Frontiers in Neuroscience， 2022.

[5] PRAKASH C， MITTAL A， KUMAR R， et al. Identification of gait parameters from silhouette images[C]//2015 Eighth International Conference on Contemporary Computing （IC3）， 2015：190-195.