淺析輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)的可行性

王楚鑫

關(guān)鍵詞：輕量化;自助式;康復(fù)外骨骼機(jī)器人;可行性

根據(jù)中國(guó)殘疾人聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，截止到2019 年中國(guó)殘疾人總數(shù)將近九千萬(wàn)，其中肢體殘疾的人數(shù)占四分之一。患病初期有效地康復(fù)訓(xùn)練對(duì)殘障患者的日常生活活動(dòng)能力和運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)具有良好的促進(jìn)作用[1]。目前我國(guó)合格的康復(fù)醫(yī)師占基本人群比例僅為每10 萬(wàn)人中1.7 個(gè)人，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足患者的康復(fù)需求，康復(fù)專業(yè)人才存在巨大的缺口[2]。隨著科技的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)康復(fù)療法也在不斷地創(chuàng)新，從最初普通的器械到智能化輔助器械逐漸進(jìn)入醫(yī)院，科技的力量正在改變傳統(tǒng)的方法，為患者和醫(yī)護(hù)人員提供最佳的儀器和治療方法。

下肢康復(fù)機(jī)器人能夠有效地幫助肢體運(yùn)動(dòng)障礙患者進(jìn)行康復(fù)治療[3]，已經(jīng)在機(jī)器人領(lǐng)域的得到廣泛關(guān)注。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多比較成熟的可穿戴外骨骼機(jī)器人產(chǎn)品，這為本研究所提出的輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人的設(shè)計(jì)可行性提供了支撐，但是大多都是減重反饋綜合訓(xùn)練系統(tǒng)，體積大、價(jià)格較高，同時(shí)因?yàn)楸銛y性差、價(jià)格高昂及操作復(fù)雜程度高的特性決定了下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人需要在醫(yī)院進(jìn)行操作治療。因此，本文設(shè)計(jì)了一款適合于居家康復(fù)的輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人，并通過(guò)ADAMS 仿真對(duì)所建立的外骨骼機(jī)器人進(jìn)行可行性分析。

1 輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人概述

輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人是為幫助康復(fù)后期有一定運(yùn)動(dòng)能力的殘障患者進(jìn)行居家康復(fù)訓(xùn)練而設(shè)計(jì)的，因此外骨骼機(jī)器人需要滿足輕便性和人機(jī)協(xié)調(diào)性。本文設(shè)計(jì)的外骨骼機(jī)器人主要包括腰部連接桿、大腿桿、小腿桿、足底支撐、驅(qū)動(dòng)單元和緊固綁帶，機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，其中大腿桿和小腿桿部件采用無(wú)級(jí)可調(diào)機(jī)制，能夠滿足95% 以上的人群使用。為了減輕外骨骼整體質(zhì)量，對(duì)外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，在單側(cè)腿設(shè)置了3 個(gè)自由度，這是因?yàn)橄轮\(yùn)動(dòng)主要發(fā)生在矢狀面上，因此3 個(gè)自由度分別設(shè)置為髖關(guān)節(jié)的屈—伸主動(dòng)自由度、膝關(guān)節(jié)屈—伸主動(dòng)自由度、踝關(guān)節(jié)背曲—跖屈被動(dòng)自由度。外骨骼機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式采用電機(jī)絲杠傳動(dòng)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)屈伸運(yùn)動(dòng)，踝關(guān)節(jié)不施加驅(qū)動(dòng)單元。在Solidworks 中完成對(duì)輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人的建模，模型圖如圖1 所示，尺寸表如表1 所示。

2輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)的可行性分析

根據(jù)輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人的尺寸、自由度設(shè)置和驅(qū)動(dòng)方式，將Solidworks 建立的模型導(dǎo)入到ADAMS 中，通過(guò)建立關(guān)節(jié)約束，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)副和絲杠位移副，得到外骨骼機(jī)器人仿真模型，并進(jìn)行關(guān)節(jié)力矩和關(guān)節(jié)角度跟蹤仿真分析，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人的可行性。

2.1 建立輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人仿真模型

為了對(duì)輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，將輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人簡(jiǎn)化為一個(gè)五連桿模型，包括腰部桿、兩個(gè)大腿桿和兩個(gè)小腿桿。由于踝關(guān)節(jié)位置無(wú)驅(qū)動(dòng)單元，所以將足底支撐部分與小腿桿固定到一起。基于此，結(jié)合輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人的基本尺寸，在ADAMS /View 模塊中建立下肢輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人的簡(jiǎn)化模型。ADAMS / View 提供了大量的約束庫(kù)、確定好各參考點(diǎn)的位置后，新建Link 件，各參考點(diǎn)被依次連接，下肢輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人的簡(jiǎn)化模型可以構(gòu)建得到，如圖2 所示。選取模型材料為鋁合金，密度的大小設(shè)置為2.74E-006Kg / mm^3，泊松比0.330，楊氏模量的值為72.0GPa。零件庫(kù)和動(dòng)力學(xué)元件庫(kù)，操作簡(jiǎn)單，交互界面友好。為了建立輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人的簡(jiǎn)化模型，在ADAMS / View 中選取并建立五個(gè)桿件的參考點(diǎn)。重心的默認(rèn)位置位于形心，是由ADAMS 根據(jù)模型的形狀推算得到，各個(gè)桿件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量根據(jù)模型的材料和結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算得出，并且這些參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活調(diào)整。

