仿生運動康復機器人結構設計
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摘要：為人體提供運動康復輔助與訓練功能，設計了張合型下肢仿生運動康復機器人，通過前后輪之間的差速，實現機器人鞍座運動軌跡可按照對標健康人體運動過程中髖關節運動軌跡運動，并且機械結構可從站姿張合狀態調整為坐姿輪椅狀態。分析了機械結構的靜、動態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力、最大位移為邊界條件，最小質量為目標函數，得到了一款輕量化的張合型仿生運動康復機器人的機械結構。
關鍵詞：生物醫學工程；機器人設計；仿生運動；結構優化
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前康復醫療機器人行業的蓬勃發展。目前已有大量關于下肢站起運動輔助[2]、步態行走輔助[3]的理論與應用研究。文獻[4]給出了一種基于腳踏板的坐式下肢康復機器人系統，采用直線電機與滾珠絲杠作為動力與傳動，患者在坐姿狀態下，通過驅動腳部運動，進而向上帶動小腿與大腿協同運動，實現下肢運動功能理療康復。該設計原理簡單，但執行機構較為復雜且涉及耦合問題，不適合家庭化應用。文獻[5]給出了一種用于中風后病人步態康復訓練的機器人，包括全方位水平移動平臺、直線電機、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行走，直線電機在豎直方向支撐患者體重，六維力傳感器用于測量人機交互力。該機器人通過對患者提供減重式踏步行走實現步態康復訓練，但僅適用于康復后期的患者，無法應用于康復運動全過程。文獻[6]提出了一種穿戴式步態康復訓練機器人，包含兩個人機交互模塊，可為患者髖關節和膝關節提供屈伸運動輔助，同時可根據使用對象身體尺寸調整機械結構，提高了設備的適用性，但僅可驅動輔助髖關節在身體矢狀面內屈曲運動，限制了髖關節的其他自由度，仿生性差。文獻[7]提出了一種可實現臥、坐、站多位姿的康復機器人，主要由支撐結構、運動平臺、踏車訓練器等組成，在輔助患者運動的同時，可通過測量人體相應部位肌電信號，評價患者的康復情況，但該設備體積大，結構復雜，不適合家庭化應用。
本文給出一種張合型運動仿生康復機器人，基于健康人體站起過程中髖關節的仿生運動軌跡，進行機械結構設計，通過機械結構周期性張合運動，使鞍座運動軌跡與人體髖關節運動軌跡充分擬合，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減重式仿生步態運動。并且，機械結構可從站姿張合狀態調整為坐姿輪椅狀態。通過對結構的有限元分析與優化，得到一款可輔助患者坐、站、行等多模式的運動輔助、訓練休憩機器人。
1仿生人體運動數據獲取與處理
設計張合機器人，應具備輔助患者站起、步行兩種運動輔助功能，可使患者按照對標健康人體運動狀態實現康復運動訓練與助行功能。在進行機械結構設計前，需要對人體站起及行走過程中關節運動學原理進行分析。
1.1站起過程運動學分析
首先，基于人體運動學特征，對人體肢段進行簡化建模，在矢狀面內建立人體2肢段模型。以踝關節為坐標原點建立平面坐標系，縱坐標向上，通過人體穩定站姿時的髖關節點，橫坐標與水平面平行，則任意時刻髖關節點坐標（1）考慮使用者身高差異，查閱中國人體尺寸標準中18-60歲成年男性和18-55歲成年女性人體數據，分別取4組不同身高下男女身體標準數據，詳細數據見表1，將8組數據分別代入髖關節軌跡表達式通過軟件進行計算、擬合，得到站起過程中8條不同身高下的標準髖關節運動軌跡。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%。同時也發現，相同身高下男性的髖關節運動軌跡曲線略低于女性。將站起過程中8條不同身高下的標準髖關節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節點的歸一化軌跡，。將歸一化標準軌跡曲線做線性化擬合分別得到1、2、3、4次函數曲線。
1.2行走過程髖關節運動數據分析
與處理要基于仿生人體運動學做助行機器人結構設計，需對健康人體行走過程中髖關節運動軌跡進行重點研究。根據預期使用需求，設定機器人助行的步態速度為1m/s，采樣周期為60Hz。取站立姿態下髖關節點在地面投影點為坐標原點建立坐標系，橫坐標表示前進距離，縱坐標表示髖關節點距地面高度，根據表1中的數據，得到不同對象的髖關節步態行進過程中的運動軌跡。分析方法同前節，得到中值軌跡中髖關節點最高時為0.908m，最低時為0.874m。
2機械結構設計
