針對(duì)步行平衡穩(wěn)定性的外骨骼欠驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

胡杰 徐鈴輝 楊巍 鄭祥明

摘 要：為改善腦卒中患者穿戴下肢外骨骼機(jī)器人進(jìn)行步行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，步行平衡穩(wěn)定性不足的問(wèn)題，提出髖關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展自由度控制機(jī)理和設(shè)計(jì)方法，通過(guò)基于零力矩點(diǎn)理論的步行平衡穩(wěn)定性分析，研究髖關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展主動(dòng)運(yùn)動(dòng)對(duì)人機(jī)系統(tǒng)平衡的作用。通過(guò)設(shè)定欠驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展運(yùn)動(dòng)自由度，改善人機(jī)系統(tǒng)步行平衡，并利用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)左右兩側(cè)髖關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)控制，從而在運(yùn)動(dòng)安全的前提下提升步行平衡安全性。通過(guò)MATLAB與ADAMS仿真分析，分別驗(yàn)證步行平衡穩(wěn)定性和欠驅(qū)動(dòng)方案的有效節(jié)能性。仿真結(jié)果顯示，欠驅(qū)動(dòng)方案相比傳統(tǒng)每個(gè)關(guān)節(jié)分別安裝驅(qū)動(dòng)的方案，扭矩降低了32.52%。該步行平衡解決方案與欠驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法對(duì)促進(jìn)康復(fù)外骨骼機(jī)器人應(yīng)用推廣具有重要意義。

關(guān)鍵詞：步行平衡穩(wěn)定性;外骨骼;機(jī)器人;欠驅(qū)動(dòng);髖關(guān)節(jié)

DOI：10. 11907/rjdk. 201411????????????????????????????????????????????????????????????????? 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP319 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ??????????????? 文章編號(hào)：1672-7800（2020）011-0100-06

The Design of Exoskeleton Underactuated Hip Joint

Based on Walking Balance Stability

HU Jie1， XU Ling-hui2，YANG Wei2， ZHENG Xiang-ming1

（1. College of Mechanical Engineering， Ningbo University of Technology，Ningbo 315000， China;

2. State Key Laboratory of Fluid Power and Electromechanical Systems，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

Abstract：A control mechanism about the adduction of hip joints motion degree of freedom and its design method was put forward， which is aimed at the problem that those patients who suffer from stroke have insufficient stability in walking balance during their walking rehabilitation training with lower extremity exoskeleton. According to the analysis about walking balance stability based on the zero moment point theory. The effect of hip adduction active exercise on the balance of human-machine system. By designing the degree of freedom of the underactuated hip joint adduction movement， the pedestrian balance of the human-machine system is improved， and a single motor driving unit is used to coordinate the adduction movement of the left and right hip joints， so as to improve the safety of walking balance on the premise of motion safety. By simulation analysis by MATLAB and ADAMS， the effective energy conservation of the walking balance stability and the under-driving scheme were verified respectively. Simulation result displayed that the underactuation scheme is installed separately from the conventional joints， and the torque is reduced by 32.52%. The walking balance solution and the underactuated design method are of great significance for promoting the application of rehabilitation exoskeleton robots.

Key Words： walking balance stability; exoskeleton; robot; underactuation; hip joint

0 引言

我國(guó)人口老齡化問(wèn)題逐漸嚴(yán)峻，高齡人群易發(fā)的腦卒中疾病發(fā)病率迅速增長(zhǎng)?，F(xiàn)有研究表明，在腦卒中患者早期康復(fù)訓(xùn)練治療過(guò)程中，物理運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可利用中樞神經(jīng)系統(tǒng)可塑性，有效改善肌肉張力，從而建立起新的神經(jīng)傳導(dǎo)與肌肉動(dòng)作的組合關(guān)系[1]。相比理療師指導(dǎo)、陪同患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的傳統(tǒng)方式，利用康復(fù)外骨骼機(jī)器人輔助實(shí)現(xiàn)上下肢物理運(yùn)動(dòng)的康復(fù)訓(xùn)練具有更廣闊的應(yīng)用前景。外骨骼機(jī)器人不但可連續(xù)輔助康復(fù)訓(xùn)練，而且能精確控制指導(dǎo)軌跡并記錄康復(fù)訓(xùn)練相關(guān)數(shù)據(jù)，使整個(gè)康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程定量可控。因此，用于輔助實(shí)現(xiàn)腦卒中患者下肢康復(fù)訓(xùn)練的外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)。

