仿生運動康復機器人結(jié)構(gòu)設計
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摘要：為人體提供運動康復輔助與訓練功能，設計了張合型下肢仿生運動康復機器人，通過前后輪之間的差速，實現(xiàn)機器人鞍座運動軌跡可按照對標健康人體運動過程中髖關(guān)節(jié)運動軌跡運動，并且機械結(jié)構(gòu)可從站姿張合狀態(tài)調(diào)整為坐姿輪椅狀態(tài)。分析了機械結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)平衡條件并做有限元分析，以桿件壁厚值為變量，所選材料最大許用應力、最大位移為邊界條件，最小質(zhì)量為目標函數(shù)，得到了一款輕量化的張合型仿生運動康復機器人的機械結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞：生物醫(yī)學工程；機器人設計；仿生運動；結(jié)構(gòu)優(yōu)化
0引言
近年來，我國人口老齡化趨勢日益加快[1]，日漸龐大的老年人群中，站起和行走能力降低或缺失給其晚年生活帶來極大不便。因此助行、助殘、助老等方面的需求助推了當前康復醫(yī)療機器人行業(yè)的蓬勃發(fā)展。目前已有大量關(guān)于下肢站起運動輔助[2]、步態(tài)行走輔助[3]的理論與應用研究。文獻[4]給出了一種基于腳踏板的坐式下肢康復機器人系統(tǒng)，采用直線電機與滾珠絲杠作為動力與傳動，患者在坐姿狀態(tài)下，通過驅(qū)動腳部運動，進而向上帶動小腿與大腿協(xié)同運動，實現(xiàn)下肢運動功能理療康復。該設計原理簡單，但執(zhí)行機構(gòu)較為復雜且涉及耦合問題，不適合家庭化應用。文獻[5]給出了一種用于中風后病人步態(tài)康復訓練的機器人，包括全方位水平移動平臺、直線電機、六維力傳感器等主要部分，其中水平移動平臺保證患者原地步態(tài)行走，直線電機在豎直方向支撐患者體重，六維力傳感器用于測量人機交互力。該機器人通過對患者提供減重式踏步行走實現(xiàn)步態(tài)康復訓練，但僅適用于康復后期的患者，無法應用于康復運動全過程。文獻[6]提出了一種穿戴式步態(tài)康復訓練機器人，包含兩個人機交互模塊，可為患者髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)提供屈伸運動輔助，同時可根據(jù)使用對象身體尺寸調(diào)整機械結(jié)構(gòu)，提高了設備的適用性，但僅可驅(qū)動輔助髖關(guān)節(jié)在身體矢狀面內(nèi)屈曲運動，限制了髖關(guān)節(jié)的其他自由度，仿生性差。文獻[7]提出了一種可實現(xiàn)臥、坐、站多位姿的康復機器人，主要由支撐結(jié)構(gòu)、運動平臺、踏車訓練器等組成，在輔助患者運動的同時，可通過測量人體相應部位肌電信號，評價患者的康復情況，但該設備體積大，結(jié)構(gòu)復雜，不適合家庭化應用。
本文給出一種張合型運動仿生康復機器人，基于健康人體站起過程中髖關(guān)節(jié)的仿生運動軌跡，進行機械結(jié)構(gòu)設計，通過機械結(jié)構(gòu)周期性張合運動，使鞍座運動軌跡與人體髖關(guān)節(jié)運動軌跡充分擬合，同時鞍座為患者提供減重支撐助力，使患者在使用過程中實現(xiàn)減重式仿生步態(tài)運動。并且，機械結(jié)構(gòu)可從站姿張合狀態(tài)調(diào)整為坐姿輪椅狀態(tài)。通過對結(jié)構(gòu)的有限元分析與優(yōu)化，得到一款可輔助患者坐、站、行等多模式的運動輔助、訓練休憩機器人。
1仿生人體運動數(shù)據(jù)獲取與處理
設計張合機器人，應具備輔助患者站起、步行兩種運動輔助功能，可使患者按照對標健康人體運動狀態(tài)實現(xiàn)康復運動訓練與助行功能。在進行機械結(jié)構(gòu)設計前，需要對人體站起及行走過程中關(guān)節(jié)運動學原理進行分析。
