下肢外骨骼康復機器人機械設計結構研究

喻行濤

（安川首鋼機器人有限公司，北京 100176）

0 引言

外骨骼康復機器人是一種機械裝置，它將人機工程學、仿生學知識適用于機器人技術[1]。外骨骼康復機器人是交叉學科，融合了如機器、電子、機器人和仿生學。它們用于患者的四肢，并由練習補充和替代，以智能/機械化的方式控制訓練。這種骨骼機器人技術彌補了傳統治療方法的不足，并消除了人們非常關注的巨型康復設備的局限性。本文主要在其最重要的技術方面和發展方面進行論述[2]。

1 人體下肢運動分析

由于本設計為可穿戴式下肢外骨骼機器人，該機器可直接與穿戴者下肢連接，并與穿戴者同步運動。因此，設計時要考慮柔性對使用的影響。采用人性化的結構設計同時又必須反映出人體關節的運動特點，即仿生[3]。

1.1 人體下肢組成

人體下肢的各部分骨骼由髖關節、膝關節和踝關節這三個關節而連接在一起，組成了人體的下肢骨架，如圖1 所示[4]。

圖1 人體下肢骨骼結構

1.2 步態周期時相分析

人體下肢運動是一種往復的周期運動，對于單側右腿來說人體步態周期分為支撐期和擺動期。以單側為例：首先右腳準備離開地面左腳進入支撐期直到右腳完全離開地面這占總步態的12%。此時右腿獨自支撐整個身體重量這期間右腳跟著地與地面開始進行滾動運動，這個過程占總步態的40%。之后開始兩腿支撐占20%。然后右腿開始進入擺動期，此時右腿先進行屈膝運動然后向前擺直到大腿小腿變成一條直線這一階段完成。在這個過程中身體中心向前移動，直到左腳再次抬起，此時一個完整的步態周期完成[4]。

1.3 下肢外骨骼設計要求

（1）外骨骼行走時由驅動系統助力，為保證行走的安全性，在外骨骼的驅動關節都應設計有限行程限位裝置。

（2）需要對其中重要零部件進行承載能力、剛度等計算和校核，來保證外骨骼的實用性和穩定性。

設計指標：由左右兩條外骨骼腿組成，通過腰部零件連接。單側外骨骼腿有5 個自由度，其中髖關節屈/伸和膝關節屈/伸是由電機驅動的主動自由度；髖關節的運動范圍是-15 ～ 50°，膝關節的運動范圍是0 ～ 60°；外骨骼本體采用鋁合金制造，在大腿及小腿處設計綁帶結構與人體連接，可以承載體重在100 kg 以下的患者。

2 總體方案設計

2.1 驅動系統的確定

由于本課題需要實現能夠根據患者體質調節各關節的運動速度與運動幅度，所以選用無刷直流伺服電機。選用依據：

（1）可以避免出現電機失步問題。精度好，可以對位置、速度和力矩進行閉環控制。

（2）穩定，電機轉動平滑、運行平穩，震動、噪音低。

（3）快速反應，電機從獲得指令信號到完成指令所要求的響應時間短，要求轉動慣量小。

（4）能夠在苛刻的條件下運行，有頻繁的正反向和加減速運行特性。

將驅動與關節中心同軸安裝有2 種形式：①電機的輸出軸直接與關節中心軸同心，經過減速器輸出轉矩；②電機與外骨骼腿桿平行安轉，經過換向器后，再經過減速器與關節中心同軸，如圖2 所示。

圖2 驅動系統布位方案

圖2（a）安裝方案的優點是不需要換向機構，能減輕腿桿重量，缺點是電機在寬度方向上的尺寸較大，會使得關節處橫向距離較大，電機離外骨骼腿桿較遠，使得安裝固定不方便，也不便于電機的平穩運行；圖2（b）安裝方案彌補了以上（1）的不足，將電機平行安裝在推桿上，提高了整體的穩定性，減小了安裝難度。另外，雖然添加了換向器，但其在橫向方向上的尺寸得以減小，且由于電機的輸出扭矩較小，故換向器不會太大，且可以選擇功率較大的電機來克服增加換向器帶來的負載的增加[5]。

本下肢外骨骼機器人采用大容量可充電蓄電池作為動力源，電能是一種比較環保的能源，沒有燃油帶來的有害氣體排放問題。傳動系統采用減速器加錐齒輪傳動，沒有選用傳統的液壓缸作動力元件，避免了出現液壓油泄露的情況。整個外骨骼結構設計簡潔，整體框架結構采用比較常用的鋁合金材料。鋁合金為高強度合金材料，擁有可以熱處理、抗剝落腐蝕和抗應力腐蝕斷裂等特性。其力學性能良好。其負重主要集中在腰部和大腿桿。在各關節處通過高副低代轉化關節球副，并設計墊圈緩沖沖擊。