為輔助患者按照對標健康人體站起與行走狀態進行運動，設計一種張合仿生行走機器人的機械結構，可實現功能：1、以人體站起過程中，髖關節軌跡為參照，輔助人體站起運動；2、以人體行走過程中髖關節運動軌跡為參照，使人體在步態行走過程中，通過對骨盆的助力實現健康行走運動；3、具備在行走疲勞期可適時休憩功能。所設計的張合型下肢康復訓練機器人中各桿件設計尺寸。機械結構給出組成機器人結構的主要零部件，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、調姿電機、限位撐桿、后撐桿下臂、支撐輪、護帶、鞍座、扶手、步態撥桿、腳踏板、三個驅動輪。整體機器人結構通過底部三個驅動輪實現移動，前面兩個驅動輪可同速轉動，通過與后面驅動輪之前的差速，實現輔助機器人前撐桿和后撐桿上臂在矢狀面內的張合運動，進而帶動軸控箱在向前行進的同時，也可以實現周期性的上下移動，從而使鞍座上下往復運動和設備向前的助行運動，實現按照對標健康人體步態過程中髖關節的空間曲線運動狀態，為下肢功能障礙患者提供科學的康復運動訓練和行走運動輔助與保護；利用左右兩個對稱分布的曲軸軸徑運動實現左右兩個步態撥桿的周期性前后交錯擺動。
患者可以根據自身康復狀態，選取匹配強度的訓練模式，提高訓練效果。在設備處于輔助行走使用狀態時，如果使用者突然發生意外失衡跌倒，慣性阻尼裝置緊急自鎖設備的運動自由度，保護患者不受二次傷害。調姿電機可改變前后驅動輪之間的靜態距離，進而降低鞍座的高度，滿足設備的功能切換，使機器人由行走模式轉化為坐姿模式，當獲得限位撐桿的反饋信號后自動停機并限位，機械結構調整為輪椅功能，在三個驅動輪同速工作狀態下可作為電動輪椅移動使用，斷電狀態下可轉換成手動推行輪椅模式。
3機械結構穩定性分析與優化
張合機器人總體結構設計完成，在人體矢狀面內的結構簡化圖。在使用過程中，人體作為機械結構外載荷，在人機交互過程中可能使機械結構發生失穩，為增加使用過程中的安全系數，對機械結構進行靜、動態穩定性分析，即坐姿輪椅功能狀態下防止側傾的靜態穩定性分析和行走狀態下步態輔助動態機械結構的穩定分析。
3.1前傾倒時的動態穩定性驗證
在水平方向，假定在勻速平穩的輔助行走過程中，使用者由于病理原因導致身體在前進方向上前后傾倒失衡，則在瞬時的人機交互作用過程中，機械結構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，機械結構頂部所示，在行進的水平方向加載慣性力F慣性力，各部分桿件重力及相應的構件角度及尺寸參照圖中標示，對其進行前傾與后傾的動態穩定性分析。仍然以標準人體運動數據為參考確定最大慣性力F慣性力，預設人體發生傾倒時間t為0.2s，人機交互點P處在人體上可檢測的傾倒均值加速度為a，張合機器人輔助點到人體足底的高度為h慣性力，體重為m，人機交互點P處機械結構的前進方向水平位移為Px（t）則：()xxF=mamPt慣性力（5），人體發生前傾失衡時人機交互力F慣性力-Fr向前，以前輪中心為矩心列機械結構動態平衡的約束，考慮人體在向前行進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，軸控箱內的阻尼塊瞬間提供阻尼力，用于防止機械機構在豎直方向由于體重的沖擊載荷而產生張角突變，。
3.2后傾倒時的動態穩定性驗證
按照康復醫學臨床經驗數據，患者向后傾倒狀況較少并且身體質心后傾運動速度及加速度均較小，即F慣性力_Be遠小于F慣性力_Fr，且機械結構中MFr遠大于MBe，則當前傾平衡方程滿足條件時，足以滿足后傾動態平衡條件。
3.3側傾倒時的動態穩定性驗證
由于機械結構在正視圖內是左右對稱的，因此僅選擇單側傾倒來進行穩定性分析。選取F慣性力_x的方向向右，以右前輪為矩心列動態平衡的約束
3.4坐姿時的靜態穩定性驗證
當張合機器人要使用坐姿狀態時，通過后桿處的調姿電機，帶動整個機械機構下放，整體結構的重心也將向下向后轉移，最終達到坐姿的結構狀態，執行輪椅的使用功能，此時主要考慮靜態機械結構下的后傾失穩邊界條件，如圖7中給出的機械結構側視簡圖和俯視簡圖，當人體坐姿時鞍座受力點P，通過所設計的機械結構各桿件尺寸比例關系，人體坐姿時重心投影恒在三輪覆蓋的水平面內，則恒滿足靜態平衡的ZMP原理，系統穩定。
4張合行走及站-坐姿轉換時電機選型
基于結構的尺寸，進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有關，設計為鞍座的運動軌跡，并且在穩定步態行走過程中，即為張合機器人前后撐桿的交合點位置O的運動軌跡,即：vP=vO。
4.1行走過程前后輪轉速及差速分析
