謝哲東，向美琦，姜立民

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118）

1 引言

機(jī)械外骨骼是一種穿戴式的，能夠與人體結(jié)構(gòu)聯(lián)動(dòng)并協(xié)調(diào)控制的人機(jī)一體化智能系統(tǒng)，涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、人體仿生、傳感器、機(jī)電控制和信息處理等多項(xiàng)技術(shù)[1]，它實(shí)現(xiàn)了人的智能與機(jī)械力量的結(jié)合，可以為人體運(yùn)動(dòng)提供助力，減輕人體疲勞，在軍事和醫(yī)療領(lǐng)域都有所應(yīng)用。

目前，日本和美國(guó)對(duì)外骨骼機(jī)械的研究早已走在世界前列，日本筑波大學(xué)在2002 年就研制了機(jī)器人裝混合助力腿-HAL[2-4]，美國(guó)伯克利大學(xué)機(jī)器人和人體工程實(shí)驗(yàn)室也在2004 年研制出美軍下肢外骨骼-BLEEX[5-7]。而我國(guó)在2004 年后才開(kāi)始涉足，總體研究水平與國(guó)際研究水平存在較大差距。所以進(jìn)行機(jī)械外骨骼相關(guān)技術(shù)的研究，為加快我國(guó)外骨骼技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

為減輕人體勞作負(fù)擔(dān)，提出并設(shè)計(jì)了一種適用于人體負(fù)重情況的下肢助力機(jī)械外骨骼。機(jī)械裝置的助力主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：（1）把裝置作為人體外的另一套骨骼系統(tǒng)，和人體共同分擔(dān)負(fù)載，以此來(lái)減輕人體承重。（2）裝置可以模仿人體步態(tài)，為人體行走提供助力。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案

機(jī)械外骨骼應(yīng)該具備以下特征：能夠支撐身體，同時(shí)具備其他各式姿態(tài)；具備運(yùn)動(dòng)輔助功能；具備環(huán)境感知功能，協(xié)調(diào)配合人體運(yùn)動(dòng)和保護(hù)身體的功能。所以，人體負(fù)重助力下肢機(jī)械外骨骼除了能夠滿足穿戴和行走的基本需求外，還應(yīng)達(dá)到以下幾個(gè)要求：

（1）安全性：外骨骼的運(yùn)動(dòng)與人體運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)共處，二者不能發(fā)生沖突，外骨骼的重要關(guān)節(jié)應(yīng)具備自鎖性，防止對(duì)人體造成傷害。

（2）兼容性：外骨骼的結(jié)構(gòu)尺寸可調(diào)節(jié)，以此來(lái)滿足不同人群的穿著需求。

（3）適用性：體積繁重的機(jī)械外骨骼不便于負(fù)重作業(yè)，必須采用一些簡(jiǎn)潔輕巧的設(shè)計(jì)，減輕裝置自身質(zhì)量，提高負(fù)載效率；盡量滿足創(chuàng)新化、經(jīng)濟(jì)化、大眾化的要求。

（4）人機(jī)協(xié)調(diào)性：必須從人體結(jié)構(gòu)學(xué)和步態(tài)研究原理出發(fā)，進(jìn)行擬人化設(shè)計(jì)；確保裝置運(yùn)動(dòng)模式穩(wěn)定的同時(shí)，盡量簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)，增加人機(jī)之間的協(xié)調(diào)性。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，以人體下肢結(jié)構(gòu)為研究基礎(chǔ)，進(jìn)行人體負(fù)重下肢助力機(jī)械外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)《中國(guó)成年人人體尺寸GB10000-88》[8]數(shù)據(jù)可知，合理的裝置“大腿”桿長(zhǎng)度調(diào)節(jié)范圍為（400～500）mm，“小腿”桿長(zhǎng)度調(diào)節(jié)范圍為（300～400）mm，腰圍的可調(diào)范圍為（650～900）mm，及其他裝置結(jié)構(gòu)的基本尺寸，如表1 所示。

