下肢外骨骼機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析

摘" 要：為解決因腦卒中、偏癱等疾病引起的下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙，設(shè)計(jì)并研發(fā)一款具有下肢外骨骼機(jī)構(gòu)、動(dòng)態(tài)減重機(jī)構(gòu)、跑臺(tái)于一體的跑臺(tái)式下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人，輔助下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙患者進(jìn)行步態(tài)訓(xùn)練，恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能。基于有限元（Abaqus）的方法分析人體步態(tài)極限位置外骨骼機(jī)構(gòu)的受力情況，并進(jìn)行靜力學(xué)分析，觀察其不同狀態(tài)下所受的應(yīng)力、應(yīng)變情況，根據(jù)所選材料和結(jié)構(gòu)分析其結(jié)果。結(jié)果表明，外骨骼機(jī)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)的安全性和合理性。

關(guān)鍵詞：下肢康復(fù)；外骨骼機(jī)構(gòu)；有限元分析；結(jié)構(gòu)剛度；機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TP242" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）28-00４0-0４

Abstract： In order to solve the lower limb motor dysfunction caused by stroke， hemiplegia and other diseases， the design and development of a lower limb exoskeleton with a lower limb exoskeleton mechanism， dynamic weight reduction mechanism， running platform in one of the running table lower limb exoskeleton rehabilitation robot， to assist patients with lower limb motor dysfunction for gait training， recovery of motor function. Based on the finite element method （Abaqus）， the stress of the human gait limit position exoskeleton mechanism was analyzed， and the statics analysis was carried out to observe the stress and strain under different states， and the results were analyzed according to the selected materials and structures. The results show that the strength and stiffness of the exoskeleton mechanism satisfy the safety and rationality of the design.

Keywords： lower limb rehabilitation; exoskeleton mechanism; finite element analysis; structural stiffness; robot

隨著人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的發(fā)展，下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人在傳感器、控制算法、機(jī)械設(shè)計(jì)等方面技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得機(jī)器人能夠更加準(zhǔn)確地感知用戶的運(yùn)動(dòng)意圖和身體狀況，并能夠根據(jù)用戶的需求進(jìn)行個(gè)性化康復(fù)訓(xùn)練。下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人不僅應(yīng)用于肢體功能障礙康復(fù)訓(xùn)練，還被廣泛用于老年人運(yùn)動(dòng)康復(fù)、運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練、軍事助行等方面。國(guó)內(nèi)外的醫(yī)療機(jī)器人企業(yè)在下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域投入了大量的研發(fā)資金和技術(shù)力量，推出了多款新產(chǎn)品，如國(guó)產(chǎn)的“足底壓力云圖機(jī)器人”“Flexbot[1]”“AiLegs[2]”等，以及國(guó)外的“ReWalk[3]”“HAL[4]”“LOPES”等，這些產(chǎn)品在機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制算法、人機(jī)交互等方面都有不同程度的創(chuàng)新和優(yōu)勢(shì)。

本文所設(shè)計(jì)的跑臺(tái)式下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人主要是針對(duì)下肢肌肉骨骼系統(tǒng)受損或功能障礙的患者，例如中風(fēng)、脊髓損傷、腦損傷和多發(fā)性硬化等疾病所引起的下肢肌肉萎縮、運(yùn)動(dòng)障礙、肌肉功能失調(diào)等問題。通過提供可控的康復(fù)訓(xùn)練，幫助患者恢復(fù)下肢的運(yùn)動(dòng)能力和肌肉力量，提高生活自理能力和社會(huì)參與度[5]。

1" 外骨骼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求電機(jī)及部件選型后，通過SolidWroks三維繪圖軟件對(duì)下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。機(jī)器人包含外骨骼機(jī)構(gòu)、減重機(jī)構(gòu)和跑臺(tái)3個(gè)機(jī)構(gòu)，減重機(jī)構(gòu)使患者的雙腿減輕負(fù)擔(dān)，輔助患者站立，使其能夠獨(dú)自站立；外骨骼機(jī)構(gòu)通過機(jī)械機(jī)構(gòu)對(duì)下肢進(jìn)行力學(xué)干預(yù)，通過正常人的步態(tài)帶動(dòng)患者進(jìn)行行走訓(xùn)練；跑臺(tái)為患者提供一個(gè)真實(shí)的觸地行走體驗(yàn)。