建立下肢各構(gòu)件的物理模型，對(duì)各個(gè)桿件的連接點(diǎn)及關(guān)節(jié)處施加約束，同時(shí)在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)施加驅(qū)動(dòng)。為了仿真的便利性，本研究假定所有的輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人的桿件都是剛體，桿件之間的連接采用剛性連接的方式，驅(qū)動(dòng)器施加的驅(qū)動(dòng)力矩和功率滿足輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的需要，各部分構(gòu)件之間的摩擦予以忽略。為了盡可能地貼合真實(shí)的下肢輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)，需要將腰部位置的桿件進(jìn)行固定，因此在腰部桿件和髖部位置的連接處設(shè)置一個(gè)Fixed 連接。根據(jù)本文所提出的踝關(guān)節(jié)為無(wú)動(dòng)力關(guān)節(jié)，為了防止仿真過(guò)程中出現(xiàn)誤差，在足底支撐和小腿桿件的連接處也添加一個(gè)Fixed 連接。為了實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的屈—伸運(yùn)動(dòng)，在髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)處分別施加一個(gè)鉸鏈連接，并在每個(gè)鉸鏈連接上添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。最后，下肢輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人需要通過(guò)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)以獲得各關(guān)節(jié)的性能參數(shù)，因此在腰部桿件與地面之間添加了一個(gè)平移驅(qū)動(dòng)，通過(guò)步態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)得人體平均步速，所以本文設(shè)定平移驅(qū)動(dòng)的速度為1.2m / s。

2.2 關(guān)節(jié)力矩仿真驗(yàn)證

在ADAMS 軟件中對(duì)所設(shè)計(jì)的輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，獲得輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的關(guān)節(jié)力矩和關(guān)節(jié)角度的變化情況。

輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)力矩分布的仿真結(jié)果如圖3 所示，單位為N · m。髖關(guān)節(jié)處和膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生的最大的轉(zhuǎn)矩分別為241N · m 和77N · m，均大于人體實(shí)際的髖、膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩，所以設(shè)定的髖、膝關(guān)節(jié)處的驅(qū)動(dòng)裝置滿足助行器載人行走的動(dòng)力需求。

2.3 關(guān)節(jié)角度跟蹤仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性與人體運(yùn)動(dòng)是否一致，需要從關(guān)節(jié)角度的變化趨勢(shì)來(lái)觀察。本研究采用三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)對(duì)正常人體真實(shí)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，用來(lái)作為對(duì)照組。仿真結(jié)果與人體真實(shí)步態(tài)的對(duì)比結(jié)果如圖4 和圖5 所示，其中紅色虛線代表仿真結(jié)果，藍(lán)色實(shí)線代表人體步態(tài)變化曲線。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的結(jié)果看出，下肢輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度變化與人體步態(tài)軌跡基本保持一致，從而可以判斷本研究所設(shè)計(jì)的輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人模型和參數(shù)設(shè)定是符合人體工學(xué)的。通過(guò)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者存在一定的誤差，這是由于參考點(diǎn)的取點(diǎn)數(shù)有限和位置偏差造成的。因此，在接下來(lái)的工作中，還要對(duì)輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人做進(jìn)一步地改進(jìn)，比如通過(guò)制定補(bǔ)償控制策略和增加仿真模型的參考點(diǎn)數(shù)量以更好地模擬正常步態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人是涉及人類健康的特殊領(lǐng)域，潛在經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)十分龐大，多個(gè)國(guó)家已將其列為新型重點(diǎn)戰(zhàn)略發(fā)展產(chǎn)業(yè)。本研究所提出的機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)方式有效，根據(jù)模型估計(jì)，整體質(zhì)量大約為10kg，相較于市面上質(zhì)量較輕的成都布法羅機(jī)器人AIDER [4]，本外骨骼機(jī)器人在質(zhì)量上有明顯的優(yōu)化。同時(shí)為了驗(yàn)證本研究所設(shè)計(jì)的輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人的協(xié)調(diào)性，通過(guò)ADAMS 進(jìn)行了關(guān)節(jié)力矩和關(guān)節(jié)角度的仿真分析，仿真結(jié)果表明輕量化自助式康復(fù)外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力設(shè)計(jì)切實(shí)可行。由于目前康復(fù)輔具的設(shè)計(jì)主要是以功能實(shí)現(xiàn)為主，對(duì)用戶與產(chǎn)品之間的感情交流的考慮比較少[5]，下一步將圍繞情感化康復(fù)輔具設(shè)計(jì)策略開展研究。