下肢康复机器人结构设计与仿真分析*

黄锦婷，苑明海，王 松，王海东，李旭忠(河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213002)

0 引 言

目前，由于人口老龄化、各种疾病和意外事故等因素造成肢体运动障碍或残疾的患者日益增多[1-2]，单凭人工的照看是远远不够的，因此研制出一种能够代替人工照看残疾人、老年人的机器成为了迫切的需要[3]。下肢康复机器人能够把患者和机械运动装置巧妙的结合，通过机械结构的运动带动患肢一起动作，使得患者肌肉或关节得到锻炼以逐渐恢复正常活动，使人体肌肉组织运动功能在运动下得到锻炼以趋于正常[4]。

机器人技术应用在康复医学方面得到迅速的发展，在欧美等西方国家，康复机器人在市场上的占有率逐年增长[5]，美国、英国、加拿大等国在康复机器人研究方面处于世界领先地位[6]。国内，史小华等[7]对早期脑卒中引起的偏瘫患者的下肢进行康复训练，发现下肢康复机器人结合运动疗法能明显提高患者的下肢运动功能[8-9]；TETSSUYA MOURI等[10]研究了下肢康复机器人对下肢偏瘫患者痉挛的康复治疗效果，结论说明下肢康复机器人结合运动疗法对患者下肢痉挛有显著的改善作用；此外国家康复辅具研究中心探讨了康复机器人技术发展的作用和意义,根据国内外康复机器人发展现状和研究成果对未来康复机器人发展做出展望[11-12]。

本研究主要着力于可穿戴式下肢康复机器人的结构设计及运动学仿真，分析下肢髋、膝、踝3个关节的运动轨迹以及大、小腿杆件模型的静应力，从而对康复机器人结构设计的合理性作出判断。

1 结构设计

根据患者下肢的康复需求，下肢康复机器人总体结构设计如图1所示。

图1 可穿戴式下肢康复机器人总体结构图1—腰部结构；2—髋关节；3—大腿杆件；4—气缸；5—膝关节；6—铰链支座；7—小腿杆件；8—踝关节；9—足部支撑板

从空间中由下往上依次是足掌支撑部分，足部踝关节、小腿杆件模型，膝关节，大腿杆件模型，髋关节，腰带部分，顶部减重装置，其中驱动元件设计的气压传动。

该下肢康复机器人在底部步行带上设置压力传感器，可以感知足部对步行带的压力，然后反馈到顶部的减重装置。当足部对步行带压力过大，则使气缸带动的绷带拉紧以减小足部受力；当足部对步行带压力过小，则适当减小减重装置对人体的拉力。笔者利用反馈系统调节顶端减重装置对人体自重的减少量以实现对运动障碍患者进行主动康复训练的自动化。

2 下肢各关节的运动分析

以正常青年人为参考，平均体重60 kg，平均身高170.89 cm。

该康复机器人主要涉及的人体参数如表1所示。

表1 正常人行走时相关参数

患者在进行康复训练时，康复机器人的下肢关节与人体下肢固连，带动患者下肢一起实现同步运动，所以机器人各关节转过的角度由正常青年在一个步态周期内关节角度范围而定。

正常人行走时各关节的角度变化如表2所示。

表2 正常人行走时各关节的角度变化/(°)

为了简化人体关节四杆机构模型[13]，本次设计的关节点均采用单个铰链支座代替，其所连接的上下杆件均可绕着关节在同一竖直平面内旋转。

2.1 踝关节的运动分析

踝关节模型示意图如图2所示。

图2 踝关节模型示意图L—踝关节气压缸所在的杆件位置

经过计算设计出杆件L1、L2、L3的长度和杆件间的角度，即：L1=368 mm，L2=82.4 mm，L3=236 mm，α=60°，β=60°，θ=30°。

根据图2中已知的几何关系得出气缸的行程公式。

气缸在踝关节旋转到最上端时，有最长距离：

(1)

气缸在最近端时的两端绞支座最短距离为：

(2)

由以上两式可以得出踝关节处气压缸的行程为：

H=L-L′

(3)

代入数据，计算可得：H=465.23-248.23=217 mm。

2.2 膝关节的运动分析

膝关节模型示意图如图3所示。

图3 膝关节模型示意图

根据分析可知，与膝关节相连接的两根杆件相对转过的角度为0°～70°，图3中所示即为膝关节所处的两个极限位置，计算得到气压缸活塞的行程。

正常人笔直站立时，大腿所在位置的气压缸活塞到达最远端；而膝关节弯曲时，气缸活塞到达最近端。经过计算设计出杆件的长度分别为L1=128.5 mm，L2=120 mm，L3=418 mm，杆件间的角度为α=70°～144.38°，β=37.38°，则气缸两端铰链支座的最远距离和最近距离分别为：L=426.4 mm,U=293.6 mm。所以驱动膝关节处连接的杆件旋转的气压缸行程为：H=L-U=426.4-293.6=132.8 mm。

