彈性外骨骼機(jī)器人髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)與分析*

裴 翔，朱見(jiàn)平，王昊旭

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310000；2.三聯(lián)集團(tuán) 上海申磐產(chǎn)業(yè)公司，上海 200120)

0 引 言

可穿戴外骨骼機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)極大地影響著整體穿戴的效果[1]。美國(guó)洛馬公司的HULC負(fù)重外骨骼機(jī)器人，采用液壓驅(qū)動(dòng)的三自由剛性髖關(guān)節(jié)[2-3]，并以此技術(shù)研發(fā)了下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人EKSO[4]；日本筑波大學(xué)也開(kāi)發(fā)出了世界上第一款全身式助力外骨骼機(jī)器人HAL-5[5]；以色列也開(kāi)發(fā)出了自己的下肢助行康復(fù)外骨骼機(jī)器人REWALK[6-7]；浙江大學(xué)基于HULC設(shè)計(jì)了一款液壓驅(qū)動(dòng)下肢外骨骼機(jī)器人[8]，其髖關(guān)節(jié)為剛性串聯(lián)三自由度設(shè)計(jì)，在穿戴時(shí)明顯對(duì)人體行走造成干擾；新西蘭的REX下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人更是在行走時(shí)，大腿無(wú)法完成外展，其在髖關(guān)節(jié)處僅設(shè)計(jì)了一個(gè)自由度；電子科技大學(xué)設(shè)計(jì)的外骨骼機(jī)器人在行走時(shí)人體無(wú)法自行轉(zhuǎn)向[9]。

在上述外骨骼機(jī)器人中，美國(guó)的HULC在實(shí)際使用時(shí)，其髖關(guān)節(jié)的剛性太強(qiáng)，在行走時(shí)影響到了人體大腿的外展與外旋；EKSO簡(jiǎn)化了HULC的設(shè)計(jì)，與REWALK一樣用于康復(fù)領(lǐng)域，在髖關(guān)節(jié)處僅設(shè)計(jì)了一個(gè)主動(dòng)自由度，在實(shí)際使用時(shí)會(huì)對(duì)人體正常的步態(tài)造成干擾；HAL-5是目前人體耦合性最好的，但其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精巧復(fù)雜、成本高昂。

在分析了各外骨骼的優(yōu)缺點(diǎn)后，本文將設(shè)計(jì)一款三自由度彈性外骨骼機(jī)器人髖關(guān)節(jié)，并使用MPU6050多軸加速度傳感器采集人體大腿在穿戴前后各方向上的運(yùn)動(dòng)角度，進(jìn)行對(duì)比以驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的可行性。

1 人體髖關(guān)節(jié)活動(dòng)分析

髖關(guān)節(jié)作為一種典型的球關(guān)節(jié)，其基本的運(yùn)動(dòng)為：矢狀面內(nèi)的屈/伸運(yùn)動(dòng)，其表現(xiàn)形式為人體的前進(jìn)與后退；額狀面內(nèi)的外展/內(nèi)收運(yùn)動(dòng)，以保持人體平衡；水平面內(nèi)的外旋/內(nèi)旋運(yùn)動(dòng)，其表現(xiàn)為人體的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。依據(jù)相關(guān)資料，得到的髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍如表1所示。

表1 人體髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍

外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要做到以下兩點(diǎn)：(1)為達(dá)到行走助力的設(shè)計(jì)要求，外骨骼機(jī)器人在矢狀面內(nèi)的屈/伸運(yùn)動(dòng)就應(yīng)設(shè)計(jì)為主動(dòng)自由度，即需要有外部的驅(qū)動(dòng)力來(lái)進(jìn)行助力；(2)髖關(guān)節(jié)為實(shí)現(xiàn)擬人化設(shè)計(jì)，應(yīng)設(shè)計(jì)為三個(gè)自由度。

結(jié)合對(duì)人體行走過(guò)程的分析，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)并不是主要的耗能運(yùn)動(dòng)，因此為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，將此兩個(gè)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)為被動(dòng)的自由度，不添加外部驅(qū)動(dòng)。

本次在設(shè)計(jì)的外骨骼機(jī)器人時(shí)，考慮到實(shí)際使用場(chǎng)景僅為平地行走助力，所以髖關(guān)節(jié)各方向上的運(yùn)動(dòng)范圍并不是與髖關(guān)節(jié)本身的運(yùn)動(dòng)范圍一致。本次設(shè)計(jì)的外骨骼機(jī)器人髖關(guān)節(jié)各方向的運(yùn)動(dòng)范圍如表2所示。