2.2 確定機器人尺寸

下肢康復機器人在使用時要穿戴在使用者的身上，需要著重考慮到人機交互的設計。所以為了提高機器人的穿戴舒適性，在設計機器人的腿部尺寸時要與人體下肢尺寸相匹配，以人體下肢的主要尺寸信息為基礎和參考依據。由國家技術監督局于發布的《中國成年人人體尺寸（GB/T10000-1988）》標準得到我國18～60 歲的成年男女下肢的主要參數，見表1。

表1 18～60 歲男/女主要肢體尺寸（mm）

由表1 可知男女肢體的尺寸的分布情況，去除下肢尺寸特殊人群，選取下肢尺寸占比10%～90%的人群作為主要的參考對象，可以得到該范圍內男性人群身高1604 ～ 1750 mm，女性人群身高1503 ～ 1640 mm；男性大腿長度436 ～ 496 mm，女性大腿長度410 ～467 mm；男性小腿長度334 ～ 396 mm，女性小腿長度319 ～ 370 mm。綜合考慮男性和女性的下肢尺寸參數，選取男性和女性下肢尺寸范圍中的最大值與最小值作為下肢康復機器人的下肢極限尺寸的參考值。由此，初步得到機器人大腿桿的長度調節范圍410 ～ 500 mm，小腿桿的長度調節范圍320 ～ 400 mm[6]。

2.3 零件的三維模型

裝配體是由數個零件構成的，而零件是由各種特征構成的，特征是組成零件的重要部分[7]。只有在輸入各個特征命令后才能生成符合要求的零件模型。

髖關節外展內/收運動件如圖3 所示。此零件既能實現髖關節的外展/內收，又是連接腰部和髖關節及以下部分的連接體，按普通成人的身高計算，外展內收運動件的長度約為132 mm。其前端開有光孔用于實現髖關節的旋內/旋外運動。

圖3 髖關節外展/內收運動件

腰板的作用是將外骨骼的左腿和右腿連接起來，同時背部承物架也固連在腰板上。單個腰板的長度為147 mm，上面開有等距離的7 個通孔，便于隨時調節連接長度（圖4、圖5）。

圖4 腰板

圖5 腰板

腿桿的作用是將髖關節和膝關節、膝關節和踝關節等關節連接起來，桿上開有6 個等間距的通孔，便于根據使用情況調節機械腿的長度。腿桿的長度為280 mm，寬度為30 mm，高度為21 mm，以確保滿足強度要求，如圖6 所示。

圖6 腿桿

安置于踝關節上的彈簧架，其安裝形式為中間方形孔套于踝關節連接架上，通過兩個并排螺栓與之緊固。彈簧架兩側也開有方孔，目的是便于懸掛拉伸彈簧。彈簧架整體的長度為118 mm，寬度為26 mm，高度為14 mm，如圖7 所示。

圖7 彈簧架

2.4 下肢外骨骼裝配

此模型共有10 個自由度，單下肢各5 個，其中髖關節有收展、屈伸和旋轉運動3 個自由度，膝關節有屈伸運動1 個自由度，踝關節有屈伸運動1 個自由度。背部腰帶將背部承物架和下肢機構連一起，大腿桿將膝關節和髖關節連接一起，小腿桿將膝關節和踝關節連一起，驅動系統安放在腿桿上。連接件均用鉸制孔螺栓連接，連接牢固，可靠。

2.5 各個關節設計

（1）髖關節設計。在外骨骼設計時將髖關節設計為3 個自由度，即屈/伸、旋外/旋內、外展/內收。其中屈/伸為主動自由度，其余為被動自由度。屈伸運動為主要運動，采用了圓錐滾子軸承連接；內收/外展自由度設計在腰部，該機構不受驅動，只跟隨身體運動變換狀態；實現旋內/旋外運動的機構放置在主動自由度上方，該運動繞腿桿中心線轉動，實現了整個腿部的旋轉運動。

髖關節包括：腰帶連接件、內收/外展運動件、旋內/旋外運動件、髖關節關節軸、圓錐滾子軸承、大腿桿、屈/伸運動件、調整墊片、軸承蓋。

（2）膝關節設計。在外骨骼膝關節設計中，僅設置一個與人體膝關節屈/伸自由度同軸的旋轉自由度來實現外骨骼膝關節的屈/伸運動。膝關節包括大腿桿連接件、關節軸、軸承、屈/伸運動件、墊片、軸承蓋、小腿桿。旋轉運動副中使用圓錐滾子軸承，同樣為減少振動和噪聲。

