仿生运动康复机器人结构设计

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摘要：为人体提供运动康复辅助与训练功能，设计了张合型下肢仿生运动康复机器人，通过前后轮之间的差速，实现机器人鞍座运动轨迹可按照对标健康人体运动过程中髋关节运动轨迹运动，并且机械结构可从站姿张合状态调整为坐姿轮椅状态。分析了机械结构的静、动态平衡条件并做有限元分析，以杆件壁厚值为变量，所选材料最大许用应力、最大位移为边界条件，最小质量为目标函数，得到了一款轻量化的张合型仿生运动康复机器人的机械结构。

关键词：生物医学工程；机器人设计；仿生运动；结构优化

0引言

近年来，我国人口老龄化趋势日益加快[1]，日渐庞大的老年人群中，站起和行走能力降低或缺失给其晚年生活带来极大不便。因此助行、助残、助老等方面的需求助推了当前康复医疗机器人行业的蓬勃发展。目前已有大量关于下肢站起运动辅助[2]、步态行走辅助[3]的理论与应用研究。文献[4]给出了一种基于脚踏板的坐式下肢康复机器人系统，采用直线电机与滚珠丝杠作为动力与传动，患者在坐姿状态下，通过驱动脚部运动，进而向上带动小腿与大腿协同运动，实现下肢运动功能理疗康复。该设计原理简单，但执行机构较为复杂且涉及耦合问题，不适合家庭化应用。文献[5]给出了一种用于中风后病人步态康复训练的机器人，包括全方位水平移动平台、直线电机、六维力传感器等主要部分，其中水平移动平台保证患者原地步态行走，直线电机在竖直方向支撑患者体重，六维力传感器用于测量人机交互力。该机器人通过对患者提供减重式踏步行走实现步态康复训练，但仅适用于康复后期的患者，无法应用于康复运动全过程。文献[6]提出了一种穿戴式步态康复训练机器人，包含两个人机交互模块，可为患者髋关节和膝关节提供屈伸运动辅助，同时可根据使用对象身体尺寸调整机械结构，提高了设备的适用性，但仅可驱动辅助髋关节在身体矢状面内屈曲运动，限制了髋关节的其他自由度，仿生性差。文献[7]提出了一种可实现卧、坐、站多位姿的康复机器人，主要由支撑结构、运动平台、踏车训练器等组成，在辅助患者运动的同时，可通过测量人体相应部位肌电信号，评价患者的康复情况，但该设备体积大，结构复杂，不适合家庭化应用。

本文给出一种张合型运动仿生康复机器人，基于健康人体站起过程中髋关节的仿生运动轨迹，进行机械结构设计，通过机械结构周期性张合运动，使鞍座运动轨迹与人体髋关节运动轨迹充分拟合，同时鞍座为患者提供减重支撑助力，使患者在使用过程中实现减重式仿生步态运动。并且，机械结构可从站姿张合状态调整为坐姿轮椅状态。通过对结构的有限元分析与优化，得到一款可辅助患者坐、站、行等多模式的运动辅助、训练休憩机器人。

1仿生人体运动数据获取与处理

设计张合机器人，应具备辅助患者站起、步行两种运动辅助功能，可使患者按照对标健康人体运动状态实现康复运动训练与助行功能。在进行机械结构设计前，需要对人体站起及行走过程中关节运动学原理进行分析。

1.1站起过程运动学分析

首先，基于人体运动学特征，对人体肢段进行简化建模，在矢状面内建立人体2肢段模型。以踝关节为坐标原点建立平面坐标系，纵坐标向上，通过人体稳定站姿时的髋关节点，横坐标与水平面平行，则任意时刻髋关节点坐标（1）考虑使用者身高差异，查阅中国人体尺寸标准中18-60岁成年男性和18-55岁成年女性人体数据，分别取4组不同身高下男女身体标准数据，详细数据见表1，将8组数据分别代入髋关节轨迹表达式通过软件进行计算、拟合，得到站起过程中8条不同身高下的标准髋关节运动轨迹。身高为1.814m的成年男性（P1）与身高为1.503m的成年女性（P5）的站起轨迹，局部对比差异最大，但轨迹整体变化趋势相同，且最大位移差不超过25%。同时也发现，相同身高下男性的髋关节运动轨迹曲线略低于女性。将站起过程中8条不同身高下的标准髋关节运动轨迹做归一化处理并给出中值曲线，得出普遍意义上的人体站起过程中髋关节点的归一化轨迹，。将归一化标准轨迹曲线做线性化拟合分别得到1、2、3、4次函数曲线。