下肢康復(fù)訓(xùn)練外骨骼包括基于懸吊減重的活動(dòng)平板式康復(fù)外骨骼與直立步行式康復(fù)外骨骼。前者利用懸吊減重系統(tǒng)支撐患者部分重力，使其在跑臺(tái)上進(jìn)行步行訓(xùn)練，如瑞士醫(yī)療器械公司與瑞士蘇黎世大學(xué)聯(lián)合研制的Lokomat外骨骼系統(tǒng)[2]、荷蘭特溫特大學(xué)研制的LOPES外骨骼系統(tǒng)[3]等，這種方式能保障步行訓(xùn)練安全性與步態(tài)軌跡指導(dǎo)準(zhǔn)確性，但患者無(wú)法實(shí)現(xiàn)真實(shí)的自然行走，后者利用外骨骼輔助支撐協(xié)助患者實(shí)現(xiàn)接近于正常步行的康復(fù)訓(xùn)練，對(duì)患者步行康復(fù)訓(xùn)練促進(jìn)作用更直接，但為保障外骨骼系統(tǒng)安全性，其步行平衡穩(wěn)定性需著重考慮。美國(guó)派克漢尼汾公司研制的Indego外骨骼系統(tǒng)[4]及日本Cyberdyne公司研制的HAL外骨骼系統(tǒng)[5]均屬于直立步行康復(fù)外骨骼。由于外骨骼系統(tǒng)可更真實(shí)地輔助患者步行訓(xùn)練，有助于提高患者康復(fù)訓(xùn)練積極性，近年來(lái)針對(duì)該類型外骨骼系統(tǒng)的理論研究及樣機(jī)研制備受關(guān)注。

人與外骨骼組成的人機(jī)系統(tǒng)平衡穩(wěn)定性是決定康復(fù)訓(xùn)練安全性的關(guān)鍵因素。人體正常步行步態(tài)軌跡研究表明，髖關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展和踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻/外翻對(duì)于人體步行過(guò)程中重心切換具有決定性作用[6]。因此，外骨骼在額狀面的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制是人機(jī)系統(tǒng)在步行過(guò)程中保持平衡的關(guān)鍵。廣州中醫(yī)藥大學(xué)陳平平等[7]通過(guò)Kinect獲取人體骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，然后提取關(guān)節(jié)點(diǎn)極坐標(biāo)位置信息，定義運(yùn)動(dòng)特征分類集合，完成樸素貝葉斯分類器設(shè)計(jì)。根據(jù)捕獲的各種人群數(shù)據(jù)信息，對(duì)在云服務(wù)器上的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)加以量化和分析后進(jìn)行閾值計(jì)算，可對(duì)康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作識(shí)別閾值進(jìn)行偏差處理，從而設(shè)定不同患者人群最合適的動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn);韓國(guó)西江大學(xué)Kong教授[8]在設(shè)計(jì)EXPOS外骨骼系統(tǒng)時(shí)，針對(duì)性地將外骨骼大腿桿設(shè)計(jì)成可彎曲形式，使患者穿戴外骨骼步行時(shí)，外骨骼大腿桿能適應(yīng)人體髖關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展需求，在額狀面進(jìn)行一定的彎曲變形，然而該運(yùn)動(dòng)自由度屬于從動(dòng)機(jī)構(gòu)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)可控;Angold等[9]設(shè)計(jì)的Ekso外骨骼系統(tǒng)在髖關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展自由度設(shè)計(jì)中增加了多個(gè)被動(dòng)關(guān)節(jié)，以適應(yīng)人機(jī)系統(tǒng)步行時(shí)平衡穩(wěn)定的要求，但由于該自由度沒(méi)有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)，無(wú)法主動(dòng)控制調(diào)整人機(jī)系統(tǒng)平衡位置。上述直立步行外骨骼系統(tǒng)借助雙拐輔助保障步行時(shí)的平衡穩(wěn)定，對(duì)于外骨骼本身平衡調(diào)整并未深入開(kāi)展研究。然而，腦卒中患者由于患側(cè)上肢存在運(yùn)動(dòng)障礙，無(wú)法利用拐杖輔助支撐以保持身體平衡。因此，研究如何保證外骨骼系統(tǒng)平衡穩(wěn)定地輔助患者步行康復(fù)訓(xùn)練具有重要應(yīng)用價(jià)值。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，基于雙足步行機(jī)器人零力矩點(diǎn)（Zero Point Moment，ZMP）理論[10-12]，對(duì)下肢步行康復(fù)外骨骼平衡穩(wěn)定性進(jìn)行理論分析，并設(shè)定髖關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展驅(qū)動(dòng)自由度，用于主動(dòng)控制調(diào)整人機(jī)系統(tǒng)在步行康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中的平衡穩(wěn)定性。由于增加了髖關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展自由度，為防止在單腿支撐相髖關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展角度保持階段，給該自由度驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶來(lái)過(guò)大負(fù)載，在該驅(qū)動(dòng)自由度增加鎖止機(jī)構(gòu)承擔(dān)支撐相負(fù)載，滿足實(shí)際驅(qū)動(dòng)工況需求。同時(shí)，設(shè)計(jì)離合機(jī)構(gòu)，用以結(jié)合鎖止機(jī)構(gòu)將左右髖關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展兩個(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)簡(jiǎn)化為單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的欠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)。為驗(yàn)證該設(shè)計(jì)對(duì)于外骨骼平衡穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)可行性，本文對(duì)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析。

