仿生運動康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計
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摘要：為人體提供運動康復(fù)輔助與訓(xùn)練功能，設(shè)計了張合型下肢仿生運動康復(fù)機(jī)器人，通過前后輪之間的差速，實現(xiàn)機(jī)器人鞍座運動軌跡可按照對標(biāo)健康人體運動過程中髖關(guān)節(jié)運動軌跡運動，并且機(jī)械結(jié)構(gòu)可從站姿張合狀態(tài)調(diào)整為坐姿輪椅狀態(tài)。分析了機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)平衡條件并做有限元分析，以桿件壁厚值為變量，所選材料最大許用應(yīng)力、最大位移為邊界條件，最小質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，得到了一款輕量化的張合型仿生運動康復(fù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞：生物醫(yī)學(xué)工程；機(jī)器人設(shè)計；仿生運動；結(jié)構(gòu)優(yōu)化
0引言
近年來，我國人口老齡化趨勢日益加快[1]，日漸龐大的老年人群中，站起和行走能力降低或缺失給其晚年生活帶來極大不便。因此助行、助殘、助老等方面的需求助推了當(dāng)前康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人行業(yè)的蓬勃發(fā)展。目前已有大量關(guān)于下肢站起運動輔助[2]、步態(tài)行走輔助[3]的理論與應(yīng)用研究。文獻(xiàn)[4]給出了一種基于腳踏板的坐式下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)，采用直線電機(jī)與滾珠絲杠作為動力與傳動，患者在坐姿狀態(tài)下，通過驅(qū)動腳部運動，進(jìn)而向上帶動小腿與大腿協(xié)同運動，實現(xiàn)下肢運動功能理療康復(fù)。該設(shè)計原理簡單，但執(zhí)行機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜且涉及耦合問題，不適合家庭化應(yīng)用。文獻(xiàn)[5]給出了一種用于中風(fēng)后病人步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人，包括全方位水平移動平臺、直線電機(jī)、六維力傳感器等主要部分，其中水平移動平臺保證患者原地步態(tài)行走，直線電機(jī)在豎直方向支撐患者體重，六維力傳感器用于測量人機(jī)交互力。該機(jī)器人通過對患者提供減重式踏步行走實現(xiàn)步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練，但僅適用于康復(fù)后期的患者，無法應(yīng)用于康復(fù)運動全過程。文獻(xiàn)[6]提出了一種穿戴式步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，包含兩個人機(jī)交互模塊，可為患者髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)提供屈伸運動輔助，同時可根據(jù)使用對象身體尺寸調(diào)整機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高了設(shè)備的適用性，但僅可驅(qū)動輔助髖關(guān)節(jié)在身體矢狀面內(nèi)屈曲運動，限制了髖關(guān)節(jié)的其他自由度，仿生性差。文獻(xiàn)[7]提出了一種可實現(xiàn)臥、坐、站多位姿的康復(fù)機(jī)器人，主要由支撐結(jié)構(gòu)、運動平臺、踏車訓(xùn)練器等組成，在輔助患者運動的同時，可通過測量人體相應(yīng)部位肌電信號，評價患者的康復(fù)情況，但該設(shè)備體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合家庭化應(yīng)用。
本文給出一種張合型運動仿生康復(fù)機(jī)器人，基于健康人體站起過程中髖關(guān)節(jié)的仿生運動軌跡，進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)周期性張合運動，使鞍座運動軌跡與人體髖關(guān)節(jié)運動軌跡充分?jǐn)M合，同時鞍座為患者提供減重支撐助力，使患者在使用過程中實現(xiàn)減重式仿生步態(tài)運動。并且，機(jī)械結(jié)構(gòu)可從站姿張合狀態(tài)調(diào)整為坐姿輪椅狀態(tài)。通過對結(jié)構(gòu)的有限元分析與優(yōu)化，得到一款可輔助患者坐、站、行等多模式的運動輔助、訓(xùn)練休憩機(jī)器人。