1.2行走过程髋关节运动数据分析

与处理要基于仿生人体运动学做助行机器人结构设计，需对健康人体行走过程中髋关节运动轨迹进行重点研究。根据预期使用需求，设定机器人助行的步态速度为1m/s，采样周期为60Hz。取站立姿态下髋关节点在地面投影点为坐标原点建立坐标系，横坐标表示前进距离，纵坐标表示髋关节点距地面高度，根据表1中的数据，得到不同对象的髋关节步态行进过程中的运动轨迹。分析方法同前节，得到中值轨迹中髋关节点最高时为0.908m，最低时为0.874m。

2机械结构设计

为辅助患者按照对标健康人体站起与行走状态进行运动，设计一种张合仿生行走机器人的机械结构，可实现功能：1、以人体站起过程中，髋关节轨迹为参照，辅助人体站起运动；2、以人体行走过程中髋关节运动轨迹为参照，使人体在步态行走过程中，通过对骨盆的助力实现健康行走运动；3、具备在行走疲劳期可适时休憩功能。所设计的张合型下肢康复训练机器人中各杆件设计尺寸。机械结构给出组成机器人结构的主要零部件，其中包括推手、轴控箱、前撑杆轴固件、一号螺栓、后撑杆上臂、前撑杆、调姿电机、限位撑杆、后撑杆下臂、支撑轮、护带、鞍座、扶手、步态拨杆、脚踏板、三个驱动轮。整体机器人结构通过底部三个驱动轮实现移动，前面两个驱动轮可同速转动，通过与后面驱动轮之前的差速，实现辅助机器人前撑杆和后撑杆上臂在矢状面内的张合运动，进而带动轴控箱在向前行进的同时，也可以实现周期性的上下移动，从而使鞍座上下往复运动和设备向前的助行运动，实现按照对标健康人体步态过程中髋关节的空间曲线运动状态，为下肢功能障碍患者提供科学的康复运动训练和行走运动辅助与保护；利用左右两个对称分布的曲轴轴径运动实现左右两个步态拨杆的周期性前后交错摆动。

患者可以根据自身康复状态，选取匹配强度的训练模式，提高训练效果。在设备处于辅助行走使用状态时，如果使用者突然发生意外失衡跌倒，惯性阻尼装置紧急自锁设备的运动自由度，保护患者不受二次伤害。调姿电机可改变前后驱动轮之间的静态距离，进而降低鞍座的高度，满足设备的功能切换，使机器人由行走模式转化为坐姿模式，当获得限位撑杆的反馈信号后自动停机并限位，机械结构调整为轮椅功能，在三个驱动轮同速工作状态下可作为电动轮椅移动使用，断电状态下可转换成手动推行轮椅模式。

3机械结构稳定性分析与优化

张合机器人总体结构设计完成，在人体矢状面内的结构简化图。在使用过程中，人体作为机械结构外载荷，在人机交互过程中可能使机械结构发生失稳，为增加使用过程中的安全系数，对机械结构进行静、动态稳定性分析，即坐姿轮椅功能状态下防止侧倾的静态稳定性分析和行走状态下步态辅助动态机械结构的稳定分析。