1.1站起過程運動學分析
首先，基于人體運動學特征，對人體肢段進行簡化建模，在矢狀面內(nèi)建立人體2肢段模型。以踝關(guān)節(jié)為坐標原點建立平面坐標系，縱坐標向上，通過人體穩(wěn)定站姿時的髖關(guān)節(jié)點，橫坐標與水平面平行，則任意時刻髖關(guān)節(jié)點坐標（1）考慮使用者身高差異，查閱中國人體尺寸標準中18-60歲成年男性和18-55歲成年女性人體數(shù)據(jù)，分別取4組不同身高下男女身體標準數(shù)據(jù)，詳細數(shù)據(jù)見表1，將8組數(shù)據(jù)分別代入髖關(guān)節(jié)軌跡表達式通過軟件進行計算、擬合，得到站起過程中8條不同身高下的標準髖關(guān)節(jié)運動軌跡。身高為1.814m的成年男性（P1）與身高為1.503m的成年女性（P5）的站起軌跡，局部對比差異最大，但軌跡整體變化趨勢相同，且最大位移差不超過25%。同時也發(fā)現(xiàn)，相同身高下男性的髖關(guān)節(jié)運動軌跡曲線略低于女性。將站起過程中8條不同身高下的標準髖關(guān)節(jié)運動軌跡做歸一化處理并給出中值曲線，得出普遍意義上的人體站起過程中髖關(guān)節(jié)點的歸一化軌跡，。將歸一化標準軌跡曲線做線性化擬合分別得到1、2、3、4次函數(shù)曲線。
1.2行走過程髖關(guān)節(jié)運動數(shù)據(jù)分析
與處理要基于仿生人體運動學做助行機器人結(jié)構(gòu)設計，需對健康人體行走過程中髖關(guān)節(jié)運動軌跡進行重點研究。根據(jù)預期使用需求，設定機器人助行的步態(tài)速度為1m/s，采樣周期為60Hz。取站立姿態(tài)下髖關(guān)節(jié)點在地面投影點為坐標原點建立坐標系，橫坐標表示前進距離，縱坐標表示髖關(guān)節(jié)點距地面高度，根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，得到不同對象的髖關(guān)節(jié)步態(tài)行進過程中的運動軌跡。分析方法同前節(jié)，得到中值軌跡中髖關(guān)節(jié)點最高時為0.908m，最低時為0.874m。
2機械結(jié)構(gòu)設計
為輔助患者按照對標健康人體站起與行走狀態(tài)進行運動，設計一種張合仿生行走機器人的機械結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)功能：1、以人體站起過程中，髖關(guān)節(jié)軌跡為參照，輔助人體站起運動；2、以人體行走過程中髖關(guān)節(jié)運動軌跡為參照，使人體在步態(tài)行走過程中，通過對骨盆的助力實現(xiàn)健康行走運動；3、具備在行走疲勞期可適時休憩功能。所設計的張合型下肢康復訓練機器人中各桿件設計尺寸。機械結(jié)構(gòu)給出組成機器人結(jié)構(gòu)的主要零部件，其中包括推手、軸控箱、前撐桿軸固件、一號螺栓、后撐桿上臂、前撐桿、調(diào)姿電機、限位撐桿、后撐桿下臂、支撐輪、護帶、鞍座、扶手、步態(tài)撥桿、腳踏板、三個驅(qū)動輪。整體機器人結(jié)構(gòu)通過底部三個驅(qū)動輪實現(xiàn)移動，前面兩個驅(qū)動輪可同速轉(zhuǎn)動，通過與后面驅(qū)動輪之前的差速，實現(xiàn)輔助機器人前撐桿和后撐桿上臂在矢狀面內(nèi)的張合運動，進而帶動軸控箱在向前行進的同時，也可以實現(xiàn)周期性的上下移動，從而使鞍座上下往復運動和設備向前的助行運動，實現(xiàn)按照對標健康人體步態(tài)過程中髖關(guān)節(jié)的空間曲線運動狀態(tài)，為下肢功能障礙患者提供科學的康復運動訓練和行走運動輔助與保護；利用左右兩個對稱分布的曲軸軸徑運動實現(xiàn)左右兩個步態(tài)撥桿的周期性前后交錯擺動。
