下肢外骨骼機(jī)器人的剛度調(diào)控與仿真分析

陳勇,馬文彬,吳維

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

我國人口的老齡化越來越嚴(yán)峻，截止到2020年5月，65周歲及以上的老年人占全國總?cè)丝?0.83%[1]. 腦瘁中、帕金森、阿爾茲海默癥是老年人的常見病和多發(fā)病，每年新發(fā)病的患者約為200萬，80%的患者會(huì)引起下肢偏癱，導(dǎo)致下肢肌肉薄弱，無法提供足夠的力量完成行走，不同程度喪失了運(yùn)動(dòng)能力，偏癱較輕的老年人可以依靠輪椅進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，偏癱嚴(yán)重的老年人需要常年臥床，經(jīng)常引起褥瘡、肌肉萎縮、靜脈血栓、泌尿系統(tǒng)感染、骨質(zhì)疏松等并發(fā)癥，在身心方面長年忍受著常人體會(huì)不到的痛苦，給家庭和社會(huì)帶來巨大的負(fù)擔(dān)[2-4].

下肢外骨骼機(jī)器人穿戴在老年人的腿上，充當(dāng)老年人穿戴者的外骨骼，幫助老年人重新站立和行走，促進(jìn)血液循環(huán)，防止肌肉萎縮，減少并發(fā)癥的發(fā)生，能夠恢復(fù)老年人的運(yùn)動(dòng)能力和生活能力，重新回歸社會(huì)[5-7].

目前的下肢外骨骼機(jī)器人雖然多種多樣[8-10]，但是很少考慮剛度變化和姿態(tài)調(diào)整，穿戴者與下肢外骨骼機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)協(xié)同性較差[11]，引起嚴(yán)重的位姿誤差，限制穿戴者的運(yùn)動(dòng)靈活性，增加穿戴者的行走疲勞[12]，制約下肢外骨骼機(jī)器人的應(yīng)用[13].

氣動(dòng)肌肉具有高功率密度、輕質(zhì)柔順等特點(diǎn)，近年來很多科研機(jī)構(gòu)逐漸開始將氣動(dòng)肌肉作為下肢外骨骼機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式，開展相關(guān)研究. Beyl等人采用氣動(dòng)肌肉對(duì)下肢外骨骼機(jī)器人進(jìn)行力矩控制，穿戴者以0.7 m/s速度行走時(shí)，下肢外骨骼機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)小于2 N·m的跟隨力矩[14]. Galle等人對(duì)氣動(dòng)肌肉的下肢外骨骼機(jī)器人進(jìn)行研究，對(duì)穿戴者進(jìn)行4 min的踝關(guān)節(jié)助力測試，助力時(shí)刻為49%±1%的步態(tài)周期，對(duì)穿戴者每側(cè)肢體提供(0.11±0.2) W/kg的助力，可使穿戴者的代謝消耗降低12%[15]. Malcolm等人對(duì)氣動(dòng)肌肉下肢外骨骼機(jī)器人的助力效果進(jìn)行分析，單側(cè)穿戴時(shí)助力(0.136±0.008) W/kg，雙側(cè)穿戴時(shí)助力(0.133 ±0.006) W/kg，穿戴者的代謝消耗分別降低了7%和15%[16]. 浙江大學(xué)李超等人研究了氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的全身型外骨骼機(jī)器人，采用PID控制算法，在幅值30°、周期8 s的正弦信號(hào)下，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的跟蹤誤差為±3°[17]. 浙江大學(xué)周心慰等人研究基于氣動(dòng)肌肉為驅(qū)動(dòng)元件的下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人，搭建控制系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)，完成下肢單關(guān)節(jié)的被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練和下肢組合康復(fù)訓(xùn)練[18]. 浙江大學(xué)陶俊等人采用氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)下肢外骨骼機(jī)器人，利用關(guān)節(jié)角位移信號(hào)和足底壓力信號(hào)獲取穿戴者下肢運(yùn)動(dòng)信息，提出基于步態(tài)相位檢測的人機(jī)協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制方案，實(shí)現(xiàn)下肢外骨骼機(jī)器人與穿戴者在步行運(yùn)動(dòng)上的協(xié)同[19]. 氣動(dòng)肌肉的尺寸、大小和功耗是下肢外骨骼機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵性問題，如果選擇較大尺寸的氣動(dòng)肌肉來滿足穿戴者所需的關(guān)節(jié)力矩，就會(huì)影響下肢外骨骼機(jī)器人的便捷性和機(jī)動(dòng)性，如何選擇合適的氣動(dòng)肌肉與驅(qū)動(dòng)方式，以及如何設(shè)計(jì)氣動(dòng)肌肉的布局是提升下肢外骨骼機(jī)器人靈活性能和助力效率亟待解決的難題[20].