1 基于ZMP理論的步行平衡穩(wěn)定分析

基于ZMP理論的步行平衡穩(wěn)定分析在雙足仿人機(jī)器人領(lǐng)域已有廣泛的研究和應(yīng)用，主要通過(guò)判斷機(jī)器人ZMP位置是否在足底支撐平面內(nèi)以評(píng)價(jià)其步行過(guò)程中是否平衡[13]。因此，針對(duì)下肢步行外骨骼平衡穩(wěn)定特性，以雙足仿人機(jī)器人ZMP位置作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。雙足機(jī)器人ZMP計(jì)算原理如圖1所示，在步行過(guò)程中，機(jī)器人受到重力和慣性力作用，假設(shè)其合力為FG，mi為機(jī)器人各連桿質(zhì)量，（xi，yi，zi）為機(jī)器人各連桿質(zhì)心坐標(biāo)，則在動(dòng)態(tài)步行過(guò)程中，機(jī)器人所受合力可表示為：

FG=FxFyFz=-i=1nmixiyi（zi+g）????????? （1）

由式（1）可求得合力關(guān)于x、y和z坐標(biāo)的力矩，如式（2）所示。

MG=MxMyMz=-i=1nmi（zi+g）yi-yizixizi-（zi+g）xiyixi-xiyi??????? （2）

合力將由參考坐標(biāo)原點(diǎn)移動(dòng)到對(duì)應(yīng)ZMP位置，同時(shí)假定在ZMP位置處的和力矩為零，則得式（3）為：

Mx-FyzZMP=0Mz+FyxZMP=0????????????????? （3）

其中，xZMP與zZMP分別代表在x軸和z軸坐標(biāo)下的ZMP坐標(biāo)位置。

將式（2）帶入式（3）中即可得到ZMP坐標(biāo)計(jì)算公式，如式（4）所示。

xZMP=i=1nmi（yi+g）xi-i=1nmixiyii=1nmi（yi+g）zZMP=i=1nmi（yi+g）zi-i=1nmiziyii=1nmi（yi+g）??????? （4）

為精確計(jì)算外骨骼在步行過(guò)程中的ZMP位置，本文借助MATLAB中的SimMechanics仿真模塊，計(jì)算康復(fù)外骨骼正常步行過(guò)程中ZMP位置。基于SimMechanics的外骨骼ZMP仿真程序如圖2所示，其中左、右腿子系統(tǒng)包括對(duì)應(yīng)側(cè)的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)屈伸關(guān)節(jié)軌跡輸入及踝關(guān)節(jié)背屈趾屈關(guān)節(jié)軌跡輸入，各關(guān)節(jié)輸入軌跡參考香港理工大學(xué)針對(duì)正常人體步行軌跡的測(cè)量結(jié)果[14]，輸入各關(guān)節(jié)的步態(tài)軌跡如圖3所示。根據(jù)式（4）要求，需要在仿真環(huán)節(jié)測(cè)量外骨骼各部件質(zhì)心位置及加速度參數(shù)，因此在仿真程序中對(duì)各個(gè)部件添加了位置與加速度檢測(cè)模塊。

