人体负重下肢助力机械外骨骼结构设计与运动学仿真

谢哲东，向美琦，姜立民

（吉林农业大学工程技术学院，吉林 长春 130118）

1 引言

机械外骨骼是一种穿戴式的，能够与人体结构联动并协调控制的人机一体化智能系统，涉及机械设计、人体仿生、传感器、机电控制和信息处理等多项技术[1]，它实现了人的智能与机械力量的结合，可以为人体运动提供助力，减轻人体疲劳，在军事和医疗领域都有所应用。

目前，日本和美国对外骨骼机械的研究早已走在世界前列，日本筑波大学在2002 年就研制了机器人装混合助力腿-HAL[2-4]，美国伯克利大学机器人和人体工程实验室也在2004 年研制出美军下肢外骨骼-BLEEX[5-7]。而我国在2004 年后才开始涉足，总体研究水平与国际研究水平存在较大差距。所以进行机械外骨骼相关技术的研究，为加快我国外骨骼技术的发展具有重要意义。

为减轻人体劳作负担，提出并设计了一种适用于人体负重情况的下肢助力机械外骨骼。机械装置的助力主要体现在两个方面：（1）把装置作为人体外的另一套骨骼系统，和人体共同分担负载，以此来减轻人体承重。（2）装置可以模仿人体步态，为人体行走提供助力。

2 结构设计

2.1 设计方案

机械外骨骼应该具备以下特征：能够支撑身体，同时具备其他各式姿态；具备运动辅助功能；具备环境感知功能，协调配合人体运动和保护身体的功能。所以，人体负重助力下肢机械外骨骼除了能够满足穿戴和行走的基本需求外，还应达到以下几个要求：

（1）安全性：外骨骼的运动与人体运动协调共处，二者不能发生冲突，外骨骼的重要关节应具备自锁性，防止对人体造成伤害。

（2）兼容性：外骨骼的结构尺寸可调节，以此来满足不同人群的穿着需求。

（3）适用性：体积繁重的机械外骨骼不便于负重作业，必须采用一些简洁轻巧的设计，减轻装置自身质量，提高负载效率；尽量满足创新化、经济化、大众化的要求。

（4）人机协调性：必须从人体结构学和步态研究原理出发，进行拟人化设计；确保装置运动模式稳定的同时，尽量简化控制系统，增加人机之间的协调性。

2.2 结构设计

根据总体设计要求，以人体下肢结构为研究基础，进行人体负重下肢助力机械外骨骼的结构设计。根据《中国成年人人体尺寸GB10000-88》[8]数据可知，合理的装置“大腿”杆长度调节范围为（400～500）mm，“小腿”杆长度调节范围为（300～400）mm，腰围的可调范围为（650～900）mm，及其他装置结构的基本尺寸，如表1 所示。

表1 下肢机械外骨骼装置结构基本尺寸Tab.1 Basic Structural Dimensions of Extremity Esoskeieton

根据人体运动学可知，人体下肢运动的主要运动关节为髋关节、膝关节和踝关节，并且关节的主要运动为矢状平面内的旋转运动。

表2 下肢各关节矢平面内角度旋转范围Tab.2 Rotation Range of Angles in Sagittal Plane of Lower Extremity Joints

实践证明，完全按照人体各关节的活动角度设计机械装置会降低机械系统的稳定性。为了保证装置的安全性，应在确保装置能够正常行走的状态下，对装置各关节的自由度和关节的最大伸展屈曲角度进行适当的调整。最终选定，髋关节角度活动范围（-12～28）°，膝关节角度活动范围（0～60）°，踝关节角度活动范围（13～-15）°。