1仿生人體運動數(shù)據(jù)獲取與處理
設(shè)計張合機(jī)器人，應(yīng)具備輔助患者站起、步行兩種運動輔助功能，可使患者按照對標(biāo)健康人體運動狀態(tài)實現(xiàn)康復(fù)運動訓(xùn)練與助行功能。在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計前，需要對人體站起及行走過程中關(guān)節(jié)運動學(xué)原理進(jìn)行分析。
1.1站起過程運動學(xué)分析
首先，基于人體運動學(xué)特征，對人體肢段進(jìn)行簡化建模，在矢狀面內(nèi)建立人體2肢段模型。以踝關(guān)節(jié)為坐標(biāo)原點建立平面坐標(biāo)系，縱坐標(biāo)向上，通過人體穩(wěn)定站姿時的髖關(guān)節(jié)點，橫坐標(biāo)與水平面平行，則任意時刻髖關(guān)節(jié)點坐標(biāo)（1）考慮使用者身高差異，查閱中國人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)中18-60歲成年男性和18-55歲成年女性人體數(shù)據(jù)，分別取4組不同身高下男女身體標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1，將8組數(shù)據(jù)分別代入髖關(guān)節(jié)軌跡表達(dá)式通過軟件進(jìn)行計算、擬合，得到站起過程中8條不同身高下的標(biāo)準(zhǔn)髖關(guān)節(jié)運動軌跡。身高為1.814m的成年男性（P1）與身高為1.503m的成年女性（P5）的站起軌跡，局部對比差異最大，但軌跡整體變化趨勢相同，且最大位移差不超過25%。同時也發(fā)現(xiàn)，相同身高下男性的髖關(guān)節(jié)運動軌跡曲線略低于女性。將站起過程中8條不同身高下的標(biāo)準(zhǔn)髖關(guān)節(jié)運動軌跡做歸一化處理并給出中值曲線，得出普遍意義上的人體站起過程中髖關(guān)節(jié)點的歸一化軌跡，。將歸一化標(biāo)準(zhǔn)軌跡曲線做線性化擬合分別得到1、2、3、4次函數(shù)曲線。
1.2行走過程髖關(guān)節(jié)運動數(shù)據(jù)分析
與處理要基于仿生人體運動學(xué)做助行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計，需對健康人體行走過程中髖關(guān)節(jié)運動軌跡進(jìn)行重點研究。根據(jù)預(yù)期使用需求，設(shè)定機(jī)器人助行的步態(tài)速度為1m/s，采樣周期為60Hz。取站立姿態(tài)下髖關(guān)節(jié)點在地面投影點為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系，橫坐標(biāo)表示前進(jìn)距離，縱坐標(biāo)表示髖關(guān)節(jié)點距地面高度，根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，得到不同對象的髖關(guān)節(jié)步態(tài)行進(jìn)過程中的運動軌跡。分析方法同前節(jié)，得到中值軌跡中髖關(guān)節(jié)點最高時為0.908m，最低時為0.874m。
2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計
為輔助患者按照對標(biāo)健康人體站起與行走狀態(tài)進(jìn)行運動，設(shè)計一種張合仿生行走機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)功能：1、以人體站起過程中，髖關(guān)節(jié)軌跡為參照，輔助人體站起運動；2、以人體行走過程中髖關(guān)節(jié)運動軌跡為參照，使人體在步態(tài)行走過程中，通過對骨盆的助力實現(xiàn)健康行走運動；3、具備在行走疲勞期可適時休憩功能。所設(shè)計的張合型下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人中各桿件設(shè)計尺寸。機(jī)械結(jié)構(gòu)給出組成機(jī)器人結(jié)構(gòu)的主要零部件，其中包括推手、軸控箱、前撐桿軸固件、一號螺栓、后撐桿上臂、前撐桿、調(diào)姿電機(jī)、限位撐桿、后撐桿下臂、支撐輪、護(hù)帶、鞍座、扶手、步態(tài)撥桿、腳踏板、三個驅(qū)動輪。整體機(jī)器人結(jié)構(gòu)通過底部三個驅(qū)動輪實現(xiàn)移動，前面兩個驅(qū)動輪可同速轉(zhuǎn)動，通過與后面驅(qū)動輪之前的差速，實現(xiàn)輔助機(jī)器人前撐桿和后撐桿上臂在矢狀面內(nèi)的張合運動，進(jìn)而帶動軸控箱在向前行進(jìn)的同時，也可以實現(xiàn)周期性的上下移動，從而使鞍座上下往復(fù)運動和設(shè)備向前的助行運動，實現(xiàn)按照對標(biāo)健康人體步態(tài)過程中髖關(guān)節(jié)的空間曲線運動狀態(tài)，為下肢功能障礙患者提供科學(xué)的康復(fù)運動訓(xùn)練和行走運動輔助與保護(hù)；利用左右兩個對稱分布的曲軸軸徑運動實現(xiàn)左右兩個步態(tài)撥桿的周期性前后交錯擺動。