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本文根據(jù)人體下肢的剛度特性，利用仿生學(xué)原理，設(shè)計(jì)一種下肢外骨骼機(jī)器人，能夠改變剛度，調(diào)整下肢外骨骼機(jī)器人與穿戴者的人機(jī)耦合姿態(tài).

1 人體下肢的剛度特性

1.1 測試對(duì)象

采用隨機(jī)抽樣法確定測試對(duì)象，按照年齡和性別進(jìn)行分組，測試對(duì)象的基本情況如表1所示，數(shù)據(jù)用均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示.

表1 測試對(duì)象的基本情況

所有測試對(duì)象身體健康，沒有做過各類下肢的手術(shù)，均無肌肉、骨骼、神經(jīng)的疾病，不影響正常的行走姿態(tài). 在測試開始前，向每位測試對(duì)象解釋本次測試的步驟、目的和注意事項(xiàng)，采用自愿的形式，征得測試對(duì)象簽字同意.

1.2 測試方法

利用Motion Analysis三維動(dòng)作捕捉分析系統(tǒng)，實(shí)時(shí)記錄測試對(duì)象在平地行走的步態(tài)數(shù)據(jù)，采樣頻率為300 Hz/s. 實(shí)驗(yàn)前，對(duì)Motion Analysis三維動(dòng)作捕捉分析系統(tǒng)進(jìn)行校正，確保動(dòng)作捕捉的準(zhǔn)確性，提高精度，降低誤差. 調(diào)整鏡頭的空間位置和拍攝范圍，保證完整記錄測試對(duì)象每次行走的5個(gè)步態(tài)周期.

每個(gè)測試對(duì)象重復(fù)行走5次，每次行走之間讓測試對(duì)象休息5 min，消除疲勞和自適應(yīng)對(duì)步態(tài)參數(shù)的影響. 根據(jù)視頻信息排除行走過程中的異常步態(tài)，同時(shí)去掉每組步態(tài)數(shù)據(jù)的頭尾數(shù)據(jù)，避免測試對(duì)象在起步和停止時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)分析的影響，保留的每組數(shù)據(jù)至少包括3個(gè)完整的步態(tài)周期.

1.3 測試結(jié)果

采用Morin剛度模型[3]，計(jì)算人體運(yùn)動(dòng)的下肢剛度K：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，F(xiàn)max是地面最大垂直作用力，ΔL是人體腿部最大壓縮量，tc是人體下肢單步支撐時(shí)間，tf是人體下肢單步騰空時(shí)間，m是人體下肢質(zhì)量，L是人體下肢長度，v是人體下肢運(yùn)動(dòng)速度，Δyc是人體質(zhì)心最大垂直位移.

利用Motion Analysis三維動(dòng)作捕捉分析系統(tǒng)，實(shí)時(shí)記錄測試對(duì)象以不同速度在平地行走的運(yùn)動(dòng)視頻，提取人體下肢剛度方程(1)～(4)的參數(shù)值，獲得測試對(duì)象的下肢剛度如圖1所示.

圖1 測試對(duì)象平地行走的下肢剛度曲線

測試對(duì)象以不同速度在平地行走的下肢均值剛度如表2所示，為下肢外骨骼機(jī)器人的剛度調(diào)控提供仿生設(shè)計(jì)數(shù)據(jù).

2 下肢外骨骼機(jī)器人的剛度調(diào)控

根據(jù)人體下肢的剛度特性，利用仿生學(xué)原理，設(shè)計(jì)一種下肢外骨骼機(jī)器人，能夠改變剛度，調(diào)整下肢外骨骼機(jī)器人與穿戴者的人機(jī)耦合姿態(tài).