3.1前倾倒时的动态稳定性验证

在水平方向，假定在匀速平稳的辅助行走过程中，使用者由于病理原因导致身体在前进方向上前后倾倒失衡，则在瞬时的人机交互作用过程中，机械结构与人体的交互接触部位P点受到一定的冲击载荷而获得瞬时加速度，机械结构顶部所示，在行进的水平方向加载惯性力F惯性力，各部分杆件重力及相应的构件角度及尺寸参照图中标示，对其进行前倾与后倾的动态稳定性分析。仍然以标准人体运动数据为参考确定最大惯性力F惯性力，预设人体发生倾倒时间t为0.2s，人机交互点P处在人体上可检测的倾倒均值加速度为a，张合机器人辅助点到人体足底的高度为h惯性力，体重为m，人机交互点P处机械结构的前进方向水平位移为Px（t）则：()xxF=mamPt惯性力（5），人体发生前倾失衡时人机交互力F惯性力-Fr向前，以前轮中心为矩心列机械结构动态平衡的约束，考虑人体在向前行进过程中瞬间完全丧失自体平衡支持能力的极端状况，并伴随前向倾倒，人体总重量则瞬间全部施加于鞍座上，此时，轴控箱内的阻尼块瞬间提供阻尼力，用于防止机械机构在竖直方向由于体重的冲击载荷而产生张角突变，。

3.2后倾倒时的动态稳定性验证

按照康复医学临床经验数据，患者向后倾倒状况较少并且身体质心后倾运动速度及加速度均较小，即F惯性力_Be远小于F惯性力_Fr，且机械结构中MFr远大于MBe，则当前倾平衡方程满足条件时，足以满足后倾动态平衡条件。

3.3侧倾倒时的动态稳定性验证

由于机械结构在正视图内是左右对称的，因此仅选择单侧倾倒来进行稳定性分析。选取F惯性力_x的方向向右，以右前轮为矩心列动态平衡的约束

3.4坐姿时的静态稳定性验证

当张合机器人要使用坐姿状态时，通过后杆处的调姿电机，带动整个机械机构下放，整体结构的重心也将向下向后转移，最终达到坐姿的结构状态，执行轮椅的使用功能，此时主要考虑静态机械结构下的后倾失稳边界条件，如图7中给出的机械结构侧视简图和俯视简图，当人体坐姿时鞍座受力点P，通过所设计的机械结构各杆件尺寸比例关系，人体坐姿时重心投影恒在三轮覆盖的水平面内，则恒满足静态平衡的ZMP原理，系统稳定。

4张合行走及站-坐姿转换时电机选型

基于结构的尺寸，进一步确定前后轮的具体运动速度。点P的实时运动曲线为P(t)，与人体尾椎骨点的运动状态有关，设计为鞍座的运动轨迹，并且在稳定步态行走过程中，即为张合机器人前后撑杆的交合点位置O的运动轨迹,即：vP=vO。

4.1行走过程前后轮转速及差速分析

人机交互点P点的仿生运动学轨迹为张合机器人辅助行走功能下的运动学设计依据，设计实现机械结构中前后撑杆的张合运动功能。首先，确定步态运动过程中前后轮与点P的位置关系，以初始位置时点P在地面的投影点为原点o，建立平面坐标系，前进方向为x轴正方向,，如图7所示。则可以确定前后轮简化点A、B在侧视图中的坐标（Ax，Ay）和（Bx，By），前后撑杆L1和L2末端A和B距离地面值Ay和By为轮距设定为恒值0.04m，其横坐标为时变量，则A、B的坐标可表示为（Ax(t)，0.04）和（Bx(t)，0.04）。同理，P点坐标可相应表示为（Px(t)，Py(t)）。记P点水平速度为vP_x；A点速度为vA；B点速度为vB。则可得到Ax(t)和Bx(t)的表达式：()()[()0.04]()()[()0.04]xxyxxyAtPtLPtBtPtLPt=−−−=+−−（10）最终得到AB两点的差速Δv：()-()BAxxv=v−v=BtAt（11）得出差速曲线

