可穿戴式下肢外骨骼机器人机械结构设计

王 毓，许德章,胡 飞

安徽工程大学机械与汽车工程学院，芜湖，241000



可穿戴式下肢外骨骼机器人机械结构设计

王 毓，许德章,胡 飞

安徽工程大学机械与汽车工程学院，芜湖，241000

设计了一种下肢外骨骼助力机构，其中髋关节部分和踝关节部分采用了球铰装置，提高了下肢外骨骼机械结构的仿生性能。其驱动装置采用液压驱动。为了验证下肢外骨骼机械结构对人体行走姿态具有良好的跟随性，对下肢外骨骼机械结构的髋关节和膝关节进行了运动学仿真。通过获得的髋关节和膝关节的输出角度数据对比说明了该装置具有良好的跟随性。

下肢外骨骼；机械结构；球铰装置；液压；仿真

1 相关研究与问题提出

下肢外骨骼助力机器人是一款可以穿戴在人体下肢的机械装置，它既可用于增加人体的负载能力也可以帮助下肢瘫痪者进行康复性训练。其设计技术涉及到机器人学、控制学、仿生学、机构学、传感技术等学科。由于下肢外骨骼机器人的应用前景非常广泛，目前已成为智能机器人研究的一个热点[1-2]。

美国是最早研究下肢外骨骼机器人的国家之一[3],也是目前下肢外骨骼机器人研制最发达的国家之一，先后研制出HULC、XOS等机器人。日本筑波大学也推出了HAL系列助力机器人，它能帮助老年人和残疾人行走等[4]。国内的高校和研究院所也在积极研发，浙江大学、哈尔滨工业大学、中国科学院合肥智能研究所等均取得突破性研究成果[5]。

髋关节、膝关节和踝关节的结构设计对下肢外骨骼机构非常重要。在传统的外骨骼机器人设计中，髋关节多采用铰链或十字万向节以形成三个方向有一定自由度的结构，但由于人体髋关节的实际活动较为灵活，所以这种结构的仿生性能较差。另外，常见的外骨骼机器人设计多将髋关节的驱动放置在大腿杆上，并与之平行，但这种设计方式增加了机构的整体重量。

本文设计了一种助力下肢外骨骼机构，在髋关节处用球铰结构代替传统的铰链或十字万向节结构，提高了髋关节的仿生性能。另外，将髋关节的驱动装置放置在腰带的末端，这样可以让整个机构更加轻便。并且在设计时采用Solidworks软件进行三维建模，参照人体结构设计关节角度，并且计算驱动行程，最后采用ADAMS软件进行关节角度的仿真验证，结果表明该装置具有良好的跟随性。

2 下肢外骨骼机器人的整体结构

下肢外骨骼机器人是一款可供人穿戴的机构，在设计下肢外骨骼机器人的机械结构时，应遵循以下原则：第一，下肢外骨骼的机械结构必须类似于人体结构，采用拟人化的方法设计。由于穿戴下肢外骨骼的人的身高、体形等不同，所以要求所设计的下肢外骨骼的机械结构具有兼容性和跟随性，而且要让穿戴者感觉舒适。第二，下肢外骨骼机构的机械结构设计要求下肢外骨骼的材料有足够的刚度来承受重物，机构的强度要能承受做特殊动作所形成的冲击力，各个关节的运动范围要比人体正常行走时的范围大。第三，下肢外骨骼机器人机构要在保证刚度和强度的前提下，尽量减轻机构的重量。本文设计的下肢外骨骼机器人的人体数据参照与GB10000-1988《中国成年人人体尺寸》中的人体数据[6]。

下肢外骨骼机器人整体结构主要部分有腰带整体结构、髋关节整体结构、大腿连杆、小腿连杆、踝关节、脚底踏板、髋关节驱动液压缸、大腿升降调节机构、膝关节驱动液压缸和小腿升降调节机构(图1)。设计时，髋关节和膝关节采用液压驱动；为了改善机构与大腿的匹配性，大腿连接杆采用弧形结构，为膝关节的驱动液压缸留出空间，使整个机构变得更加紧凑。为了适应不同身高和胖瘦的人穿戴，该装置分别在腰带处、大腿连杆上端处和小腿连杆下端处设置有调节大小的兼容性伸缩机构。