下肢外骨骼單腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。外骨骼由髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)部件、大腿部件、大腿綁腿部件、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)部件、小腿部件、小腿綁腿部件及彈簧綁腿組成。髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)部件通過連接板與大腿部件相連接，大腿部件具有一定的長(zhǎng)度調(diào)節(jié)范圍，膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)部件連接大腿部件和小腿部件，通過大腿綁腿部件和小腿綁腿部件將外骨骼穿戴在人體身上，彈簧綁腿穿戴于人體足尖，通過彈簧的拉力給足尖一個(gè)向上的力，防止患者在訓(xùn)練過程中因下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙造成的腳尖觸地拖行。因人體行走時(shí)主要與髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的伸展/彎曲有關(guān)，同時(shí)康復(fù)機(jī)器人因有外骨骼平衡機(jī)構(gòu)，所以外骨骼只有2個(gè)自由度。

2" 基于Abaqus的外骨骼機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析

下肢外骨骼機(jī)構(gòu)被患者雙腿穿戴于表面，與患者直接接觸，其結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。通過有限元方法，分析步態(tài)運(yùn)動(dòng)過程中外骨骼處于極限位置的受力對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的影響，預(yù)測(cè)其在實(shí)際使用中的性能和安全性能，從而提高設(shè)計(jì)的可靠性和優(yōu)化結(jié)構(gòu)的性能。如果機(jī)器人存在安全隱患，不僅可能對(duì)患者造成二次傷害，還會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人故障，降低機(jī)器人的可靠性，影響康復(fù)效果。

外骨骼機(jī)構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)多為板狀結(jié)構(gòu)，且具有一定的厚度，所以選用四面體單元進(jìn)行有限元建模。實(shí)體四面體單元適用于各種形狀的結(jié)構(gòu)，可以模擬三維空間內(nèi)的任何形狀，同時(shí)四面體單元具有很好的數(shù)學(xué)穩(wěn)定性，即使在非常大的變形下，也不容易產(chǎn)生計(jì)算誤差，具有較高的計(jì)算精度。通過外骨骼模型的簡(jiǎn)化后，其由2種材料構(gòu)成，外骨骼主體由7系鋁合金7075構(gòu)成，其外骨骼護(hù)腿部位由304不銹鋼組成，其材料屬性參數(shù)見表1。

根據(jù)本文所設(shè)計(jì)的跑臺(tái)式下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人，其具備外骨骼平衡模塊，可以承擔(dān)外骨骼機(jī)構(gòu)的重力，外骨骼穿戴在患者身上時(shí)使患者不必承擔(dān)外骨骼重量。人體下肢髖關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過程中，不僅存在屈曲/伸展運(yùn)動(dòng)，還存在外展/內(nèi)收和內(nèi)旋/外旋運(yùn)動(dòng)，所以外骨骼帶動(dòng)患者進(jìn)行步態(tài)訓(xùn)練過程中，也會(huì)對(duì)外骨骼機(jī)構(gòu)橫向的剛度、強(qiáng)度造成影響，則分析外骨骼機(jī)構(gòu)的橫向剛度和強(qiáng)度也顯得尤為重要。根據(jù)國(guó)家二類醫(yī)療器械安全性檢測(cè)流程要求，外骨骼末端在收到20 kg橫向力的情況下，變形不超過10 mm，及達(dá)到安全標(biāo)注。所以為了分析外骨骼橫向受力的安全性，使用有限元方法進(jìn)行仿真，在距離末端5 cm的地方加載橫向196 N的負(fù)載。

人體在步態(tài)運(yùn)動(dòng)中會(huì)出現(xiàn)髖、膝關(guān)節(jié)屈曲/伸展運(yùn)動(dòng)極限位置，此時(shí)是外骨骼受力的極大值位置，分別位于進(jìn)入支撐相時(shí)和進(jìn)入擺動(dòng)相瞬間，其受力情況分別如圖2和圖3所示。根據(jù)外骨骼關(guān)節(jié)角度設(shè)計(jì)，要求外骨骼髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)范圍為-25～37°，膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度為-72～0°，所以外骨骼當(dāng)達(dá)到進(jìn)入支撐相極限位置時(shí)大腿桿與豎直方向角度為37°，大腿桿與小腿桿相對(duì)角度為0°，當(dāng)達(dá)到進(jìn)入擺動(dòng)相極限位置時(shí)，大腿桿與豎直方向角度為25°，大腿與小腿相對(duì)角度為72°。因?yàn)楸疚乃O(shè)計(jì)的患者的人體極限為100 kg，通過表2統(tǒng)計(jì)的我國(guó)男、女肢體占體重的比例情況可得出100 kg的人體，大腿質(zhì)量為11.15 kg，小腿質(zhì)量為10.70 kg。

