周福鑫，楊家春，李健

（廣西科技大學(xué)，廣西 柳州 545000）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)O(shè)計(jì)出針對(duì)下肢的外骨骼機(jī)器人[1]。在發(fā)展初期，外骨骼機(jī)器人主要用于軍事方面，用于提高士兵在遇到崎嶇復(fù)雜的山路、難以通過(guò)的復(fù)雜路段時(shí)的機(jī)動(dòng)性和負(fù)載能力。隨著外骨骼技術(shù)的逐漸成熟，下肢康復(fù)外骨骼開(kāi)始應(yīng)用于殘疾用戶的輔助康復(fù)訓(xùn)練，為殘疾患者提供關(guān)節(jié)助力，幫助患者進(jìn)行屈曲、伸展訓(xùn)練[2]。

下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人如今主要分為大型固定式康復(fù)機(jī)器人、獨(dú)立的背負(fù)式外骨骼和移動(dòng)式下肢康復(fù)機(jī)器人。固定式康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)龐大，功能全面，主要面向無(wú)肌力或肌力較弱的用戶，無(wú)法為用戶提供真實(shí)行走體驗(yàn)，受到康復(fù)訓(xùn)練場(chǎng)地的局限。背負(fù)式外骨骼是用戶穿著在身上，進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，增加用戶負(fù)重，不利于用戶進(jìn)行下肢康復(fù)訓(xùn)練。而移動(dòng)式下肢康復(fù)機(jī)器人是將移動(dòng)平臺(tái)與外骨骼進(jìn)行組合，既能提供真實(shí)的行走體驗(yàn)，又能減輕用戶負(fù)擔(dān)。

本文針對(duì)實(shí)驗(yàn)室所研制的下肢康復(fù)訓(xùn)練外骨骼[3]，設(shè)計(jì)了一款移動(dòng)機(jī)架來(lái)承載外骨骼進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，達(dá)到減輕用戶負(fù)擔(dān)并實(shí)現(xiàn)移動(dòng)的目的。移動(dòng)平臺(tái)通過(guò)分析外骨骼機(jī)器人在康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中的工作狀態(tài)，通過(guò)Hyperwork對(duì)移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的承載穩(wěn)定性，為保證外骨骼關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中不因共振而損壞[4]，對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算在一階、二階模態(tài)下的固有頻率，為外骨骼康復(fù)機(jī)器人的搭載提供電動(dòng)機(jī)選擇依據(jù)，避免因同頻振動(dòng)損壞所搭載的外骨骼電動(dòng)機(jī)，保證設(shè)備運(yùn)行的安全性。為保證移動(dòng)平臺(tái)的良好通過(guò)性，在遇到輕微顛簸時(shí)能夠順利通行，在MSC Adams中搭建虛擬仿真系統(tǒng)，當(dāng)康復(fù)機(jī)器人以健康人的行走速度運(yùn)行時(shí)，驗(yàn)證機(jī)器人在遇到障礙時(shí)的抗傾倒性，保證用戶在使用過(guò)程中避免傾倒的危險(xiǎn)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)在使用過(guò)程中所需要服務(wù)用戶群體的范圍，根據(jù)《中國(guó)成年人人體尺寸》（GB/T 10000-1988）[5]中的成年人男性和女性的人體尺寸數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)寬度尺寸為1 m，選用304不銹鋼材質(zhì)的圓管作為結(jié)構(gòu)的主要支撐。圖1為外骨骼機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)架結(jié)構(gòu)示意圖，機(jī)架主要由機(jī)身、萬(wàn)向輪和外骨骼調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)三部分組成，機(jī)身是由304不銹鋼管組成的U形結(jié)構(gòu)，環(huán)繞用戶，給用戶充足的安全感；4個(gè)萬(wàn)向輪分布在車身底面四角，給機(jī)架提供移動(dòng)能力，選擇圖2所示具有雙剎車功能的萬(wàn)向輪，既可以鎖定萬(wàn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向，進(jìn)行直線行走，也可以解鎖實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)，為用戶提供不同的行走方案；外骨骼調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖3所示，由蝸輪蝸桿升降機(jī)和絲桿滑臺(tái)組成，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的自鎖功能[6]可以保持在固定高度不會(huì)發(fā)生變化。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)作為外骨骼與移動(dòng)機(jī)架的鏈接部分，可以根據(jù)用戶身材和外骨骼結(jié)構(gòu)的不同進(jìn)行寬度和高度的調(diào)節(jié)。