患者可以根據(jù)自身康復狀態(tài)，選取匹配強度的訓練模式，提高訓練效果。在設備處于輔助行走使用狀態(tài)時，如果使用者突然發(fā)生意外失衡跌倒，慣性阻尼裝置緊急自鎖設備的運動自由度，保護患者不受二次傷害。調(diào)姿電機可改變前后驅(qū)動輪之間的靜態(tài)距離，進而降低鞍座的高度，滿足設備的功能切換，使機器人由行走模式轉(zhuǎn)化為坐姿模式，當獲得限位撐桿的反饋信號后自動停機并限位，機械結(jié)構(gòu)調(diào)整為輪椅功能，在三個驅(qū)動輪同速工作狀態(tài)下可作為電動輪椅移動使用，斷電狀態(tài)下可轉(zhuǎn)換成手動推行輪椅模式。
3機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析與優(yōu)化
張合機器人總體結(jié)構(gòu)設計完成，在人體矢狀面內(nèi)的結(jié)構(gòu)簡化圖。在使用過程中，人體作為機械結(jié)構(gòu)外載荷，在人機交互過程中可能使機械結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)，為增加使用過程中的安全系數(shù)，對機械結(jié)構(gòu)進行靜、動態(tài)穩(wěn)定性分析，即坐姿輪椅功能狀態(tài)下防止側(cè)傾的靜態(tài)穩(wěn)定性分析和行走狀態(tài)下步態(tài)輔助動態(tài)機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定分析。
3.1前傾倒時的動態(tài)穩(wěn)定性驗證
在水平方向，假定在勻速平穩(wěn)的輔助行走過程中，使用者由于病理原因?qū)е律眢w在前進方向上前后傾倒失衡，則在瞬時的人機交互作用過程中，機械結(jié)構(gòu)與人體的交互接觸部位P點受到一定的沖擊載荷而獲得瞬時加速度，機械結(jié)構(gòu)頂部所示，在行進的水平方向加載慣性力F慣性力，各部分桿件重力及相應的構(gòu)件角度及尺寸參照圖中標示，對其進行前傾與后傾的動態(tài)穩(wěn)定性分析。仍然以標準人體運動數(shù)據(jù)為參考確定最大慣性力F慣性力，預設人體發(fā)生傾倒時間t為0.2s，人機交互點P處在人體上可檢測的傾倒均值加速度為a，張合機器人輔助點到人體足底的高度為h慣性力，體重為m，人機交互點P處機械結(jié)構(gòu)的前進方向水平位移為Px（t）則：()xxF=mamPt慣性力（5），人體發(fā)生前傾失衡時人機交互力F慣性力-Fr向前，以前輪中心為矩心列機械結(jié)構(gòu)動態(tài)平衡的約束，考慮人體在向前行進過程中瞬間完全喪失自體平衡支持能力的極端狀況，并伴隨前向傾倒，人體總重量則瞬間全部施加于鞍座上，此時，軸控箱內(nèi)的阻尼塊瞬間提供阻尼力，用于防止機械機構(gòu)在豎直方向由于體重的沖擊載荷而產(chǎn)生張角突變，。
3.2后傾倒時的動態(tài)穩(wěn)定性驗證
按照康復醫(yī)學臨床經(jīng)驗數(shù)據(jù)，患者向后傾倒狀況較少并且身體質(zhì)心后傾運動速度及加速度均較小，即F慣性力_Be遠小于F慣性力_Fr，且機械結(jié)構(gòu)中MFr遠大于MBe，則當前傾平衡方程滿足條件時，足以滿足后傾動態(tài)平衡條件。
3.3側(cè)傾倒時的動態(tài)穩(wěn)定性驗證
由于機械結(jié)構(gòu)在正視圖內(nèi)是左右對稱的，因此僅選擇單側(cè)傾倒來進行穩(wěn)定性分析。選取F慣性力_x的方向向右，以右前輪為矩心列動態(tài)平衡的約束
3.4坐姿時的靜態(tài)穩(wěn)定性驗證