4.2站-坐姿态转换过程中调姿电机动力分析

在完成步态运动分析及轮速计算后，需要进一步考虑机械结构由站姿转换为坐姿时后撑杆调姿电机的动力计算问题。仍以人机交互点P点的仿生运动学轨迹为基础，使机械结构的运动应尽量按照对标健康人体的自然坐站运动轨迹下降。在调姿功能转换过程中，首先将后轮转动锁死，再同时分别控制前轮位移和后撑杆中的调姿电机转动角位移，调整后撑杆中上下杆L1_U和L1_D间的夹角，以及前后撑杆之间的夹角，完成姿态功能的机械结构变换。此动态过程中，设计要求P点运动轨迹与人体由站到坐过程中的仿生学运动轨迹保持一致[8]。在转换过程中，AB间距LAB、L1_U和L1_D间的夹角θL同P点坐标的关系其中L3为人体站姿时，前后驱动轮轴心矢状面内的距离，即LAB的初始值。进一步分别得到AB间距、L1_U和L1_D间的夹角θL同站-坐进程的关系曲线，如图9所示。其中，L1_U和L1_D间的夹角θL随站-坐进程的变化曲线近似为一条直线（图9绿色曲线），线性拟合后可由直线表示，表达式如下式：y=-0.72403x+138.23（13）即控制θL变化的调姿电机为匀速转动，从而前轮B处电机为从动转动，配合完成P点运动轨迹按照图2中归一化的仿生拟合轨迹运动，二者的对比结果，相关系数大于0.96，充分满足了做-站运动过程，机械结构的P点运动轨迹实现仿生运动的设计目标。

5结构有限元分析

确定机械结构各部分尺寸后，需要对其进行静力学分析与尺优化。首先对结构进行相应的简化，如推手去掉，拟定机械结构整体采用45#钢管材加工，设计机械结构可额定承载的使用对象体重98kg。将简化后的机械结构导入Hyperworks软件中，对其进行网格划分、加载分析。结构所用45#钢材料属性如下：弹性模量210GPa，材料密度7850kg/m3，泊松比为0.3，许用应力为355MPa，取安全系数为1.1，则设计许用应力为322.7MPa。此外，设计机械结构最大安全位移尺寸小于10mm。机械结构在轮椅状态时，人体全部体重均加载于结构上，则此状态为载荷力最大状态，施力方式模拟实际工况，在鞍座部位施加共计为980N竖直向下均布力。图11为结构的静力学分析结果，最大许用应力296.8MPa，最大位移为3.15mm，满足设计要求。此时结构的整体质量为24.81kg。完成结构在初始尺寸条件下的有限元分析后，进一步考虑在满足机械结构安全性的前提下，结构质量是否有降低的可能性，拟利用有限元软件建立迭代优化过程[8]，在此过程中，以管件壁厚值为自变量，最大应力与最大位移为约束条件，最小质量为目标函数。M为机械结构的整体质量；mi机械结构中每一个构件的质量；f为xi为变量的质量函数；xi为单个构件的壁厚；σmax机械结构中最大许用应力；dmax机械结构的最大位移。经过4次迭代后，实现了机械机构轻量化的目标，机械结构的质量明显降低，最终质量为17.30kg，整体质量降低30.27%，其质量变化柱状图。将此质量下各件的壁厚值赋予各杆件，进行有限元分析，结果如图13所示，最大应力为321.1MPa，最大位移为4.25mm，满足设计条件，同时实现了结构轻量化目标。迭代优化值仅为理论参考值，为机械结构构件加工提供参考，应综合考虑加工实际情况，合理运用。

6结束语

本文给出了一种张合型下肢康复机器人，在辅助行走过程中，基于对标健康人行走过程中髋关节运动轨迹，通过前轮与后轮差速前行，使得鞍座的空间运动轨迹与人体髋关节运动轨迹吻合，为患者提供仿生步态行走助力。在下坐过程中，按照对标健康人站、坐过程中髋关节轨迹，机械结构后轮锁死，前轮与调姿电机转动，实现鞍座位置与髋关节站起运动轨迹的吻合，实现仿生站起运动辅助，可实现辅助站起、辅助行走和轮椅功能。借助有限元分析方法验证了机械结构的安全性，并进行尺寸优化，实现了轻量化目标。最终得到的张合机器人满足设计要求，实现了预期使用功能。

参考文献：

[7]王勇,梁启松,姜礼杰,等.一种新型下肢康复机器人的机构设计与分析[J].华中科技大学学报(自然科学版),

[8]刘坤,赵建琛,李超,等.基于Hyperworks的下肢康复训练系统机械结构设计与优化[J].吉林大学学报（工学版），

作者：刘 坤 骆星吉 吉硕 孙震源 徐洪伟 刘勇 单位：吉林大学 机械与航空航天工程学院