（3）踝關節設計。考慮到腳踝外側空間位置與腳踝的連接，盡量使設計緊湊、貼近人體，從而減少偏差。踝關節不參與下肢行走的主運動，因此在此處沒有添加驅動。如果行走過快，則會出現重心不穩，因此在兩側添加了拉伸彈簧，有效保證了行走時的穩定。

踝關節包括：固定彈簧的彈簧上架、小腿桿連接件、踝關節關節軸、深溝球軸承、屈/伸運動件、調整墊片、軸承蓋、拉伸彈簧、腳板連接件、腳板。

彈簧上架通過兩個平行螺栓和小腿桿連接；小腿桿連接件和屈/伸運動件用關節軸連接；腳板連接件和腳板用螺栓連接；在彈簧上架和腳板連接件上開有通孔，用圓柱銷將兩個拉伸彈簧分別掛住，同時在小推桿連接件上加工出限位凸臺裝置，防止拉伸彈簧出現壓縮情況。

（4）限位裝置設計。在人體結構中，每個關節運動幅度在一定角度內。為了保證患者下肢安全避免由于機器產生二次傷害，設置各關節的機械限位裝置。使之不能由于控制系統失控運動到設定范圍之外。

膝關節的關節限位裝置，限位裝置和屈伸運動件結合在一起，減少了機構的復雜程度，如圖8 所示。屈/伸運動件上加工有一定角度的凸緣輪，在腿桿連接件上加工出相對應的凹圓輪，即屈/伸運動件的運動范圍為0° ～ 60°。外骨骼中膝關節的設計和髖關節的設計幾乎一致，只是運動的極限位置不同，這樣減少了關節在加工制造過程中的復雜度。另外，外骨骼的控制策略為“人主機輔”控制，即主動控制，因此在其他輔助關節處不設限位裝置，靠人體本身調節處理。

（5）腿桿設計。穿戴者人體胖瘦、高度存在差異，為了使外骨骼有更好的結構兼容性，將大腿桿、小腿桿和腰部設計成尺寸可調節結構。

經過大量采樣并統計發現，人體各部位尺寸都在一個范圍內。如果人體身高為H，則踝關節到地面尺寸0.039H，膝關節到地面尺寸0.285H，髖關節到地面尺寸0.53H，人體兩條大腿之間的距離為0.191H。結構的最大可調范圍設定為250 mm，腰部寬度可調范圍為42 mm。本設計中腿桿結構通過調整腿桿的連接點來調整的長度，即大小腿的長度。上下腿桿用鉸制孔螺栓連接，鉸制孔螺栓主要承受橫向載荷，連接牢固，穩定可靠。如圖9 和圖10 所示。

圖9 腿部可調節連桿

圖10 腰部可調節連桿

（6）背部承物架設計。動力源電池和控制系統設計在背部背架上，背架上還設有一個負重平臺。如圖11 所示。

圖11 背架結構圖

背架通過兩邊的連接件與腰帶用螺栓件相連，上面通過軟繩與人體肩部相連，將負重通過腿桿傳遞到地面，盡量減小對人體的彎矩。背架上用于放置電池和控制組件，以避免核心器件與外部負重直接接觸造成損壞。考慮到舒適性和減緩沖擊，在穿戴者與腰部直接接觸的支架板面粘接有柔軟結實的棉墊護具。針對不同使用人群，腰部也設計成可調節結構，由于此背架無調節裝置和限位裝置，因此連接為過盈連接，防止出現橫向滑移。此背部承物架的尺寸為長161 mm，寬220 m，高207 mm，要求能夠承受25 kg 的負重。

2.6 外骨骼三維模型

在solidworks 三維建模軟件中將設計的各零件按照裝配圖進行裝配（圖12、圖13），并且加入所用到的各類標準件。

圖12 外骨骼三維圖正面

圖13 外骨骼三維圖側面

3 結語

根據下肢外骨骼機器人的國內外發展現狀，基于擬人化的思想和人體生物學理論研究，從人體下肢運動機理分析、外骨骼機構設計和建模、驅動系統的選型以及關鍵零部件的設計等開展了研究工作。下肢康復機器人其優點突出在于使用時要穿戴在使用者的身上，通過深度學習來做到輔助殘患人士行走。然而外骨骼結構還需要很多優化設計，主要包括：如何將一些質量較輕同時又具有一定強度的新型材料（如鎂合金材料）應用到外骨骼中，以進一步控制外骨骼的重量和尺寸；對于人機連接而言，在保證穿戴精度要求的前提下，如何分析設計更加合理的柔性人機約束是一個值得研究的問題；對旋轉關節結構如髖關節、膝關節等進行進一步的優化，在保證完整的下肢自由度運動的前提下減輕復雜程度，使其穩定性和快速性得以提高。