表1 下肢機(jī)械外骨骼裝置結(jié)構(gòu)基本尺寸Tab.1 Basic Structural Dimensions of Extremity Esoskeieton

根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)學(xué)可知，人體下肢運(yùn)動(dòng)的主要運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)為髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，并且關(guān)節(jié)的主要運(yùn)動(dòng)為矢狀平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

表2 下肢各關(guān)節(jié)矢平面內(nèi)角度旋轉(zhuǎn)范圍Tab.2 Rotation Range of Angles in Sagittal Plane of Lower Extremity Joints

實(shí)踐證明，完全按照人體各關(guān)節(jié)的活動(dòng)角度設(shè)計(jì)機(jī)械裝置會(huì)降低機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了保證裝置的安全性，應(yīng)在確保裝置能夠正常行走的狀態(tài)下，對(duì)裝置各關(guān)節(jié)的自由度和關(guān)節(jié)的最大伸展屈曲角度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。最終選定，髖關(guān)節(jié)角度活動(dòng)范圍（-12～28）°，膝關(guān)節(jié)角度活動(dòng)范圍（0～60）°，踝關(guān)節(jié)角度活動(dòng)范圍（13～-15）°。

依據(jù)人體下肢結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性，設(shè)計(jì)出人體負(fù)重下肢助力機(jī)械外骨骼結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。下肢助力機(jī)械外骨骼主要包括背負(fù)機(jī)構(gòu)、下肢機(jī)構(gòu)和足部機(jī)構(gòu)。背負(fù)機(jī)構(gòu)主要由綁縛固定于人體腰部的圍腰裝置和固定在圍腰上的負(fù)重裝置組成，在人體進(jìn)行負(fù)重作業(yè)時(shí)，使部分負(fù)載通過(guò)背負(fù)裝置傳至外骨骼再傳至地面，以此來(lái)減輕人體承重。下肢機(jī)構(gòu)由綁帶分別與人體下肢大腿、小腿連接，主要由大腿運(yùn)動(dòng)裝置和小腿運(yùn)動(dòng)裝置組成，是下肢外骨骼最主要的下肢承載結(jié)構(gòu)，為人體下肢提供支撐和運(yùn)動(dòng)輔助。為了適應(yīng)人體負(fù)重作業(yè)環(huán)境，滿足節(jié)能輕量、簡(jiǎn)化控制的要求，針對(duì)性地對(duì)大腿桿和小腿桿采用了不同的驅(qū)動(dòng)控制方式。大腿桿由安裝在髖關(guān)節(jié)處的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并設(shè)計(jì)了一種曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的變形機(jī)構(gòu)，將伺服電機(jī)的整周轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為大腿桿的往復(fù)擺動(dòng)，且髖關(guān)節(jié)角度自鎖，保證了裝置的安全性。小腿桿則由固定在大腿上與小腿相連接的伺服電缸驅(qū)動(dòng)。用兩種方式通過(guò)對(duì)關(guān)節(jié)角度和速度的控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)械與人體腿部的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

圖1 下肢助力機(jī)械外骨骼結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Exoskeleton Structure of Lower Limb Booster Machinery

足部機(jī)構(gòu)由綁帶與人體足部連接，主要用來(lái)放置傳感器，通過(guò)足底壓力的變化使外骨骼感知人體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)控制外骨骼與人體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的目的。

3 人體下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立

3.1 人體步態(tài)分析

人體行走步態(tài)周期圖，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《假肢和矯形器術(shù)語(yǔ)GB306660.1-2014》[9]第一部分-正常步態(tài)數(shù)據(jù)可知，每個(gè)步行周期內(nèi)單側(cè)下肢經(jīng)歷了兩個(gè)階段，即地面支撐階段和空中擺動(dòng)階段，如圖2 所示。參閱臨床步態(tài)分析（Clinical Gait Analysis，CGA）標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線》[10]，可以得到在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)，人體下肢各關(guān)節(jié)在矢平面內(nèi)的角度活動(dòng)曲線。