表2 本次設(shè)計(jì)的外骨骼機(jī)器人髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍

2 外骨骼機(jī)器人髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前的外骨骼機(jī)器人都采取擬人化設(shè)計(jì)，即關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)與人體的關(guān)節(jié)盡可能保持一致。而人體的髖關(guān)節(jié)是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，一般都將其近似為一個(gè)球關(guān)節(jié)[10]，也就是髖關(guān)節(jié)具有3個(gè)自由度。在設(shè)計(jì)髖關(guān)節(jié)的時(shí)候，其結(jié)構(gòu)形式基本上分為兩類(lèi)：串聯(lián)型與并聯(lián)型[11-12]。本研究采用的也是串聯(lián)型，但在設(shè)計(jì)髖關(guān)節(jié)的額狀面與水平面內(nèi)的自由度時(shí)，而是聯(lián)想到彈性體可彎曲、扭轉(zhuǎn)同時(shí)也能承重的特性，設(shè)計(jì)一塊彈性體，并用該零件實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)的兩個(gè)被動(dòng)自由度，從而簡(jiǎn)化髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本次設(shè)計(jì)外骨骼機(jī)器人髖關(guān)節(jié)的示意圖如圖1所示。

圖1 外骨骼機(jī)器人髖關(guān)節(jié)示意圖1-彈性體；2-腰部連接件；3-腿部連接件

在設(shè)計(jì)外骨骼機(jī)器人髖關(guān)節(jié)的另外兩個(gè)被動(dòng)自由度時(shí)，考慮彈性體所具備的雙向彎曲與扭轉(zhuǎn)的特性。彈性體在受壓時(shí)，由胡克定律可知：其被壓縮量越大，自身的內(nèi)力也越大，表現(xiàn)出來(lái)的形式為運(yùn)動(dòng)方向上的阻力也就越大。由前文可知：髖關(guān)節(jié)的被動(dòng)關(guān)節(jié)分別是額狀面內(nèi)的外展/內(nèi)收和水平面內(nèi)的外旋/內(nèi)旋，這兩個(gè)被動(dòng)自由度正好可以分別對(duì)應(yīng)彈性元件的雙向彎曲與扭轉(zhuǎn)的特性，同時(shí)，彈性元件還可以承重與傳遞載荷，所以理論上可以用彈性元件來(lái)設(shè)計(jì)髖關(guān)節(jié)的這兩個(gè)被動(dòng)自由度。

3 髖關(guān)節(jié)橡膠板設(shè)計(jì)與分析

3.1 彈性連接板的尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)橡膠彈性物理學(xué)[13]，橡膠板的彎曲角度設(shè)計(jì)為-45°～45°，扭轉(zhuǎn)角度為-30°～30°。本研究在進(jìn)行彎曲分析時(shí)，根據(jù)理論力學(xué)[14]，將該彈性體看作是一個(gè)懸臂梁，人體側(cè)方向上的力作用在彈性體上時(shí)，可以近似的看作是均勻分布的力。彈性體彎曲的力學(xué)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 橡膠板彎曲力學(xué)簡(jiǎn)圖

設(shè)計(jì)用a表示彈性體的寬度，b表示彈性體的厚度，c表示彈性體的高度。根據(jù)材料力學(xué)[15]，可得：

(1)

式中：Ymax—板材的最大線(xiàn)位移,cm;q—板面所受均布載荷,N/cm;l—板的長(zhǎng)度,cm;E—材料的彈性模量,N/m2;I—截面的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,cm4。

再進(jìn)一步引入最大偏移量：

Ymax≤csin45°

(2)

對(duì)于外力，有：

(3)

式中：m—下肢重量，kg；L1—下肢重心與髖關(guān)節(jié)距離，cm。

聯(lián)立式(1～3)，最終可得：

3mgL1c≤Eab3sin45°

(4)

式中：E—彈性模量，E=6.1×106N/m2=610 N/cm2；g—重力加速度，9.8 m/s2；m=10.7 kg；L1=53.2 cm。

代入數(shù)據(jù)，最終有：

28.8c≤ab3

(5)

又根據(jù)扭轉(zhuǎn)特性可知：

(6)

對(duì)于式(6)中的轉(zhuǎn)矩T有：

(7)

