無(wú)動(dòng)力助行外骨骼的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)分析

梁觀坡 鄒澤華

（福州大學(xué)，福建福州350116）

0 引言

本文所探究的無(wú)動(dòng)力助行外骨骼是立足于迫切的社會(huì)需求以及我國(guó)人口老齡化問(wèn)題的嚴(yán)峻形勢(shì)而產(chǎn)生的，依托于目前外骨骼機(jī)器人的綜合控制技術(shù)及智能化機(jī)器人技術(shù)日漸成熟的背景，進(jìn)行無(wú)動(dòng)力助行外骨骼的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)是合理也是可行的[1]。

1 人體解剖學(xué)的相關(guān)術(shù)語(yǔ)

1.1 人體的三個(gè)基本平面及三條基本軸

三個(gè)基本平面與三條基本軸分別為矢狀面、額狀面、水平面，矢狀軸、額狀軸、垂直軸。

1.2 人體下肢關(guān)節(jié)的各種運(yùn)動(dòng)

髖關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)屈曲（彎曲）及后伸（伸展）、外展及內(nèi)收、外旋及內(nèi)旋六種基本的人體下肢運(yùn)動(dòng)，而膝關(guān)節(jié)只有屈曲及伸展兩種運(yùn)動(dòng)形式。

踝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)的自由度數(shù)目一樣，都是三個(gè)，它實(shí)現(xiàn)的是背伸、跖屈、內(nèi)翻及外翻。

2 人體下肢的運(yùn)動(dòng)機(jī)理及步態(tài)分析

2.1 人體下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)理

為了能實(shí)現(xiàn)無(wú)動(dòng)力助行外骨骼與人體下肢的高度協(xié)調(diào)統(tǒng)一，自由度數(shù)目與分布以及下肢的關(guān)節(jié)為完成不同運(yùn)動(dòng)模式而做出的不同運(yùn)動(dòng)形式等方面二者都要保持一致。

在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行人體下肢的正常步態(tài)分析。

2.2 人體下肢步態(tài)分析

從圖1不難看出人體完整的步態(tài)周期被劃分為了支撐相（也稱(chēng)站立相）與擺動(dòng)相兩個(gè)時(shí)間段，即相位。

支撐相的定義為：地面與一側(cè)腳掌接觸的所有時(shí)間段，換言之就是從一側(cè)足部的足跟著地開(kāi)始算起到該足尖離開(kāi)地面不接觸的時(shí)間段，這就是平時(shí)所說(shuō)的站立姿態(tài)。

對(duì)于擺動(dòng)相，顧名思義，就是搖擺狀態(tài)，與支撐相剛好相反，即從一側(cè)足部的足尖離開(kāi)地面開(kāi)始算起到該足部的足跟接觸地面的時(shí)間段。

其中，支撐相約占整個(gè)周期的60%，擺動(dòng)相約占整個(gè)周期的40%。

圖1 人體右下肢的完整步態(tài)周期示意圖

3 無(wú)動(dòng)力助行外骨骼的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使可穿戴無(wú)動(dòng)力助行外骨骼康復(fù)裝置能夠適應(yīng)不同身高、體重以及下肢損傷情況不同的患者之間的不同需求，設(shè)計(jì)了滑道，使儲(chǔ)能彈簧能夠在各自的相應(yīng)滑道進(jìn)行移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)節(jié)的功能。髖關(guān)節(jié)離合器設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 髖關(guān)節(jié)離合器設(shè)計(jì)

對(duì)于圖2髖關(guān)節(jié)離合器的設(shè)計(jì)，采用雙彈簧的原因在于：

其一，將人體下肢在行走時(shí)從站立中期到站立后期這一過(guò)程中髖關(guān)節(jié)所做的功轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能儲(chǔ)存起來(lái)；

其二，兩彈簧相對(duì)于轉(zhuǎn)軸的力矩相等，可以增加患者下肢站立的穩(wěn)定性[2]。

3.2 無(wú)動(dòng)力助行外骨骼康復(fù)裝置的整體建模

設(shè)計(jì)的主要思路就是合理配置系統(tǒng)的自由度，以最簡(jiǎn)單的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足無(wú)動(dòng)力助行外骨骼的設(shè)計(jì)要求，圖3為無(wú)動(dòng)力助行外骨骼的整體三維模型。

圖3 加外殼整體三維模型示意圖

4 基于Matlab的最佳彈簧剛度參數(shù)優(yōu)化

選取彈簧1和3的剛度相同，彈簧2和4的剛度相同。分別選取0.5 N/mm、1 N/mm、1.5 N/mm、2 N/mm四個(gè)不同的彈簧剛度值，測(cè)試髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)的力矩變化，取其最大力矩為研究值，針對(duì)獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)Matlab軟件分別繪制髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)力矩圖，以便觀察力矩隨兩對(duì)彈簧剛度值的變化趨勢(shì)。最終得到了16組相關(guān)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 各關(guān)節(jié)最大驅(qū)動(dòng)力矩表

使用Matlab將表1的數(shù)據(jù)制成三維曲面圖，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及得到該機(jī)構(gòu)的最佳彈簧剛度參數(shù)。由表1數(shù)據(jù)可得各關(guān)節(jié)力矩三維曲面圖，如圖4所示。

圖4 各個(gè)關(guān)節(jié)力矩三維曲面圖

5 總結(jié)與展望

對(duì)髖關(guān)節(jié)處的儲(chǔ)能彈簧剛度參數(shù)進(jìn)行深入研究，得到關(guān)于該系統(tǒng)的最佳彈簧剛度參數(shù)，是本設(shè)計(jì)的重心及創(chuàng)新點(diǎn)所在。本文為簡(jiǎn)化計(jì)算，將人體下肢一側(cè)簡(jiǎn)化為二連桿模型去求解運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)問(wèn)題，但是人體下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)理卻十分錯(cuò)綜復(fù)雜，故而應(yīng)構(gòu)建更符合人體下肢運(yùn)動(dòng)特征的相關(guān)物理模型，這樣才能讓設(shè)計(jì)更符合人機(jī)工程學(xué)的要求，并使康復(fù)裝置性能更佳。