圖2 人體行走步態(tài)周期圖Fig.2 Human Walking Gait Cycle Diagram

3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立

在已知下肢機(jī)械外骨骼的各關(guān)節(jié)角度變化規(guī)律及大腿桿、小腿桿長(zhǎng)度的情況下，求得裝置末端位置姿態(tài)，因此對(duì)下肢機(jī)械外骨骼進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的D-H 法對(duì)人體下肢展開(kāi)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。由于本機(jī)構(gòu)踝關(guān)節(jié)處無(wú)驅(qū)動(dòng)，軌跡控制的輸入量是髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的角度，因此可將人體腿部先簡(jiǎn)化為兩連桿結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化模型，如圖3 所示。

圖3 人體腿部結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Kinematic Structure Diagram of Human Leg Structure

以下肢右腿為例進(jìn)行分析，按要求在各關(guān)節(jié)處建立坐標(biāo)系，｛i｝（i=0，1，2），各坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)為各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心。Zi軸為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸，Xi軸指向由Zi軸和Zi+1軸進(jìn)行確定，Yi軸指向由右手法則確定。所以可得髖關(guān)節(jié)處運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系為（x0，y0，z0），膝關(guān)節(jié)處運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系為（x1，y1，z1），踝關(guān)節(jié)處運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系為（x2，y2，z2），確定連桿坐標(biāo)系的參數(shù)后，如表2 所示。利用齊次變換原則即可求解各坐標(biāo)系間的相對(duì)位姿關(guān)系。

表3 關(guān)節(jié)連桿參數(shù)Tab.3 Joint Linkage Parameter

坐標(biāo)系｛i｝對(duì)坐標(biāo)系｛i-1｝的齊次變換矩陣通式為：

在同一平面內(nèi)，αi=0、di=0、a1=l1、a2=l2，故可得變換矩陣：

得到末端的位姿坐標(biāo)（x2，y2）為：

4 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

4.1 確定仿真方案

確定下肢機(jī)械外骨骼的仿真方案流程，如圖4 所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真方案流程圖Fig.4 Kinematics Simulation Flow Chart

4.2 simulink 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立與仿真

圖5 Simulink 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真程序模型Fig.5 Simulink Kinematics Simulator Model

利用得到的下肢正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，通過(guò)Matlab/Simulink 建立運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型，如圖5 所示。令仿真參數(shù)l1=450，l2=350。根據(jù)CGA 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線，可得到髖關(guān)節(jié)角度θ1和膝關(guān)節(jié)角度θ2在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的變化規(guī)律曲線，對(duì)其進(jìn)行等時(shí)間間隔劃分，取50 個(gè)離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并將函數(shù)數(shù)據(jù)按照時(shí)間-角度的關(guān)系保存在文檔中導(dǎo)入Matlab，對(duì)曲線進(jìn)行插值運(yùn)算，將插值擬合得到的曲線作為信號(hào)源添加到Simulink 建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型中進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，可分別得到機(jī)構(gòu)末端位姿變化時(shí)，失平面內(nèi)x2、y2的位移隨時(shí)間變化曲線，利用XY Graph 模塊可得到機(jī)構(gòu)末端隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線圖，如圖6 所示。

圖6 機(jī)構(gòu)末端隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線圖Fig.6 Motion Curve of the End of Mechanism with Time

再將輸出的x2、y2作為信號(hào)源進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，所得θ1和θ2變化規(guī)律與CGA 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線對(duì)比基本一致（圖7 以膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)變化曲線為例），驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的正確性，同時(shí)也驗(yàn)證了正運(yùn)動(dòng)學(xué)所得機(jī)構(gòu)末端姿態(tài)位移軌跡（圖6）的可靠性。

圖7 膝關(guān)節(jié)一個(gè)周期內(nèi)角度變化曲線圖Fig.7 Diagram of angle Change in One Cycle of Knee Joint