為了對(duì)比外骨骼輔助患者步行康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中，髖關(guān)節(jié)內(nèi)收外展自由度主動(dòng)驅(qū)動(dòng)對(duì)步行平衡穩(wěn)定性的影響，分別進(jìn)行髖關(guān)節(jié)內(nèi)收外展角度鎖死和主動(dòng)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)方案仿真。在前者方案，對(duì)程序中自由度輸入角度終保持為零，后者方案對(duì)程序中自由度輸入角度參照香港理工大學(xué)現(xiàn)有正常步行髖關(guān)節(jié)內(nèi)收外展角度數(shù)據(jù)，如圖4所示。

通過(guò)兩種方案分別仿真，計(jì)算對(duì)應(yīng)狀態(tài)下ZMP位置，可判斷兩者在正常步行過(guò)程中其步行平衡穩(wěn)定情況。ZMP位置計(jì)算仿真結(jié)果如圖5所示，圖5（a）中由于外骨骼髖關(guān)節(jié)內(nèi)收外展自由度鎖死，在步行過(guò)程中額狀面內(nèi)不存在重心左右切換，因此其ZMP位置在X軸方向不存在位移變化，導(dǎo)致整個(gè)步行過(guò)程中ZMP不在足底支撐面內(nèi)，導(dǎo)致其步行無(wú)法保證平衡穩(wěn)定，這也是下肢康復(fù)訓(xùn)練外骨骼需借助拐杖支撐保持平衡的原因之一。從圖5（b）中可以看到，當(dāng)外骨骼髖關(guān)節(jié)內(nèi)收外展自由度添加驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)使其按照正常步行角度（見(jiàn)圖5）運(yùn)行時(shí)，其ZMP位置將大部分處于足底支撐面內(nèi)，保證在該方案下，步行過(guò)程中盡可能保持平衡穩(wěn)定。因此，由仿真結(jié)果可知，外骨骼髖關(guān)節(jié)增加主動(dòng)驅(qū)動(dòng)內(nèi)收外展自由度將顯著改善步行康復(fù)訓(xùn)練平衡穩(wěn)定特性。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

外骨骼總體設(shè)計(jì)方案如圖6所示，主要由腰部控制箱、髖關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)裝置、大腿關(guān)節(jié)、大腿、小腿關(guān)節(jié)、小腿、踝關(guān)節(jié)和腳底板組成。腰部控制箱內(nèi)放置外骨骼控制系統(tǒng)，髖關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)裝置主要實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)的內(nèi)收和外展，大腿小腿關(guān)節(jié)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)下肢屈伸，整體實(shí)現(xiàn)人體行走過(guò)程中關(guān)節(jié)角度控制。

本文設(shè)計(jì)的髖關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)裝置如圖7所示。該驅(qū)動(dòng)裝置整體由3部分組成，分別是電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、離合裝置和鎖止裝置。驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)齒輪帶動(dòng)左右鎖止裝置和離合裝置運(yùn)動(dòng)，鎖止裝置在內(nèi)收完成時(shí)實(shí)現(xiàn)單向鎖止。離合裝置通過(guò)撥齒與齒輪的分離和嚙合，在不同時(shí)刻交替驅(qū)動(dòng)左右髖關(guān)節(jié)，輔助病人正常行走。

2.1 髖關(guān)節(jié)離合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)撥齒與髖關(guān)節(jié)齒輪嚙合時(shí)，可驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)，如圖8中的右髖關(guān)節(jié);當(dāng)撥齒與髖關(guān)節(jié)齒輪脫離時(shí)，髖關(guān)節(jié)不運(yùn)動(dòng)，如圖8中的左髖關(guān)節(jié)。驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)撥齒可實(shí)現(xiàn)左右髖關(guān)節(jié)分時(shí)驅(qū)動(dòng)，最終達(dá)到欠驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)控制的目的。