當張合機器人要使用坐姿狀態(tài)時，通過后桿處的調(diào)姿電機，帶動整個機械機構(gòu)下放，整體結(jié)構(gòu)的重心也將向下向后轉(zhuǎn)移，最終達到坐姿的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，執(zhí)行輪椅的使用功能，此時主要考慮靜態(tài)機械結(jié)構(gòu)下的后傾失穩(wěn)邊界條件，如圖7中給出的機械結(jié)構(gòu)側(cè)視簡圖和俯視簡圖，當人體坐姿時鞍座受力點P，通過所設計的機械結(jié)構(gòu)各桿件尺寸比例關(guān)系，人體坐姿時重心投影恒在三輪覆蓋的水平面內(nèi)，則恒滿足靜態(tài)平衡的ZMP原理，系統(tǒng)穩(wěn)定。
4張合行走及站-坐姿轉(zhuǎn)換時電機選型
基于結(jié)構(gòu)的尺寸，進一步確定前后輪的具體運動速度。點P的實時運動曲線為P(t)，與人體尾椎骨點的運動狀態(tài)有關(guān)，設計為鞍座的運動軌跡，并且在穩(wěn)定步態(tài)行走過程中，即為張合機器人前后撐桿的交合點位置O的運動軌跡,即：vP=vO。
4.1行走過程前后輪轉(zhuǎn)速及差速分析
人機交互點P點的仿生運動學軌跡為張合機器人輔助行走功能下的運動學設計依據(jù)，設計實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)中前后撐桿的張合運動功能。首先，確定步態(tài)運動過程中前后輪與點P的位置關(guān)系，以初始位置時點P在地面的投影點為原點o，建立平面坐標系，前進方向為x軸正方向,，如圖7所示。則可以確定前后輪簡化點A、B在側(cè)視圖中的坐標（Ax，Ay）和（Bx，By），前后撐桿L1和L2末端A和B距離地面值Ay和By為輪距設定為恒值0.04m，其橫坐標為時變量，則A、B的坐標可表示為（Ax(t)，0.04）和（Bx(t)，0.04）。同理，P點坐標可相應表示為（Px(t)，Py(t)）。記P點水平速度為vP_x；A點速度為vA；B點速度為vB。則可得到Ax(t)和Bx(t)的表達式：()()[()0.04]()()[()0.04]xxyxxyAtPtLPtBtPtLPt=−−−=+−−（10）最終得到AB兩點的差速Δv：()-()BAxxv=v−v=BtAt（11）得出差速曲線
4.2站-坐姿態(tài)轉(zhuǎn)換過程中調(diào)姿電機動力分析
在完成步態(tài)運動分析及輪速計算后，需要進一步考慮機械結(jié)構(gòu)由站姿轉(zhuǎn)換為坐姿時后撐桿調(diào)姿電機的動力計算問題。仍以人機交互點P點的仿生運動學軌跡為基礎，使機械結(jié)構(gòu)的運動應盡量按照對標健康人體的自然坐站運動軌跡下降。在調(diào)姿功能轉(zhuǎn)換過程中，首先將后輪轉(zhuǎn)動鎖死，再同時分別控制前輪位移和后撐桿中的調(diào)姿電機轉(zhuǎn)動角位移，調(diào)整后撐桿中上下桿L1_U和L1_D間的夾角，以及前后撐桿之間的夾角，完成姿態(tài)功能的機械結(jié)構(gòu)變換。此動態(tài)過程中，設計要求P點運動軌跡與人體由站到坐過程中的仿生學運動軌跡保持一致[8]。在轉(zhuǎn)換過程中，AB間距LAB、L1_U和L1_D間的夾角θL同P點坐標的關(guān)系其中L3為人體站姿時，前后驅(qū)動輪軸心矢狀面內(nèi)的距離，即LAB的初始值。進一步分別得到AB間距、L1_U和L1_D間的夾角θL同站-坐進程的關(guān)系曲線，如圖9所示。其中，L1_U和L1_D間的夾角θL隨站-坐進程的變化曲線近似為一條直線（圖9綠色曲線），線性擬合后可由直線表示，表達式如下式：y=-0.72403x+138.23（13）即控制θL變化的調(diào)姿電機為勻速轉(zhuǎn)動，從而前輪B處電機為從動轉(zhuǎn)動，配合完成P點運動軌跡按照圖2中歸一化的仿生擬合軌跡運動，二者的對比結(jié)果，相關(guān)系數(shù)大于0.96，充分滿足了做-站運動過程，機械結(jié)構(gòu)的P點運動軌跡實現(xiàn)仿生運動的設計目標。
5結(jié)構(gòu)有限元分析