依据人体下肢结构和运动特性，设计出人体负重下肢助力机械外骨骼结构，如图1 所示。下肢助力机械外骨骼主要包括背负机构、下肢机构和足部机构。背负机构主要由绑缚固定于人体腰部的围腰装置和固定在围腰上的负重装置组成，在人体进行负重作业时，使部分负载通过背负装置传至外骨骼再传至地面，以此来减轻人体承重。下肢机构由绑带分别与人体下肢大腿、小腿连接，主要由大腿运动装置和小腿运动装置组成，是下肢外骨骼最主要的下肢承载结构，为人体下肢提供支撑和运动辅助。为了适应人体负重作业环境，满足节能轻量、简化控制的要求，针对性地对大腿杆和小腿杆采用了不同的驱动控制方式。大腿杆由安装在髋关节处的伺服电机驱动，并设计了一种曲柄滑块机构的变形机构，将伺服电机的整周转动转换为大腿杆的往复摆动，且髋关节角度自锁，保证了装置的安全性。小腿杆则由固定在大腿上与小腿相连接的伺服电缸驱动。用两种方式通过对关节角度和速度的控制，实现机械与人体腿部的协调运动。

图1 下肢助力机械外骨骼结构图Fig.1 Exoskeleton Structure of Lower Limb Booster Machinery

足部机构由绑带与人体足部连接，主要用来放置传感器，通过足底压力的变化使外骨骼感知人体运动趋势，实现控制外骨骼与人体协调运动的目的。

3 人体下肢运动学模型的建立

3.1 人体步态分析

人体行走步态周期图，根据国家标准《假肢和矫形器术语GB306660.1-2014》[9]第一部分-正常步态数据可知，每个步行周期内单侧下肢经历了两个阶段，即地面支撑阶段和空中摆动阶段，如图2 所示。参阅临床步态分析（Clinical Gait Analysis，CGA）标准数据曲线》[10]，可以得到在一个步态周期内，人体下肢各关节在矢平面内的角度活动曲线。

图2 人体行走步态周期图Fig.2 Human Walking Gait Cycle Diagram

3.2 运动学模型的建立

在已知下肢机械外骨骼的各关节角度变化规律及大腿杆、小腿杆长度的情况下，求得装置末端位置姿态，因此对下肢机械外骨骼进行正运动学分析。

根据机器人运动学的D-H 法对人体下肢展开运动学分析。由于本机构踝关节处无驱动，轨迹控制的输入量是髋关节和膝关节的角度，因此可将人体腿部先简化为两连杆结构，简化模型，如图3 所示。

图3 人体腿部结构运动学结构简图Fig.3 Kinematic Structure Diagram of Human Leg Structure

以下肢右腿为例进行分析，按要求在各关节处建立坐标系，｛i｝（i=0，1，2），各坐标系的坐标原点为各关节转动中心。Zi轴为转动关节的旋转轴，Xi轴指向由Zi轴和Zi+1轴进行确定，Yi轴指向由右手法则确定。所以可得髋关节处运动坐标系为（x0，y0，z0），膝关节处运动坐标系为（x1，y1，z1），踝关节处运动坐标系为（x2，y2，z2），确定连杆坐标系的参数后，如表2 所示。利用齐次变换原则即可求解各坐标系间的相对位姿关系。

表3 关节连杆参数Tab.3 Joint Linkage Parameter

坐标系｛i｝对坐标系｛i-1｝的齐次变换矩阵通式为：

在同一平面内，αi=0、di=0、a1=l1、a2=l2，故可得变换矩阵：

得到末端的位姿坐标（x2，y2）为：

4 运动学仿真

4.1 确定仿真方案

确定下肢机械外骨骼的仿真方案流程，如图4 所示。

图4 运动学仿真方案流程图Fig.4 Kinematics Simulation Flow Chart

4.2 simulink 运动学模型的建立与仿真

图5 Simulink 运动学仿真程序模型Fig.5 Simulink Kinematics Simulator Model

利用得到的下肢正、逆运动学公式，通过Matlab/Simulink 建立运动学仿真模型，如图5 所示。令仿真参数l1=450，l2=350。根据CGA 标准数据曲线，可得到髋关节角度θ1和膝关节角度θ2在一个运动周期内的变化规律曲线，对其进行等时间间隔划分，取50 个离散的数据点，并将函数数据按照时间-角度的关系保存在文档中导入Matlab，对曲线进行插值运算，将插值拟合得到的曲线作为信号源添加到Simulink 建立的运动学仿真模型中进行正运动学求解，可分别得到机构末端位姿变化时，失平面内x2、y2的位移随时间变化曲线，利用XY Graph 模块可得到机构末端随时间变化的运动轨迹曲线图，如图6 所示。