由于外骨骼機(jī)構(gòu)通過在大腿桿和小腿桿處的綁腿部件與人體表面接觸，所以以護(hù)腿位置為受力點(diǎn)，分別求出大腿、小腿在護(hù)腿處的受力情況。

在進(jìn)入支撐相瞬間時(shí)大腿受到護(hù)腿的力F1的情況是

式中：m1為大腿質(zhì)量。

則小腿F2受到護(hù)腿的力為

在進(jìn)入擺動(dòng)相瞬間大腿受到護(hù)腿的力F1為

小腿受到護(hù)腿的力F2為

通過對(duì)外骨骼步態(tài)周期的分析，分別得出2個(gè)極限位置，根據(jù)受力分析求得外骨骼大、小腿護(hù)腿部位的受力情況，將2種極限位置的受力情況分別導(dǎo)入有限元模型中，進(jìn)行加載和約束，其結(jié)果如圖4和圖5所示。

3" 外骨骼機(jī)構(gòu)靜力學(xué)強(qiáng)度、剛度結(jié)果分析

外骨骼機(jī)構(gòu)主要由主體部分的鋁合金7075板和護(hù)腿部位的304不銹鋼構(gòu)成，因?yàn)殇X合金7075為塑性材料，所以分析其靜強(qiáng)度時(shí)，取安全系數(shù)[n]=1.5。通過式（5）可得其許用應(yīng)力為[σ]=349.33 MPa。

根據(jù)上文所提國(guó)家二類醫(yī)療器械安全性檢測(cè)流程要求，在康復(fù)機(jī)器人滿載情況下，其形變量需小于10 mm，則達(dá)到使用安全性，選用主體框架許用形變量[y]=10 mm。

3.1" 外骨骼機(jī)構(gòu)橫向受力強(qiáng)度、剛度分析

在外骨骼距離末端5 cm處加載100 N的力，其最大應(yīng)力出現(xiàn)于頂部固定點(diǎn)附近，此處連接外骨骼髖部寬都調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其最大應(yīng)力為253.54 MPa，小于其許用應(yīng)力[σ]=349.33 Mpa，能夠滿足其橫向強(qiáng)度的需要，具有抵抗患者步態(tài)訓(xùn)練中下肢外翻的能力，糾正其步態(tài)。

在此情況下其最大應(yīng)力形變出現(xiàn)在外骨骼末端，最大位移為7.29 mm小于許用形變量10 mm，則外骨骼在橫向手里的情況下，剛度也符合其安全性。綜上所述外骨骼在橫向受力情況下，能夠保證其剛度、強(qiáng)度的安全性，避免因橫向受力外骨骼斷裂的情況發(fā)生，避免患者二次受傷。

3.2" 外骨骼步態(tài)極限位置時(shí)強(qiáng)度、剛度分析

如圖6和圖7所示，分別是步態(tài)處于支撐期極限位置和擺動(dòng)期極限位置時(shí)，對(duì)護(hù)腿部件處施加最大載荷，所產(chǎn)生的應(yīng)力分布圖。處于支撐期極限位置時(shí)，其最大應(yīng)力出現(xiàn)于大腿桿長(zhǎng)度調(diào)節(jié)處，此處連接外骨骼髖、膝驅(qū)動(dòng)模塊，最大應(yīng)力為149.46 MPa。當(dāng)處于擺動(dòng)期極限位置時(shí)，最大應(yīng)力也出現(xiàn)在大腿長(zhǎng)度調(diào)節(jié)處，為96.27 MPa，其2種極限位置，皆小于許用應(yīng)力[σ]=349.33 Mpa，達(dá)到強(qiáng)度的安全性。

其2種狀態(tài)的位移分布圖如圖8與圖9所示，其形變最大處都處于大腿護(hù)腿處，其結(jié)構(gòu)由304不銹鋼組成，在支撐期極限位置時(shí)最大位移量為4.16 mm，擺動(dòng)期極限位置最大位移量為3.98 mm，均小于許用形變量10 mm。綜上所述，外骨骼機(jī)構(gòu)在步態(tài)周期訓(xùn)練過程中剛度、強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)的需求，同時(shí)還留有很大的富余量。

4" 結(jié)束語

本文通過有限元的方法分析了跑臺(tái)式下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人外骨骼機(jī)構(gòu)橫向受力與極限位置的剛度、強(qiáng)度的安全性。首先對(duì)康復(fù)機(jī)器人外骨骼機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，分析出其受力點(diǎn)與最大受力，并通過其受力對(duì)機(jī)構(gòu)的應(yīng)力與應(yīng)變的影響，分析出最大應(yīng)力與最大位移量，皆滿足其材料的許用應(yīng)力和許用形變，滿足康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)要求的安全性。

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