確定機械結(jié)構(gòu)各部分尺寸后，需要對其進行靜力學分析與尺優(yōu)化。首先對結(jié)構(gòu)進行相應的簡化，如推手去掉，擬定機械結(jié)構(gòu)整體采用45#鋼管材加工，設計機械結(jié)構(gòu)可額定承載的使用對象體重98kg。將簡化后的機械結(jié)構(gòu)導入Hyperworks軟件中，對其進行網(wǎng)格劃分、加載分析。結(jié)構(gòu)所用45#鋼材料屬性如下：彈性模量210GPa，材料密度7850kg/m3，泊松比為0.3，許用應力為355MPa，取安全系數(shù)為1.1，則設計許用應力為322.7MPa。此外，設計機械結(jié)構(gòu)最大安全位移尺寸小于10mm。機械結(jié)構(gòu)在輪椅狀態(tài)時，人體全部體重均加載于結(jié)構(gòu)上，則此狀態(tài)為載荷力最大狀態(tài)，施力方式模擬實際工況，在鞍座部位施加共計為980N豎直向下均布力。圖11為結(jié)構(gòu)的靜力學分析結(jié)果，最大許用應力296.8MPa，最大位移為3.15mm，滿足設計要求。此時結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量為24.81kg。完成結(jié)構(gòu)在初始尺寸條件下的有限元分析后，進一步考慮在滿足機械結(jié)構(gòu)安全性的前提下，結(jié)構(gòu)質(zhì)量是否有降低的可能性，擬利用有限元軟件建立迭代優(yōu)化過程[8]，在此過程中，以管件壁厚值為自變量，最大應力與最大位移為約束條件，最小質(zhì)量為目標函數(shù)。M為機械結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量；mi機械結(jié)構(gòu)中每一個構(gòu)件的質(zhì)量；f為xi為變量的質(zhì)量函數(shù)；xi為單個構(gòu)件的壁厚；σmax機械結(jié)構(gòu)中最大許用應力；dmax機械結(jié)構(gòu)的最大位移。經(jīng)過4次迭代后，實現(xiàn)了機械機構(gòu)輕量化的目標，機械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量明顯降低，最終質(zhì)量為17.30kg，整體質(zhì)量降低30.27%，其質(zhì)量變化柱狀圖。將此質(zhì)量下各件的壁厚值賦予各桿件，進行有限元分析，結(jié)果如圖13所示，最大應力為321.1MPa，最大位移為4.25mm，滿足設計條件，同時實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)輕量化目標。迭代優(yōu)化值僅為理論參考值，為機械結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工提供參考，應綜合考慮加工實際情況，合理運用。
6結(jié)束語
本文給出了一種張合型下肢康復機器人，在輔助行走過程中，基于對標健康人行走過程中髖關(guān)節(jié)運動軌跡，通過前輪與后輪差速前行，使得鞍座的空間運動軌跡與人體髖關(guān)節(jié)運動軌跡吻合，為患者提供仿生步態(tài)行走助力。在下坐過程中，按照對標健康人站、坐過程中髖關(guān)節(jié)軌跡，機械結(jié)構(gòu)后輪鎖死，前輪與調(diào)姿電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)鞍座位置與髖關(guān)節(jié)站起運動軌跡的吻合，實現(xiàn)仿生站起運動輔助，可實現(xiàn)輔助站起、輔助行走和輪椅功能。借助有限元分析方法驗證了機械結(jié)構(gòu)的安全性，并進行尺寸優(yōu)化，實現(xiàn)了輕量化目標。最終得到的張合機器人滿足設計要求，實現(xiàn)了預期使用功能。
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作者：劉 坤 駱星吉 吉碩 孫震源 徐洪偉 劉勇 單位：吉林大學 機械與航空航天工程學院