（宜昌市葛洲坝中学 湖北 宜昌 443002）
摘要：下肢运动功能障碍患者为数众多，常规的康复训练高度依赖理疗师，成本昂贵，常人难以承受。下肢外骨骼康复机器人能有效解决这一社会问题。本文设计了一个单腿两自由度主动驱动的下肢外骨骼康复机器人。采用两个直线驱动器分别驱动髋关节和膝关节的运动，直线驱动器末端安装有力传感器，通过时时检测人-机作用力实现机器人的柔顺控制。本文对该机构进行了运动学分析，并使用MATLAB对机构进行了轨迹规划仿真。仿真结果表明该下肢外骨骼康复机器人具备辅助病人的能力。
关键词：下肢外骨骼，柔顺控制，轨迹规划
0 引言
随着人口老龄化的发展，脑卒中，骨关节炎等老龄化疾病患者数量逐渐增加。这类患者往往患有各种致残的疾病，丧失正常的运动能力[1]。在这样的时代背景下，未来社会对康复医疗的需求将越来越迫切。下肢外骨骼机器人将为解决这一社会问题发挥重要的作用。
近年来，国内外众多研究机构对康复机器人开展了深入的研究。在台架式下肢外骨骼康复机器人研究方面，瑞士HOCOMA公司和瑞士苏黎世联邦理工大学共同研制的Lokomat外骨骼康复机器人，它髋关节和膝关节各采用一个直线电机进行驱动，单腿具有两个自由度，双腿四个自由度。该机器人在轨迹控制的基础上采用了阻抗控制的方式，具有很好的实用性和用户体验[2-4]。哥伦比亚大学研发的ALEX，除了单腿的四个自由度之外，骨盆上还具有四个自由度，机器人总共具有十二个自由度，它将电机放在下肢外骨骼后方,采用带轮等实现电机远端驱动，有效地降低了机器人运动部件的惯量，该机器人采取将切向力和法向力作用在患者的踝关节的方式,切向力帮助患者按照轨迹移动,法向力用于调整踝关节轨迹的法向运动阻碍[5]。荷兰屯特大学研发的LOPES，该机器人采用绳驱动的方式，单腿有四个自由度，除了髋关节和膝关节在矢状面上的各一个旋转自由度外，还增加了骨盆的移动和髋关节的内收外展运动。该机器人同时具有两种不同的控制模式，分别为机器人主动和患者主动，充分考虑到了不同人的行走能力，能根据患者的实际需要提供必要的辅助[6]. 瑞士洛桑理工大学研制的WalkTrainer，它髋关节，膝关节，踝关节各一个自由度，单腿具有3个自由度，同时骨盆具有6个自由度，机器人总共有12个自由度。该机器人采用了肌肉电刺激的物理疗法，同时通过腿部外骨骼上的力传感器，实现了人-机的闭环控制[7]。国内上海璟和研制的Flexbot机器人实现了多体位的康复训练，病情严重的病人在康复训练初期可以躺着进行康复训练，待恢复得较好时，可以选择站立式训练[8]。
此外，在独立式下肢康复外骨骼方面，以色列的Rewalk[9], 美国的EKSO[10]，日本的HAL[11]等都是下肢康复机器人中的杰出代表。国内的电子科技大学研制的外骨骼机器人[12]，北航研制的“大艾’外骨骼机器人[13]也取得了可喜的成绩。
与传统的工业机器人相比，康复机器人的一个突出特点是与人的交互十分频繁。 安全性，舒适性，以及适应各种不同的工作环境是康复机器人需要考虑的重要问题。相反，工业机器人所需的高精度，高速度等特性在这里要求并不高。因此，设计出具有柔顺性的下肢外骨骼康复机器人具有重要的意义。
本文将就设计出一套下肢外骨骼康复机器人展开论述。首先，将根据人体下肢结构进行机器人的机械机构设计，接着进行机构的运动学分析，并使用MATLAB软件对该机构进行仿真。仿真结果表明该机器人具有协助病人进行康复运动训练的能力。
1 机构模型
1.1机构模型设计
人体结构模型是设计下肢外骨骼康复机器人基础。因此，我们先对人体下肢进行分析。人体下肢主要有三个关节，分别是髋关节，膝关节，踝关节。髋关节主要有髋臼和股骨组成，在运动时，股骨绕着髋臼运动，是一个球窝关节。膝关节连接了股骨和胫骨，踝关节主要由胫骨和腓骨下端的关节面与距骨滑车构成[14]。人体行走过程中，矢状面上的运动占主导地位。为了机构的简化，我们仅考虑下肢在矢状面上的运动，并把髋、膝、踝关节都简化为铰链关节。
该下肢外骨骼康复机器人为台架式下肢外骨骼机器人，上方的支架与台架相连接。髋关节与膝关节之间的连杆与大腿绑定，膝关节与踝关节之间的连杆与小腿绑定。直线驱动器由直流电机，同步带，滚珠丝杠，以及末端的力传感器组成。同步带，滚珠丝杠等机构把直流电机的转动转化为直线运动。力传感器能够实时检测到直线驱动器的推力，当推力过大时，直线驱动器减慢速度或者停止运动甚至向反方向运动，力传感器的加入增加了康复机器人的柔顺性，避免了机器人对人的伤害。该机构中髋关节和膝关节由两个直线电机主动驱动，踝关节为被动运动。为了能够适应不同人的腿长，设计了长度调节机构。该调节机构为在调节机构上下部之间都加工出一系列出通孔，上下两部分通过螺栓连接。通过调节机构下部分与上部分在不同位置连接，可以改变机构的长度。