图1 下肢外骨骼整体机械结构图

3 下肢关节的结构设计

髋关节和膝关节的结构是整个下肢外骨骼机器人的核心部分，也是最重要的部分[7]。

3.1 髋关节结构设计

如图2所示，髋关节由大腿连接头、关节夹板、驱动液压缸、球头链接装置、球头端盖、腰带伸缩装置和转动轴组成。

图2 髋关节整体结构

髋关节是用来连接大腿与腰部的。生理学、人体解剖学等研究成果表明，人体的髋关节是一个球窝状结构，由坐骨囊韧带、耻骨囊韧带、豁股韧带和关节孟辅助髋关节组成,能承受人体的重量，完成运动。人体解剖学研究表明，当人体自然站立时，髋关节的连接骨在矢状面和冠状面与人体的中轴线均有有一定的角度，大致为36°。

在设计髋关节机械结构时，本文在髋关节处采用球铰的连接方式。球头链接装置与腰带伸缩装置相连接，并且在连接处设计一个球头端盖。球头端盖的作用类似于人体中的各种韧带，该结构使髋关节能更好地承受机构的重量，辅助髋关节更好地运动，并且实现运动限位，为人体的髋关节提供限位保护。在人体自然站立时，髋关节的连接骨在矢状面和冠状面与人体中轴线均呈大约36°的角度，故在球铰和腰带伸缩装置末端连接的面也设计成36°的角。

在满足下肢外骨骼整体机构刚度和强度的前提下，尽量减轻机构的重量。结构应简单可靠，用驱动液压缸代替传统的腰带末端，并且基于三连杆机构和杠杆原理设计髋关节的驱动结构。大腿连接头的下端连接大腿连杆，在其中间装上滚动轴承连接转动轴，上端通过铰链链接驱动液压缸前端，通过液压缸控制关节的转动，为关节运动提供动力。液压缸末端连接另一根转动轴，该转动轴与球铰末端相连接。两个转动轴通过两块夹板用螺栓固定。

本文设计的髋关节结构与传统用铰链和万向节结构设计的髋关节相比，更具有仿生性能。并且利用液压缸代替传统的腰带末端结构，使整个髋关节结构更加紧凑，同时也减轻了结构的重量。

3.2 膝关节结构设计

如图3，膝关节由大腿连杆、限位螺钉、小腿连接头和驱动液压缸组成。

图3 膝关节整体结构

膝关节的机械结构如图3所示。大腿与小腿是通过膝关节连接在一起的。膝关节由股骨内、外侧髁和胫骨内、外侧髁以及髌骨构成。小腿通过膝关节和相关肌肉可作屈伸运动以及微小的旋转运动,但由于膝关节的关节囊紧固，因此通过膝关节的旋转运动范围小且韧带在小腿伸直时的限制紧,很难进行旋转运动,因此在进行膝关节结构设计时可以忽略其旋转运动。本文设计的膝关节在矢状面上有一定的自由度，基于仿生学理论，小腿连接头的前端有一段弧形的凸起，类似于人体的髌骨，并且采用有限元分析，设计减重孔，减轻重量。在减重孔中设有限位螺钉，对膝关节进行机械限位保护。

3.3 踝关节结构设计

小腿和脚底板的结构设计如图4所示。踝关节是将脚与小腿连接在一起的结构。踝关节作为被动关节，采用球铰装置，则具有较好的仿生性。人体脚部分为前脚掌和后脚掌，设计时用连接板和螺钉构成脚底板，用不同的连接板替代前脚掌和后脚掌，这样可弯曲,更符合人正常行走时的状况。连接板下设计橡胶材料的鞋垫，在橡胶垫下可布置足底压力传感器,用于收集人体运动的信息。