图6 机构末端随时间变化的运动轨迹曲线图Fig.6 Motion Curve of the End of Mechanism with Time

再将输出的x2、y2作为信号源进行逆运动学求解，所得θ1和θ2变化规律与CGA 标准数据曲线对比基本一致（图7 以膝关节运动变化曲线为例），验证了运动学模型的正确性，同时也验证了正运动学所得机构末端姿态位移轨迹（图6）的可靠性。

图7 膝关节一个周期内角度变化曲线图Fig.7 Diagram of angle Change in One Cycle of Knee Joint

4.3 三维动态模型仿真

4.3.1 运动轨迹控制的实现

实现运动轨迹控制的基本思路是：先根据已知的关节转角变化规律曲线驱动控制电机运动，得到电机随时间变化的运行规律，再用得到的数据对电机和电缸进行实时控制，进而实现电机和电缸驱动下的机械装置仿人体步态行走。所以首先要把已知的关节转角变化规律曲线进行数据转换，变成用来控制伺服电机的脉冲信号，驱控制电机和电缸运动，得到在完成规定动作情况下的电机和电缸运动规律。根据已知的髋、膝关节运动轨迹进行等时间间隔划分取点采样，即可分别得到一组离散的运动轨迹数据点。最后将4组驱动函数数据按照时间-角度的关系存入文档导入SolidWorks Motion 动态仿真软件，并用AKISPL 函数进行样条插值驱动函数的拟合，使关节的旋转按照期望进行运动，确保动态模型能够实现仿人体的正常步态行走。同时得到了以旋转的关节作为驱动，带动电机和电缸运动状态下，电机和电缸的实时运动轨迹，如图8 所示。

图8 膝关节驱动电缸位移曲线Fig.8 Displacement Curve of Electric Cylinder Driven by Knee Joint

4.3.2 动态仿真

将求得的电机与电缸随时间变化的位移曲线同样取点采样后生成AKISPL 函数，再将其作为电机和电缸的驱动函数导入Motion 进行动态仿真，最终实现机械装置受电机和电缸驱动控制，进行仿人体步态运动的目的。并得到了动态仿真状态下机构末端的随时间变化的运动轨迹曲线图，如图9 所示。

图9 动态仿真机构末端运动轨迹Fig.9 End Motion Trajectory of Dynamic Simulation Mechanism

虽然由于采集数据或插值函数等原因造成了一定的误差，其结果与Simulink 运动学仿真所得结果（图6）对比，位姿仿真结果基本一致，验证了动态模型的正确性，证明了电机与电缸驱动函数的可靠性，也进一步验证了运动学模型的准确性。

4.3.3 试验分析

为了验证运动学分析与仿真的合理性，针对髋关节和膝关节的运动，搭建了简易试验平台，并进行了相关试验进行验证。试验表明，利用动态仿真所得驱动函数，可以实现髋关节和膝关节的基本运动功能，其运动姿态与人体步态基本一致，所得结果符合预期的设计要求。

图10 试验平台Fig.10 Test Platform

5 结论

（1）根据人体下肢结构，完成了人体负重下肢助力机械外骨骼结构的设计和建模。（2）结合人体正常步态进行运动规划和建模，利用软件对机构进行运动学仿真和动态仿真。用动态仿真所得末端位置运动轨迹验证simulink 运动学仿真的合理性，进而验证了运动学模型的正确性。（3）搭建简易试验平台，利用动态仿真得到电机驱动函数，可以实现下肢机械外骨骼的仿人体步态行走运动，证明动态仿真结果的可靠，验证了整体机构设计的合理性。