調(diào)節(jié)下肢外骨骼機(jī)器人后腰和側(cè)腰的長度，可以滿足不同胖瘦的穿戴者，調(diào)節(jié)下肢外骨骼機(jī)器人大腿和小腿的長度，可以滿足不同身高的穿戴者，保證下肢外骨骼機(jī)器人的關(guān)節(jié)軸與穿戴者的關(guān)節(jié)軸重合，提高穿戴者的舒適性和實(shí)用性. 下肢外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示，關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍如表4所示.

表3 下肢外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)

表4 下肢外骨骼機(jī)器人的關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍

采用拮抗式氣動(dòng)肌腱驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，調(diào)控下肢外骨骼機(jī)器人的剛度，不斷變換下肢外骨骼機(jī)器人腿部與地面的接觸狀態(tài)和相互作用，讓下肢外骨骼機(jī)器人保持合適的剛度，產(chǎn)生柔順化的運(yùn)動(dòng)效果，緩沖和吸收地面的沖擊力，適應(yīng)環(huán)境的變化，保持運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)穿戴者的舒適性，提高穿戴者的運(yùn)動(dòng)靈活性. 氣動(dòng)肌腱采用德國FESTO公司的DMSP型氣動(dòng)肌腱，性能參數(shù)如表5所示.

表5 氣動(dòng)肌腱的性能參數(shù)

下肢外骨骼機(jī)器人左右腿的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)安裝美國ADI公司的S16477型慣性傳感器，實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)角信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理和數(shù)模轉(zhuǎn)換，進(jìn)行動(dòng)作生成與運(yùn)動(dòng)反解，獲取穿戴者左右腿髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的角速度與加速度，解算出穿戴者腿部的三維位姿，自適應(yīng)調(diào)控拮抗式氣動(dòng)肌腱的剛度，提供穿戴者所需的髖關(guān)節(jié)力矩和膝關(guān)節(jié)力矩，幫助穿戴者行走，實(shí)現(xiàn)下肢外骨骼機(jī)器人與穿戴者的動(dòng)作一體化，突破剛體結(jié)構(gòu)對(duì)于穿戴者的運(yùn)動(dòng)限制，提高步態(tài)穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性.

3 下肢外骨骼機(jī)器人的仿真分析

利用三維建模軟件Catia建立穿戴者與下肢外骨骼機(jī)器人的三維模型，如圖2所示.

圖2 穿戴者與下肢外骨骼機(jī)器人的三維模型

根據(jù)下肢外骨骼機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性，設(shè)置各個(gè)構(gòu)件的物理特性和約束關(guān)系，添加驅(qū)動(dòng)元件，設(shè)置驅(qū)動(dòng)函數(shù)完成仿真運(yùn)動(dòng).

下肢外骨骼機(jī)器人的約束關(guān)系(見表6)，設(shè)置動(dòng)態(tài)仿真的邊界條件.

表6 下肢外骨骼機(jī)器人的約束關(guān)系

在運(yùn)動(dòng)副添加驅(qū)動(dòng)元件，設(shè)置相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)：

下肢外骨骼機(jī)器人左腿髖關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)STEP(time, 0, 0, 0.55, -42d)+STEP(time, 0.55, 0, 0.9, 42d)+STEP(time, 0.9, 0, 1, -5d)；

下肢外骨骼機(jī)器人左腿膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)STEP(time, 0, 0, 0.15, -16d)+STEP(time, 0.15, 0, 0.4, 15d)+STEP(time, 0.4, 0, 0.75, -55d)+STEP(time, 0.75, 0, 1, 56d)；

下肢外骨骼機(jī)器人右腿髖關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)STEP(time, 0, 0, 0.3, 39d)+STEP(time, 0.4, 0, 0.9, -42d)+STEP(time, 0.9, 0, 1, 3d)；

下肢外骨骼機(jī)器人右腿膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)STEP(time, 0, 0, 0.15, -30d)+STEP(time, 0.15, 0, 0.4, 15d)+STEP(time, 0.4, 0, 0.75, -55d)+STEP(time, 0.75, 0, 1, 60d).