2.3 髋关节的运动分析

髋关节运动模型示意图如图4所示。

图4 髋关节模型示意图L1—髋关节中心到气压缸上端活塞缸支座中心的距离；L2—气压缸活塞杆所连接的支座高度；L3—大腿部分的长度

从前面表格中可知：大腿摆动的角度范围为-30°～45°，其中，L和L′分别是髋关节旋转到这两个极限位置时，驱动大腿摆动的气压缸的最长与最短距离。经过计算得出杆件的长度分别为：L1=106.47 mm，L2=73.31 mm，L3=310.22 mm，杆件间的角度为α=-30°～45°，β=1 119.75°。

通过上述公式计算可得：L=402.67 mm，L′=283.74 mm。因此，驱动髋关节的气压缸行程为：H=L-L′=402.67-283.74 mm。

3 机构运动仿真

3.1 运动学仿真分析

该下肢康复机器人的运动是模拟正常人。正常人在中速情况下行走，一个步态周期所用的平均时间是1.16 s，分解一个步态周期是把1个周期分成7个阶段，初始时刻是下肢两侧均处于竖直站立的状态，这个状态将其定义为零时刻，接着分别进入支撑阶段和摆动阶段，支撑阶段的初期、中期、后期分别占据整个步态周期的10%、25%、10%，摆动阶段的初期、中期、末期所占比例分别为20%、15%、15%，再加上从初始状态过渡到第一个状态这段时间，定义为Δ01，这段时间段所占比例为5%，以此划分整个步态周期。

划分好时间阶段后，测量各个时间状态下支座之间的距离。本次测量主要是3个气缸在不同状态下的长度，即气缸缸筒一端的铰支座中心与活塞杆一端的支座中心之间的距离。两个相邻时刻下对应测出的两个位移之间的差值即为这个时间段活塞的位移。

考虑到一个步态周期的时间太短(1.16 s)，这对仿真时观察运动带来不便，所以将步态周期延长到10 s。

将步态周期各个时刻对应测量的距离列表，结果如表3所示。

表3 气缸两端支座中心之间随着各个时刻对应测量的距离/mm

将时间延长为10 s后的步态周期内时间段划分，结果如表4所示。

表4 时间段的划分

注：表中ΔtiΔti+1(i=0,1……6)表示相邻两时刻之间这一段时间

气缸活塞杆在每个时间段内的位移变化量Δh是指一个时间段内活塞杆向外伸长或向内缩短的位移量，活塞杆向外伸长定义为负值，向内缩短定义为正。

具体的位移随时间变化值如表5所示。

表5 气缸活塞在各个时间段的行程/mm

3.2 运动学仿真分析

本次运动学仿真分析是将腰部结构视作固定机架，因此髋关节运动轨迹随时间变化为一条水平直线，笔者主要研究膝关节和踝关节的运动情况。

踝关节运动轨迹随时间变化曲线图如图5所示。

图5 踝关节运动轨迹随时间变化曲线

观察曲线走势，与正常人行走轨迹大致接近，可实现恢复患者运动机能的目的。

膝关节运动轨迹随时间变化曲线图如图6所示。

图6 膝关节运动轨迹随时间变化曲线

3.3 静力学仿真分析

该康复机器人机构设计中下肢零部件大腿和小腿这两个零件模型在整个机构中起着关键作用，它们既是承载构件又是传动构件，尤其是杆件上的支座在承受静应力时候最容易发生失效，所以需要对两个腿部杆件进行静应力分析。

3.3.1 大腿杆件模型静力学分析

大腿杆件模型所受应力的情况如图7所示。

图7 大腿杆件模型所受应力分布图

图7中，箭头表示大腿杆件所受集中力的方向，经过有限元仿真后，从等效应力云图中可知是最大应力产生位置在铰链支座内圆表面上，其应力值大小为3.39 MPa，因大腿杆件选择材料为1060H12型铝合金，其许用应力大小为[σ]=87 MPa，而实际应力的最大值远小于材料的许用应力值。因此，大腿杆件模型强度符合要求。

3.3.2 小腿杆件模型静力学分析

小腿杆件模型所受应力的情况如图8所示。

图8 小腿杆件模型所受应力分布图

两端铰链支座构成的旋转副内圆表面上出现最大的应力值，最大应力为0.74 MPa，同样，小腿杆件制造时也采用型号为1060H12的铝合金材料，此次静力学分析所得的实际最大应力远小于该材料的许用应力值，故该模型的设计强度合格。

4 结束语

根据下肢轻度瘫痪患者锻炼肌肉的要求，本研究提出了一种结构简单的可穿戴式下肢康复机器人，将该机器人的运动与患者下肢的康复运动结合起来，建立了人机一体化模型，并对该机器人模型进行了仿真分析，得到了髋、膝、踝3个关节的运动轨迹以及大、小腿杆件的静应力分布。

仿真结果证明：该下肢康复机器人结构设计有可行性，能够对患者的髋、膝、踝关节进行有效的康复训练，达到锻炼肌肉的目的。

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