患者可以根據(jù)自身康復(fù)狀態(tài)，選取匹配強(qiáng)度的訓(xùn)練模式，提高訓(xùn)練效果。在設(shè)備處于輔助行走使用狀態(tài)時，如果使用者突然發(fā)生意外失衡跌倒，慣性阻尼裝置緊急自鎖設(shè)備的運動自由度，保護(hù)患者不受二次傷害。調(diào)姿電機(jī)可改變前后驅(qū)動輪之間的靜態(tài)距離，進(jìn)而降低鞍座的高度，滿足設(shè)備的功能切換，使機(jī)器人由行走模式轉(zhuǎn)化為坐姿模式，當(dāng)獲得限位撐桿的反饋信號后自動停機(jī)并限位，機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整為輪椅功能，在三個驅(qū)動輪同速工作狀態(tài)下可作為電動輪椅移動使用，斷電狀態(tài)下可轉(zhuǎn)換成手動推行輪椅模式。
3機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析與優(yōu)化
張合機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計完成，在人體矢狀面內(nèi)的結(jié)構(gòu)簡化圖。在使用過程中，人體作為機(jī)械結(jié)構(gòu)外載荷，在人機(jī)交互過程中可能使機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)，為增加使用過程中的安全系數(shù)，對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜、動態(tài)穩(wěn)定性分析，即坐姿輪椅功能狀態(tài)下防止側(cè)傾的靜態(tài)穩(wěn)定性分析和行走狀態(tài)下步態(tài)輔助動態(tài)機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定分析。
3.1前傾倒時的動態(tài)穩(wěn)定性驗證
在水平方向，假定在勻速平穩(wěn)的輔助行走過程中，使用者由于病理原因?qū)е律眢w在前進(jìn)方向上前后傾倒失衡，則在瞬時的人機(jī)交互作用過程中，機(jī)械結(jié)構(gòu)與人體的交互接觸部位P點受到一定的沖擊載荷而獲得瞬時加速度，機(jī)械結(jié)構(gòu)頂部所示，在行進(jìn)的水平方向加載慣性力F慣性力，各部分桿件重力及相應(yīng)的構(gòu)件角度及尺寸參照圖中標(biāo)示，對其進(jìn)行前傾與后傾的動態(tài)穩(wěn)定性分析。仍然以標(biāo)準(zhǔn)人體運動數(shù)據(jù)為參考確定最大慣性力F慣性力，預(yù)設(shè)人體發(fā)生傾倒時間t為0.2s，人機(jī)交互點P處在人體上可檢測的傾倒均值加速度為a，張合機(jī)器人輔助點到人體足底的高度為h慣性力，體重為m，人機(jī)交互點P處機(jī)械結(jié)構(gòu)的前進(jìn)方向水平位移為Px（t）則：()xxF=mamPt慣性力（5），人體發(fā)生前傾失衡時人機(jī)交互力F慣性力-Fr向前，以前輪中心為矩心列機(jī)械結(jié)構(gòu)動態(tài)平衡的約束，考慮人體在向前行進(jìn)過程中瞬間完全喪失自體平衡支持能力的極端狀況，并伴隨前向傾倒，人體總重量則瞬間全部施加于鞍座上，此時，軸控箱內(nèi)的阻尼塊瞬間提供阻尼力，用于防止機(jī)械機(jī)構(gòu)在豎直方向由于體重的沖擊載荷而產(chǎn)生張角突變，。
3.2后傾倒時的動態(tài)穩(wěn)定性驗證
按照康復(fù)醫(yī)學(xué)臨床經(jīng)驗數(shù)據(jù)，患者向后傾倒?fàn)顩r較少并且身體質(zhì)心后傾運動速度及加速度均較小，即F慣性力_Be遠(yuǎn)小于F慣性力_Fr，且機(jī)械結(jié)構(gòu)中MFr遠(yuǎn)大于MBe，則當(dāng)前傾平衡方程滿足條件時，足以滿足后傾動態(tài)平衡條件。
3.3側(cè)傾倒時的動態(tài)穩(wěn)定性驗證
由于機(jī)械結(jié)構(gòu)在正視圖內(nèi)是左右對稱的，因此僅選擇單側(cè)傾倒來進(jìn)行穩(wěn)定性分析。選取F慣性力_x的方向向右，以右前輪為矩心列動態(tài)平衡的約束
3.4坐姿時的靜態(tài)穩(wěn)定性驗證