穿戴者為男性，身高1.75 m，體重75 kg，下肢外骨骼機(jī)器人的總體質(zhì)量10 kg，調(diào)節(jié)下肢外骨骼機(jī)器人后腰、側(cè)腰、大腿和小腿的長度，保證下肢外骨骼機(jī)器人髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸與穿戴者相應(yīng)的關(guān)節(jié)軸重合.

以運(yùn)動(dòng)速度0.8 m/s為例，仿真時(shí)間1.86 s，步數(shù)100，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，獲得下肢外骨骼機(jī)器人的剛度曲線，如圖3所示.

(a) 大腿的剛度曲線

(b) 小腿的剛度曲線圖3 下肢外骨骼機(jī)器人的剛度曲線

穿戴者與下肢外骨骼機(jī)器人以運(yùn)動(dòng)速度0.8 m/s在平地行走的過程中，下肢外骨骼機(jī)器人左側(cè)大腿剛度的最大值36.91 kN/m，最小值0.02 kN/m，均值剛度12.53 kN/m；下肢外骨骼機(jī)器人左側(cè)小腿剛度的最大值12.56 kN/m，最小值0.01 kN/m，均值剛度4.14 kN/m；相對(duì)于測試對(duì)象的下肢均值剛度5.69 kN/m，下肢外骨骼機(jī)器人左側(cè)大腿均值剛度增大6.84 kN/m，為穿戴者提供穩(wěn)定支撐，下肢外骨骼機(jī)器人左側(cè)小腿均值剛度減小1.55 kN/m，產(chǎn)生柔順化的運(yùn)動(dòng)效果，緩沖和吸收地面的沖擊力；下肢外骨骼機(jī)器人右側(cè)大腿剛度的最大值38.25 kN/m，最小值0.09 kN/m，均值剛度12.72 kN/m；右側(cè)小腿剛度的最大值10.39 kN/m，最小值0.01 kN/m，均值剛度4.43 kN/m；相對(duì)于測試對(duì)象的下肢均值剛度5.69 kN/m，下肢外骨骼機(jī)器人右側(cè)大腿均值剛度增大7.03 kN/m，為穿戴者提供穩(wěn)定支撐，下肢外骨骼機(jī)器人右側(cè)小腿均值剛度減小1.26 kN/m，產(chǎn)生柔順化的運(yùn)動(dòng)效果，緩沖和吸收地面的沖擊力. 下肢外骨骼機(jī)器人的剛度調(diào)控范圍滿足穿戴者下肢的剛度變化范圍，能夠提高穿戴者的運(yùn)動(dòng)靈活性.

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的下肢外骨骼機(jī)器人優(yōu)勢在于，滿足穿戴運(yùn)動(dòng)要求的同時(shí)，能夠根據(jù)外界環(huán)境和運(yùn)動(dòng)方式自適應(yīng)調(diào)節(jié)剛度，具有較好的靈活性.

(1)采用Motion Analysis三維動(dòng)作捕捉分析系統(tǒng)，記錄人體以不同速度在平地行走的運(yùn)動(dòng)視頻，獲得人體下肢的剛度特性，為下肢外骨骼機(jī)器人的剛度調(diào)控提供仿生設(shè)計(jì)數(shù)據(jù);

(2)利用三維建模軟件Catia建立穿戴者與下肢外骨骼機(jī)器人的三維模型，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，研究結(jié)果表明，穿戴者與下肢外骨骼機(jī)器人以運(yùn)動(dòng)速度0.8 m/s在平地行走的過程中，下肢外骨骼機(jī)器人左側(cè)大腿均值剛度增大6.84 kN/m，下肢外骨骼機(jī)器人右側(cè)大腿均值剛度增大7.03 kN/m，為穿戴者提供穩(wěn)定支撐；下肢外骨骼機(jī)器人左側(cè)小腿均值剛度減小1.55 kN/m，下肢外骨骼機(jī)器人右側(cè)小腿均值剛度減小1.26 kN/m，產(chǎn)生柔順化的運(yùn)動(dòng)效果，緩沖和吸收地面的沖擊力；下肢外骨骼機(jī)器人的剛度調(diào)控范圍滿足穿戴者下肢的剛度變化范圍，能夠提高穿戴者的運(yùn)動(dòng)靈活性,具有廣闊的應(yīng)用前景.