人機交互點P點的仿生運動學軌跡為張合機器人輔助行走功能下的運動學設計依據，設計實現機械結構中前后撐桿的張合運動功能。首先，確定步態運動過程中前后輪與點P的位置關系，以初始位置時點P在地面的投影點為原點o，建立平面坐標系，前進方向為x軸正方向,，如圖7所示。則可以確定前后輪簡化點A、B在側視圖中的坐標（Ax，Ay）和（Bx，By），前后撐桿L1和L2末端A和B距離地面值Ay和By為輪距設定為恒值0.04m，其橫坐標為時變量，則A、B的坐標可表示為（Ax(t)，0.04）和（Bx(t)，0.04）。同理，P點坐標可相應表示為（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-坐姿態轉換過程中調姿電機動力分析
在完成步態運動分析及輪速計算后，需要進一步考慮機械結構由站姿轉換為坐姿時后撐桿調姿電機的動力計算問題。仍以人機交互點P點的仿生運動學軌跡為基礎，使機械結構的運動應盡量按照對標健康人體的自然坐站運動軌跡下降。在調姿功能轉換過程中，首先將后輪轉動鎖死，再同時分別控制前輪位移和后撐桿中的調姿電機轉動角位移，調整后撐桿中上下桿L1_U和L1_D間的夾角，以及前后撐桿之間的夾角，完成姿態功能的機械結構變換。此動態過程中，設計要求P點運動軌跡與人體由站到坐過程中的仿生學運動軌跡保持一致[8]。在轉換過程中，AB間距LAB、L1_U和L1_D間的夾角θL同P點坐標的關系其中L3為人體站姿時，前后驅動輪軸心矢狀面內的距離，即LAB的初始值。進一步分別得到AB間距、L1_U和L1_D間的夾角θL同站-坐進程的關系曲線，如圖9所示。其中，L1_U和L1_D間的夾角θL隨站-坐進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，表達式如下式：y=-0.72403x+138.23（13）即控制θL變化的調姿電機為勻速轉動，從而前輪B處電機為從動轉動，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，二者的對比結果，相關系數大于0.96，充分滿足了做-站運動過程，機械結構的P點運動軌跡實現仿生運動的設計目標。
5結構有限元分析
確定機械結構各部分尺寸后，需要對其進行靜力學分析與尺優化。首先對結構進行相應的簡化，如推手去掉，擬定機械結構整體采用45#鋼管材加工，設計機械結構可額定承載的使用對象體重98kg。將簡化后的機械結構導入Hyperworks軟件中，對其進行網格劃分、加載分析。結構所用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，許用應力為355MPa，取安全系數為1.1，則設計許用應力為322.7MPa。此外，設計機械結構最大安全位移尺寸小于10mm。機械結構在輪椅狀態時，人體全部體重均加載于結構上，則此狀態為載荷力最大狀態，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為結構的靜力學分析結果，最大許用應力296.8MPa，最大位移為3.15mm，滿足設計要求。此時結構的整體質量為24.81kg。完成結構在初始尺寸條件下的有限元分析后，進一步考慮在滿足機械結構安全性的前提下，結構質量是否有降低的可能性，擬利用有限元軟件建立迭代優化過程[8]，在此過程中，以管件壁厚值為自變量，最大應力與最大位移為約束條件，最小質量為目標函數。M為機械結構的整體質量；mi機械結構中每一個構件的質量；f為xi為變量的質量函數；xi為單個構件的壁厚；σmax機械結構中最大許用應力；dmax機械結構的最大位移。經過4次迭代后，實現了機械機構輕量化的目標，機械結構的質量明顯降低，最終質量為17.30kg，整體質量降低30.27%，其質量變化柱狀圖。將此質量下各件的壁厚值賦予各桿件，進行有限元分析，結果如圖13所示，最大應力為321.1MPa，最大位移為4.25mm，滿足設計條件，同時實現了結構輕量化目標。迭代優化值僅為理論參考值，為機械結構構件加工提供參考，應綜合考慮加工實際情況，合理運用。
6結束語
本文給出了一種張合型下肢康復機器人，在輔助行走過程中，基于對標健康人行走過程中髖關節運動軌跡，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節運動軌跡吻合，為患者提供仿生步態行走助力。在下坐過程中，按照對標健康人站、坐過程中髖關節軌跡，機械結構后輪鎖死，前輪與調姿電機轉動，實現鞍座位置與髖關節站起運動軌跡的吻合，實現仿生站起運動輔助，可實現輔助站起、輔助行走和輪椅功能。借助有限元分析方法驗證了機械結構的安全性，并進行尺寸優化，實現了輕量化目標。最終得到的張合機器人滿足設計要求，實現了預期使用功能。
參考文獻：
[7]王勇,梁啟松,姜禮杰,等.一種新型下肢康復機器人的機構設計與分析[J].華中科技大學學報(自然科學版),
[8]劉坤,趙建琛,李超,等.基于Hyperworks的下肢康復訓練系統機械結構設計與優化[J].吉林大學學報（工學版），
作者：劉 坤 駱星吉 吉碩 孫震源 徐洪偉 劉勇 單位：吉林大學 機械與航空航天工程學院