當(dāng)張合機(jī)器人要使用坐姿狀態(tài)時，通過后桿處的調(diào)姿電機(jī)，帶動整個機(jī)械機(jī)構(gòu)下放，整體結(jié)構(gòu)的重心也將向下向后轉(zhuǎn)移，最終達(dá)到坐姿的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，執(zhí)行輪椅的使用功能，此時主要考慮靜態(tài)機(jī)械結(jié)構(gòu)下的后傾失穩(wěn)邊界條件，如圖7中給出的機(jī)械結(jié)構(gòu)側(cè)視簡圖和俯視簡圖，當(dāng)人體坐姿時鞍座受力點P，通過所設(shè)計的機(jī)械結(jié)構(gòu)各桿件尺寸比例關(guān)系，人體坐姿時重心投影恒在三輪覆蓋的水平面內(nèi)，則恒滿足靜態(tài)平衡的ZMP原理，系統(tǒng)穩(wěn)定。
4張合行走及站-坐姿轉(zhuǎn)換時電機(jī)選型
基于結(jié)構(gòu)的尺寸，進(jìn)一步確定前后輪的具體運動速度。點P的實時運動曲線為P(t)，與人體尾椎骨點的運動狀態(tài)有關(guān)，設(shè)計為鞍座的運動軌跡，并且在穩(wěn)定步態(tài)行走過程中，即為張合機(jī)器人前后撐桿的交合點位置O的運動軌跡,即：vP=vO。
4.1行走過程前后輪轉(zhuǎn)速及差速分析
人機(jī)交互點P點的仿生運動學(xué)軌跡為張合機(jī)器人輔助行走功能下的運動學(xué)設(shè)計依據(jù)，設(shè)計實現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)中前后撐桿的張合運動功能。首先，確定步態(tài)運動過程中前后輪與點P的位置關(guān)系，以初始位置時點P在地面的投影點為原點o，建立平面坐標(biāo)系，前進(jìn)方向為x軸正方向,，如圖7所示。則可以確定前后輪簡化點A、B在側(cè)視圖中的坐標(biāo)（Ax，Ay）和（Bx，By），前后撐桿L1和L2末端A和B距離地面值A(chǔ)y和By為輪距設(shè)定為恒值0.04m，其橫坐標(biāo)為時變量，則A、B的坐標(biāo)可表示為（Ax(t)，0.04）和（Bx(t)，0.04）。同理，P點坐標(biāo)可相應(yīng)表示為（Px(t)，Py(t)）。記P點水平速度為vP_x；A點速度為vA；B點速度為vB。則可得到Ax(t)和Bx(t)的表達(dá)式：()()[()0.04]()()[()0.04]xxyxxyAtPtLPtBtPtLPt=−−−=+−−（10）最終得到AB兩點的差速Δv：()-()BAxxv=v−v=BtAt（11）得出差速曲線
4.2站-坐姿態(tài)轉(zhuǎn)換過程中調(diào)姿電機(jī)動力分析
在完成步態(tài)運動分析及輪速計算后，需要進(jìn)一步考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)由站姿轉(zhuǎn)換為坐姿時后撐桿調(diào)姿電機(jī)的動力計算問題。仍以人機(jī)交互點P點的仿生運動學(xué)軌跡為基礎(chǔ)，使機(jī)械結(jié)構(gòu)的運動應(yīng)盡量按照對標(biāo)健康人體的自然坐站運動軌跡下降。在調(diào)姿功能轉(zhuǎn)換過程中，首先將后輪轉(zhuǎn)動鎖死，再同時分別控制前輪位移和后撐桿中的調(diào)姿電機(jī)轉(zhuǎn)動角位移，調(diào)整后撐桿中上下桿L1_U和L1_D間的夾角，以及前后撐桿之間的夾角，完成姿態(tài)功能的機(jī)械結(jié)構(gòu)變換。此動態(tài)過程中，設(shè)計要求P點運動軌跡與人體由站到坐過程中的仿生學(xué)運動軌跡保持一致[8]。在轉(zhuǎn)換過程中，AB間距LAB、L1_U和L1_D間的夾角θL同P點坐標(biāo)的關(guān)系其中L3為人體站姿時，前后驅(qū)動輪軸心矢狀面內(nèi)的距離，即LAB的初始值。進(jìn)一步分別得到AB間距、L1_U和L1_D間的夾角θL同站-坐進(jìn)程的關(guān)系曲線，如圖9所示。其中，L1_U和L1_D間的夾角θL隨站-坐進(jìn)程的變化曲線近似為一條直線（圖9綠色曲線），線性擬合后可由直線表示，表達(dá)式如下式：y=-0.72403x+138.23（13）即控制θL變化的調(diào)姿電機(jī)為勻速轉(zhuǎn)動，從而前輪B處電機(jī)為從動轉(zhuǎn)動，配合完成P點運動軌跡按照圖2中歸一化的仿生擬合軌跡運動，二者的對比結(jié)果，相關(guān)系數(shù)大于0.96，充分滿足了做-站運動過程，機(jī)械結(jié)構(gòu)的P點運動軌跡實現(xiàn)仿生運動的設(shè)計目標(biāo)。
5結(jié)構(gòu)有限元分析