式中：m—背部模塊的總重，設(shè)計(jì)為7 kg；g—重力加速度；L2—背部重心到扭轉(zhuǎn)中心的距離，設(shè)計(jì)為15 cm；

同時(shí)考慮到設(shè)計(jì)的髖關(guān)節(jié)減速器安裝板的尺寸，選定寬度a=7 cm。代入式(6)可得：

b≤0.48c

(8)

聯(lián)立式(5,8)，可得：c≥7.5，b≤3.6。

3.2 髖關(guān)節(jié)實(shí)物加工

由于橡膠板的厚度對(duì)自身的彎曲與扭轉(zhuǎn)有很大的影響，故分別取b=3.0 cm、2.5 cm進(jìn)行應(yīng)力分析。本研究通過(guò)Solidworks自帶的Simulation應(yīng)力分析模塊，得出厚度為3 cm的橡膠板在靜力與動(dòng)力下的變形都較厚度為2.5 cm的橡膠板小，說(shuō)明3 cm厚的橡膠板剛性更好。本次設(shè)計(jì)的髖關(guān)節(jié)需要在變形較小的情況下具有一定的彈性，所以選擇厚度為2.5 cm，高度c為7.5 cm，寬度a為7 cm。

外骨骼髖關(guān)節(jié)的實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 外骨骼機(jī)器人髖關(guān)節(jié)實(shí)物圖

3.3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

本次實(shí)驗(yàn)采用MPU6050多軸加速度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)。筆者按照給定的程序，將傳感器連接到STM32F407開(kāi)發(fā)板上，并通過(guò)USB接口，將傳感器采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mtalab中，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)繪制成一條曲線(xiàn)。

首先筆者將傳感器綁在人體大腿外側(cè)，其X軸指向與人體大腿方向平行，直行一段距離，采集未穿戴所設(shè)計(jì)的外骨骼時(shí)的角度數(shù)據(jù)，利用Matlab，擬合出一條行走步態(tài)曲線(xiàn)圖。再穿戴好設(shè)計(jì)加工出的外骨骼髖關(guān)節(jié)，將傳感器固定于外骨骼上，其X軸指向與外骨骼大腿方向平行，直行一段距離，采集穿戴后的數(shù)據(jù)，利用Matlab，擬合出一條行走步態(tài)曲線(xiàn)圖。穿戴前后的曲線(xiàn)圖繪制到同一坐標(biāo)下，得到關(guān)節(jié)活動(dòng)角度對(duì)比圖，如圖(4～6)所示。

圖4 髖關(guān)節(jié)屈曲/伸展前后對(duì)比圖

圖5 髖關(guān)節(jié)旋內(nèi)/旋外前后對(duì)比圖

圖6 髖關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收前后對(duì)比圖

以上曲線(xiàn)是利用Matlab進(jìn)行擬合后所得。從中可以看出：采用彈性體設(shè)計(jì)的外骨骼髖關(guān)節(jié)，在穿戴前后的變化趨勢(shì)相同，且曲線(xiàn)頻率相近，髖關(guān)節(jié)屈曲/伸展方向運(yùn)動(dòng)最大角度差為4.89°，外展/內(nèi)收方向運(yùn)動(dòng)最大角度差為1.58°，外旋/內(nèi)旋向運(yùn)動(dòng)最大角度差為1.06°，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度相差較小，且在實(shí)際穿戴行走時(shí)，對(duì)人體的干擾較小。所以，采用彈性元件設(shè)計(jì)的外骨骼髖關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)與人體較好的耦合，對(duì)人體正常行走姿態(tài)的影響較小。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)了一種基于彈性體的外骨骼機(jī)器髖關(guān)節(jié)，該髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)有3個(gè)自由度，分別對(duì)應(yīng)生物學(xué)上人體下肢大腿的屈/伸、內(nèi)收/外展、內(nèi)旋/外旋運(yùn)動(dòng)。通過(guò)理論分析，得出該彈性體的尺寸關(guān)系，并通過(guò)Simulation仿真分析，完成彈性體與整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與加工。

本文通過(guò)利用MPU6050多軸加速度傳感器，采集人體在穿戴外骨骼前后的行走姿態(tài)，進(jìn)行了人體穿戴前后的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)在人體行走過(guò)程中的最大角度差為4.89°，且行走步頻相近，跟隨性好，該外骨骼髖關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)是可行的。