2.2 髖關(guān)節(jié)鎖止機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

髖關(guān)節(jié)鎖止機(jī)構(gòu)圖如圖9所示。初始位置髖關(guān)節(jié)保持水平（見(jiàn)圖9（a）），當(dāng)驅(qū)動(dòng)裝置工作，并且離合裝置中撥齒與一側(cè)髖關(guān)節(jié)齒輪嚙合后，髖關(guān)節(jié)開(kāi)始內(nèi)收，α角增大，β角減小，鎖止輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)月牙鎖止件逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，兩者嚙合（見(jiàn)圖9（b））。完成單腿側(cè)內(nèi)收時(shí)，月牙鎖止件抵住鎖止輪內(nèi)壁，由于支持力指向圓形，此時(shí)電機(jī)輸出扭矩為零。當(dāng)髖關(guān)節(jié)外展時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置反向驅(qū)動(dòng)（見(jiàn)圖9（a））。撥齒逐漸脫離髖關(guān)節(jié)齒輪，月牙鎖止件順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，鎖止輪逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，在撥齒即將脫離髖關(guān)節(jié)齒輪時(shí)，月牙鎖止件緊靠在鎖止輪外壁上，為髖關(guān)節(jié)提供支撐力。由于支撐力指向鎖止輪圓心，此時(shí)髖關(guān)節(jié)所受的力完全由月牙鎖止件和鎖止輪承受，從而達(dá)到減輕電機(jī)負(fù)荷的目的。撥齒脫離嚙合后，髖關(guān)節(jié)保持水平不變。緊接著，撥齒向另一側(cè)的髖關(guān)節(jié)齒輪方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)撥齒與齒輪嚙合時(shí)，另一側(cè)髖關(guān)節(jié)將開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。

為了保證內(nèi)收過(guò)程中，月牙鎖止件與鎖止輪嚙合。分析髖關(guān)節(jié)內(nèi)收過(guò)程中月牙鎖止件輪廓曲線，如圖10所示，曲線以鎖止輪為參考系繪制，圓形虛線表示鎖止輪，右上方不同的曲線代表不同時(shí)刻月牙鎖止件的靠近鎖止輪部分的輪廓線?？梢钥吹皆卵梨i止件輪廓并不相交，無(wú)法作出與所有時(shí)刻的輪廓線相切的曲線，本文設(shè)計(jì)選擇最下方的輪廓線作為鎖止輪與月牙鎖止件嚙合部分的輪廓線。

3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

為驗(yàn)證欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在降低電機(jī)負(fù)載方面的有效性，本文將10自由度外骨骼模型置于ADAMS環(huán)境下進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，如圖11所示，分別是髖關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展、屈曲/伸展，膝關(guān)節(jié)屈曲/伸展，踝關(guān)節(jié)背屈/跖屈以及內(nèi)翻/外翻。對(duì)欠驅(qū)動(dòng)方式和普通雙電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)左右髖關(guān)節(jié)的方式進(jìn)行仿真分析。欠驅(qū)動(dòng)模型采用上述欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，仿真單驅(qū)動(dòng)單元輸入控制角度，測(cè)量扭矩;普通雙電機(jī)直接在髖關(guān)節(jié)齒輪上輸入控制曲線，得到相應(yīng)扭矩。將兩種方案進(jìn)行對(duì)比分析。仿真外骨骼步行過(guò)程動(dòng)畫(huà)如圖12所示，通過(guò)分別對(duì)上述10個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)進(jìn)行角度驅(qū)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)外骨骼模擬自然步態(tài)行走。利用動(dòng)力學(xué)模型可仿真計(jì)算得出各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)扭矩以及功率。

4 結(jié)果與分析

仿真正常步行運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，外骨骼欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)方案由于髖關(guān)節(jié)內(nèi)收完成時(shí)，鎖止機(jī)構(gòu)提供支持力，在內(nèi)收階段之外，電機(jī)輸出功率為0，而傳統(tǒng)雙電機(jī)左右側(cè)驅(qū)動(dòng)方案需要時(shí)刻提供驅(qū)動(dòng)力矩，而兩者平均驅(qū)動(dòng)功率幾乎相等，如圖13所示。通過(guò)仿真分析得到兩種方案驅(qū)動(dòng)扭矩變化值，如圖14所示。其中，“o”代表僅人體步行條件下，髖關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展所需扭矩值，“x”代表由傳統(tǒng)雙髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方案時(shí)電機(jī)端驅(qū)動(dòng)扭矩，藍(lán)色實(shí)線為人機(jī)系統(tǒng)采用欠驅(qū)動(dòng)方案時(shí)電機(jī)端驅(qū)動(dòng)扭矩，紅色實(shí)線為人機(jī)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)雙關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方案所需扭矩（彩圖掃描OSID碼可見(jiàn)）。同構(gòu)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，采用欠驅(qū)動(dòng)方案時(shí)，其扭矩峰值相比傳統(tǒng)方案有所降低，且在大部分階段，其扭矩值為零。