確定機(jī)械結(jié)構(gòu)各部分尺寸后，需要對其進(jìn)行靜力學(xué)分析與尺優(yōu)化。首先對結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的簡化，如推手去掉，擬定機(jī)械結(jié)構(gòu)整體采用45#鋼管材加工，設(shè)計機(jī)械結(jié)構(gòu)可額定承載的使用對象體重98kg。將簡化后的機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)入Hyperworks軟件中，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分、加載分析。結(jié)構(gòu)所用45#鋼材料屬性如下：彈性模量210GPa，材料密度7850kg/m3，泊松比為0.3，許用應(yīng)力為355MPa，取安全系數(shù)為1.1，則設(shè)計許用應(yīng)力為322.7MPa。此外，設(shè)計機(jī)械結(jié)構(gòu)最大安全位移尺寸小于10mm。機(jī)械結(jié)構(gòu)在輪椅狀態(tài)時，人體全部體重均加載于結(jié)構(gòu)上，則此狀態(tài)為載荷力最大狀態(tài)，施力方式模擬實際工況，在鞍座部位施加共計為980N豎直向下均布力。圖11為結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析結(jié)果，最大許用應(yīng)力296.8MPa，最大位移為3.15mm，滿足設(shè)計要求。此時結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量為24.81kg。完成結(jié)構(gòu)在初始尺寸條件下的有限元分析后，進(jìn)一步考慮在滿足機(jī)械結(jié)構(gòu)安全性的前提下，結(jié)構(gòu)質(zhì)量是否有降低的可能性，擬利用有限元軟件建立迭代優(yōu)化過程[8]，在此過程中，以管件壁厚值為自變量，最大應(yīng)力與最大位移為約束條件，最小質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)。M為機(jī)械結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量；mi機(jī)械結(jié)構(gòu)中每一個構(gòu)件的質(zhì)量；f為xi為變量的質(zhì)量函數(shù)；xi為單個構(gòu)件的壁厚；σmax機(jī)械結(jié)構(gòu)中最大許用應(yīng)力；dmax機(jī)械結(jié)構(gòu)的最大位移。經(jīng)過4次迭代后，實現(xiàn)了機(jī)械機(jī)構(gòu)輕量化的目標(biāo)，機(jī)械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量明顯降低，最終質(zhì)量為17.30kg，整體質(zhì)量降低30.27%，其質(zhì)量變化柱狀圖。將此質(zhì)量下各件的壁厚值賦予各桿件，進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖13所示，最大應(yīng)力為321.1MPa，最大位移為4.25mm，滿足設(shè)計條件，同時實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)輕量化目標(biāo)。迭代優(yōu)化值僅為理論參考值，為機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工提供參考，應(yīng)綜合考慮加工實際情況，合理運用。
6結(jié)束語
本文給出了一種張合型下肢康復(fù)機(jī)器人，在輔助行走過程中，基于對標(biāo)健康人行走過程中髖關(guān)節(jié)運動軌跡，通過前輪與后輪差速前行，使得鞍座的空間運動軌跡與人體髖關(guān)節(jié)運動軌跡吻合，為患者提供仿生步態(tài)行走助力。在下坐過程中，按照對標(biāo)健康人站、坐過程中髖關(guān)節(jié)軌跡，機(jī)械結(jié)構(gòu)后輪鎖死，前輪與調(diào)姿電機(jī)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)鞍座位置與髖關(guān)節(jié)站起運動軌跡的吻合，實現(xiàn)仿生站起運動輔助，可實現(xiàn)輔助站起、輔助行走和輪椅功能。借助有限元分析方法驗證了機(jī)械結(jié)構(gòu)的安全性，并進(jìn)行尺寸優(yōu)化，實現(xiàn)了輕量化目標(biāo)。最終得到的張合機(jī)器人滿足設(shè)計要求，實現(xiàn)了預(yù)期使用功能。
參考文獻(xiàn)：
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作者：劉 坤 駱星吉 吉碩 孫震源 徐洪偉 劉勇 單位：吉林大學(xué) 機(jī)械與航空航天工程學(xué)院