1.2机构参数
人体正常步行过程中，髋关节最大屈曲约30°，最大伸展约20°，膝关节最大屈曲约为65°、最大伸展为0°。踝关节最大背屈约为30°，最大跖屈约为50°[14].我们设计的该机构的适应人体身高为150mm-190mm.根据这个数据，经过运动学解算，我们选择直线驱动器的工作行程范围如表1所示。
根据几何关系：
其中：
首先，进行正运动学分析，这里，电机长度已知，求髋膝关节运动角度.
已知直线电机长度，在三角形和三角形中，由三角函数可得
由此可得
求出，后，再由(1)式得：
下面进行逆运动学分析，这里已知髋关节的运动角度和膝关节的运动角度，求两个电机的长度L1和L2，由(1)式可求出角度，。
根据(3)式可以求出对应直线电机的长度。
3 仿真分析
对样机进行仿真分析是验证机构合理性和检验运动学分析正确性的重要方法，与进行实物样机实验相比，仿真分析的方法可以有效的降低成本并能发现机构的不合理，减少错误的设计造成的不必要的损失。本节我们将使用MATLAB软件对该机构进行仿真。
根据人体步态数[14]，我们可以得到正常人体步行过程中，髋膝关节的运动曲线大至如下图4，5所示。
这里，我们假设人体大腿长为450mm,即O1O6=450mm,小腿长为400mm,即O6O7=400mm.让该机构按照图4所示轨迹运动，可以得到两个电机的运动轨迹曲线如图5和图6所示。
试验结果表明，该机构能够按照人体的正常步态进行运动，具有帮助病人进行康复训练的能力。
4 结论
本文根据人体下肢结构设计了一套下肢外骨骼康复机器人，该机器人能对髋关节和膝关节进行主动驱动，踝关节为被动适应。并对该机构进行了运动学分析和MATLAB仿真。仿真结果显示该机构设计合理，具有良好的工作能力，能够协助病人进行康复运动训练。
本文的研究成果为下肢康复机器人进一步的轨迹规划，机构参数的定量优化以及柔顺性下肢康复外骨骼机器人的设计奠定了基础。 目前只对该机构只进行了初步的设计和运动学分析，接下来将对该机构进行动力学分析并对机构参数进行进一步的优化。
参考文献
[1] 戴红, 姜贵云.康复医学[M]. 北京：北京大学医学出版社，2013.
[2] S. Jezernik, G. Colombo, M. Morari. Automatic Gait-Pattern Adaptation Algorithms for Rehabilitation With a 4-DOF Robotic Orthosis[J]. IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS AND AUTOMATION, 2004,20(3):574-582
[3] Alexander Duschau-Wicke, Thomas Brunsch, Lars L¨unenburger, and Robert Riener. Adaptive Support for Patient-Cooperative Gait Rehabilitation with the Lokomat//2008 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.2011,pp.2357-2361
[4] Michael Bernhardt, Martin Frey, Gery Colombo, Robert Riener. Hybrid Force-Position Control Yields Cooperative Behaviour of the Rehabilitation Robot LOKOMAT// in Proceedings of the 9th IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics, ICORR 2005, pp. 536-539.
[5] Margareta Nordin, Victor H.Frankel著，邝适存，郭霞主译. 肌肉骨骼系统基础生物力学[M]. 北京：人民卫生出版社，2008.
论文作者:王子鸣
论文发表刊物:《科技中国》2017年1期
论文发表时间:2017/3/16
标签：机器人论文; 下肢论文; 骨骼论文; 机构论文; 膝关节论文; 关节论文; 自由度论文; 《科技中国》2017年1期论文;