兩種對(duì)比方案對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)功率和扭矩值如表1 所示。由于本文設(shè)計(jì)的欠驅(qū)動(dòng)方案在支撐相大部分階段由鎖止機(jī)構(gòu)提供支撐力，大幅減輕了電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)擔(dān)，因此在整個(gè)步行過(guò)程中，本文設(shè)計(jì)的欠驅(qū)動(dòng)方案相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，其驅(qū)動(dòng)扭矩方均根值降低32.52%，峰值降低14.15%。

5 結(jié)語(yǔ)

基于下肢康復(fù)機(jī)器人的平衡控制與ZMP理論，本文設(shè)計(jì)了一種欠驅(qū)動(dòng)的髖關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了外骨骼輔助人體步行時(shí)髖關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)控制，借助MATLAB對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行ZMP位置仿真計(jì)算，確保外骨骼系統(tǒng)平衡穩(wěn)定地輔助患者步行康復(fù)訓(xùn)練。同時(shí)由于鎖止機(jī)構(gòu)在人體內(nèi)收完成時(shí)可以提供一定支撐力，相比于普通的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，電機(jī)端受力情況得到明顯改善。ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)比結(jié)果驗(yàn)證了本文外骨骼欠驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)方案設(shè)想，在改善人機(jī)系統(tǒng)步行平衡穩(wěn)定性的前提下，能減少電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩，對(duì)改善外骨骼安全性具有重要的理論借鑒意義和實(shí)際設(shè)計(jì)參考價(jià)值。但本文在提高髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性方面還存在不足，有待更深入研究，以促進(jìn)外骨骼輔助人體步行的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王子梅，徐秀林，安美君. 基于虛擬場(chǎng)景的踝關(guān)節(jié)訓(xùn)練軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].軟件導(dǎo)刊，2018，5（17）：98-101.

[2] 陳學(xué)斌，劉利榮，安崢，等. 穿戴式外骨骼康復(fù)輔具臨床應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J]. 科技導(dǎo)報(bào)，2017（2）：50-54.

[3] VENEMAN J F， EKKELENKAMP R， KOOIJ H V D， et al. A series elastic-and bowden-cable-based actuation system for use as torque actuator in exoskeleton-type robots[J]. International Journal of Robotics Research， 2006， 25（3）：261-281.

[4] FARRIS R J， QUINTERO H A， GOLDFARB M. Preliminary evaluation of a powered lower limb orthosis to aid walking in paraplegic individuals[J]. IEEE Transactions on Neural Systems & Rehabilitation Engineering A Publication of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society， 2011， 19（6）：652-659.

[5] CRUCIGER H P O. A new approach to occupational reintegration using the hybrid assistive limb voluntary driven exoskeleton HAL[J]. International Journal of Disability Management Research， 2014， 9（1）：61-84.

[6] WINTER D A. Kinematic and kinetic patterns in human gait： Variability and compensating effects[J]. Human Movement Science， 1984， 3（1）：51-76.

[7] 陳平平，趙陽(yáng)洋，陳麗蘭.大數(shù)據(jù)在基于Kinect的中風(fēng)康復(fù)訓(xùn)練中的應(yīng)用[J].軟件導(dǎo)刊， 2017，16（6）：124-126.

[8] KONG K， JEON D. Design and control of an exoskeleton for the elderly and patients[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2006， 11（4）：428-432.

[9] ANGOLD R， FLEMING N. Exoskeleton and method of increasing the flexibility of an exoskeleton hip joint[P]. US，9604369 B2，2017.

[10] SUGIHARA T， NAKAMURA Y， INOUE H. Real-time humanoid motion generation through ZMP manipulation based on inverted pendulum control[C]. IEEE International Conference on Robotics and Automation， 2002（2）：1404-1409.

[11] LEE B J， STONIER D， KIM Y D， et al. Modifiable walking pattern of a humanoid robot by using allowable ZMP variation[J]. IEEE Transactions on Robotics， 2008， 24（4）：917-925.

[12] KAGAMI S. A fast generation method of a dynamically stable humanoid robot trajectory with enhanced ZMP constraint[C]. IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots， 2000：1-12.

[13] HUAN T T， CAO V K，HO P H A，et al. Adaptive gait generation for humanoid robot using evolutionary neural model optimized with modified differential evolution technique[J]. Neurocomputing， Volume 320， 3 December 2018， Pages 112-120.

[14] 盛榮，孫首群，焦玉格，等. 機(jī)器人無(wú)標(biāo)定手眼協(xié)調(diào)方法研究[J]. 軟件導(dǎo)刊，2020，5（16）：23-28.

（責(zé)任編輯：江 艷）