4.3 三維動(dòng)態(tài)模型仿真

4.3.1 運(yùn)動(dòng)軌跡控制的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡控制的基本思路是：先根據(jù)已知的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角變化規(guī)律曲線驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，得到電機(jī)隨時(shí)間變化的運(yùn)行規(guī)律，再用得到的數(shù)據(jù)對(duì)電機(jī)和電缸進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)和電缸驅(qū)動(dòng)下的機(jī)械裝置仿人體步態(tài)行走。所以首先要把已知的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角變化規(guī)律曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，變成用來(lái)控制伺服電機(jī)的脈沖信號(hào)，驅(qū)控制電機(jī)和電缸運(yùn)動(dòng)，得到在完成規(guī)定動(dòng)作情況下的電機(jī)和電缸運(yùn)動(dòng)規(guī)律。根據(jù)已知的髖、膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行等時(shí)間間隔劃分取點(diǎn)采樣，即可分別得到一組離散的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)點(diǎn)。最后將4組驅(qū)動(dòng)函數(shù)數(shù)據(jù)按照時(shí)間-角度的關(guān)系存入文檔導(dǎo)入SolidWorks Motion 動(dòng)態(tài)仿真軟件，并用AKISPL 函數(shù)進(jìn)行樣條插值驅(qū)動(dòng)函數(shù)的擬合，使關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)按照期望進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，確保動(dòng)態(tài)模型能夠?qū)崿F(xiàn)仿人體的正常步態(tài)行走。同時(shí)得到了以旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)作為驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)電機(jī)和電缸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，電機(jī)和電缸的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖8 所示。

圖8 膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電缸位移曲線Fig.8 Displacement Curve of Electric Cylinder Driven by Knee Joint

4.3.2 動(dòng)態(tài)仿真

將求得的電機(jī)與電缸隨時(shí)間變化的位移曲線同樣取點(diǎn)采樣后生成AKISPL 函數(shù)，再將其作為電機(jī)和電缸的驅(qū)動(dòng)函數(shù)導(dǎo)入Motion 進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝置受電機(jī)和電缸驅(qū)動(dòng)控制，進(jìn)行仿人體步態(tài)運(yùn)動(dòng)的目的。并得到了動(dòng)態(tài)仿真狀態(tài)下機(jī)構(gòu)末端的隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線圖，如圖9 所示。

圖9 動(dòng)態(tài)仿真機(jī)構(gòu)末端運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.9 End Motion Trajectory of Dynamic Simulation Mechanism

雖然由于采集數(shù)據(jù)或插值函數(shù)等原因造成了一定的誤差，其結(jié)果與Simulink 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真所得結(jié)果（圖6）對(duì)比，位姿仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)模型的正確性，證明了電機(jī)與電缸驅(qū)動(dòng)函數(shù)的可靠性，也進(jìn)一步驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。

4.3.3 試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真的合理性，針對(duì)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，搭建了簡(jiǎn)易試驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)表明，利用動(dòng)態(tài)仿真所得驅(qū)動(dòng)函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的基本運(yùn)動(dòng)功能，其運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與人體步態(tài)基本一致，所得結(jié)果符合預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

圖10 試驗(yàn)平臺(tái)Fig.10 Test Platform

5 結(jié)論

（1）根據(jù)人體下肢結(jié)構(gòu)，完成了人體負(fù)重下肢助力機(jī)械外骨骼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和建模。（2）結(jié)合人體正常步態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和建模，利用軟件對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和動(dòng)態(tài)仿真。用動(dòng)態(tài)仿真所得末端位置運(yùn)動(dòng)軌跡驗(yàn)證simulink 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的合理性，進(jìn)而驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的正確性。（3）搭建簡(jiǎn)易試驗(yàn)平臺(tái)，利用動(dòng)態(tài)仿真得到電機(jī)驅(qū)動(dòng)函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)下肢機(jī)械外骨骼的仿人體步態(tài)行走運(yùn)動(dòng)，證明動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果的可靠，驗(yàn)證了整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。