图4 踝关节整体结构

4 运动分析

本文中下肢外骨骼的髋关节与膝关节的设计均采用三连杆结构，且驱动方式均为液压驱动。为了获得液压缸的行程，首先要知道大腿与小腿的转动范围[8-9]。根据有关数据，大腿与小腿的转动范围分别设定为-30°～80°和0°～90°。采用绘图的方法，得到液压缸的行程，如图5和图6所示。

图5 髋关节驱动范围示意图

图6 膝关节驱动范围示意图

髋关节的驱动范围为：

L=Lmax-Lmin=82.6(mm)

所需液压缸的最大驱动力为：

其中，Fmax为液压缸所需最大驱动力，K为髋关节力矩，Kmax为实验中所得到的每千克力矩，M为人体的质量，Dmin为最小力矩，带入数据，计算得到:

Fmax≈900(N)

同理，膝关节的驱动范围绘图的方法可以得到：

L=Lmax-Lmin=100(mm)

代入数据，计算得到膝关节液压缸的最大驱动力为：

Fmax≈780(N)

图7 髋关节和膝关节的力矩图

5 仿真验证

由于在结构设计时，将三连杆机构的尺寸假设在髋关节和膝关节处，并且由于绘图的方法并不能完全地模拟三连杆机构的运动轨迹，因此应对该机构的假设进行仿真校核[10-11]。

本文采用ADAMS软件，分别对该机构的髋关节和膝关节的转角及对应的驱动液压缸的行程进行仿真校核，仿真结果如图8、图9和表1。

图8 髋关节转角和驱动行程

图9 膝关节转角和驱动行程

人体正常行走时，髋关节和膝关节的运动角度分别为-26.51°～32.82°和5.6°～78.65°，将仿真实验得到的数据和使用绘图法规定的数值与其对比，表明所设计的关节转角能满足正常人体行走的要求。将绘图法所得到的驱动行程和仿真实验得到的实际行程进行对比，可以得到驱动液压缸的行程，以此进行液压缸的选型或定制。

表1 关节运动范围对比

6 结束语

本文设计了一种下肢外骨骼机器人机构，其髋关节和膝关节处采用三连杆结构，尤其在髋关节处还设计了球铰装置，提高仿生性能。在大腿、小腿和腰带处分别设计有升降调节机构，用于适合不同形体的人。大腿处采用弧形结构，使整体结构更加紧凑。并且通过ADAMS仿真分析，验证了该机构的转角范围和驱动范围。

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[3]柴虎，侍才洪，王贺燕，等.外骨骼机器人的研究发展[J].医疗卫生装备，2013，34(4)：81-84

[4]尹军茂.穿戴式下肢外骨骼机构分析与设计[D].北京：北京工业大学机械工程与应用电子学院，2010:4-10

[5]YANG Canjun，NIU Bin，CHEN Ying.Adaptive Neuro-Fuzzy Control Based Development of a Wearable Exoskeleton Leg for Human Walking Power Augmentation[C]//California：Proceedings of the 2005 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics Monterey，California，2005：467-472

[6]朱小标,谢叻,许东上,等.下肢外骨骼机器人步行运动数值研究[J].中国数字医学，2013，2(8)：27-29

[7]史腾达，王 超，侯俊鹏.林用下肢外骨骼机器人结构设计[J].农业与技术，2013(33)：7-8

[8]孙明艳，胡军.穿戴式下肢外骨骼机器人的结构设计与仿真[J].机器人技术，2016(1)：43-48

[9]李美成.可穿戴下肢康复外骨骼结构设计及有限元分析[D].长春：长春理工大学研究生院，2014.28-32

[10]柯显信,陈玉亮,唐文彬.人体下肢外骨骼机器人的发展及关键技术分析[J].机器人技术与应用，2009，11(6)：28-32

[11]王超,宋慧新.基于虚拟样机技术的外骨骼机器人机构设计[J].现代电子技术，2014，2(4)：56-59

(责任编辑：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2017.02.025

2016-11-12

安徽省科技攻关计划项目(1604a0902125)。

王毓(1989-)，安徽舒城人，硕士，研究方向：机器人与信息感知研究。

TP242

A

1673-2006(2017)02-0102-04