圖1 移動(dòng)機(jī)架示意圖

圖2 雙剎萬(wàn)向輪

圖3 外骨骼調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

2 有限元靜力學(xué)仿真分析

在將外骨骼安裝在康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行使用的過(guò)程中，除了要考慮用戶使用的舒適性，最基礎(chǔ)的就是要保證外骨骼安裝的穩(wěn)定性和用戶使用的安全性。本文所表述的外骨骼移動(dòng)機(jī)架是剛性結(jié)構(gòu)，既要承受下肢外骨骼的質(zhì)量，同時(shí)還要承擔(dān)用戶自身的部分質(zhì)量。移動(dòng)機(jī)架作為外骨骼和用戶的支撐結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性直接影響到其功能的可行性。本文通過(guò)Hypermesh對(duì)移動(dòng)機(jī)架進(jìn)行仿真，分析其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

本節(jié)有限元分析主要分為4個(gè)過(guò)程：

1）本文主要研究對(duì)象為移動(dòng)機(jī)架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、抗變形能力，在進(jìn)行仿真之前，在SolidWorks軟件中對(duì)結(jié)構(gòu)中不起承重作用的部分進(jìn)行幾何清理，避免因外界因素影響網(wǎng)格質(zhì)量和仿真效果，而后將模型導(dǎo)入Hypermesh進(jìn)行后續(xù)處理，同時(shí)選擇UNIT SYSTEM（單位系統(tǒng)）: mm, t,s, N。

2）對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行有限單元網(wǎng)格劃分。在主菜單中選擇3D下的tetramesh（四面體網(wǎng)格劃分）命令，選擇Volume tetra（體積四面體網(wǎng)格劃分）選項(xiàng)，單元尺寸設(shè)置為2，其余參數(shù)默認(rèn)設(shè)置，最后點(diǎn)擊mesh，完成網(wǎng)格劃分。

3）有限元模型材料屬性參數(shù)設(shè)置?？紤]到移動(dòng)機(jī)架的使用環(huán)境，在設(shè)計(jì)時(shí)，選用304不銹鋼為主體材料。在Hypermesh中單擊Materials命令，打開(kāi)材料創(chuàng)建面板，設(shè)置材料名稱，將材料類型設(shè)為ISOTROPIC，選擇材料卡片為MAT1，單擊create/edit按鈕，創(chuàng)建材料304（參考GB/T 699-1999設(shè)置）并打開(kāi)材料選項(xiàng)卡編輯面板，在數(shù)據(jù)表中設(shè)置Young's Modulus（彈性模量）為190 GPa，Poisson's Ratio（泊松比）為0.29，Mass Density（質(zhì)量密度）為8000 kg/m3，其余參數(shù)不變。在Hypermesh快捷工具欄中單擊Properties（Materials命令右側(cè)）命令，打開(kāi)單元屬性創(chuàng)建面板，輸入屬性名稱，屬性類型選擇3D，card image設(shè)為PSOLID，材料選擇上步中創(chuàng)建的304材料。單擊create/edit按鈕，創(chuàng)建單元屬性并打開(kāi)單元屬性選項(xiàng)卡面板。然后返回，選擇assign，打開(kāi)assign子面板。在elems中選擇需要添加屬性的單元，設(shè)置type為3D，在property中選擇上步創(chuàng)建的solid屬性。單擊assign按鈕將單元屬性賦給有限元模型。

4）載荷及邊界條件設(shè)置。移動(dòng)機(jī)架的負(fù)載除自身質(zhì)量外，主要包括外骨骼質(zhì)量和用戶的部分體重，在進(jìn)行仿真時(shí)，外骨骼整體質(zhì)量為15 kg，用戶質(zhì)量設(shè)為65 kg，共80 kg，乘上安全系數(shù)1.2，以96 kg的總負(fù)載進(jìn)行仿真分析，對(duì)兩側(cè)髖關(guān)節(jié)固定板的關(guān)節(jié)中心點(diǎn)處分別施加沿-Y 方向480 N的集中力，在底部4個(gè)輪子安裝位置設(shè)置固定約束，如圖4所示。

圖4 載荷和邊界條件設(shè)置

5）求解及后處理。利用Optistruct求解器進(jìn)行求解，并通過(guò)Hyperview查看求解結(jié)果，靜力分析應(yīng)力云圖和變形云圖如圖5所示。同時(shí)為了保證本移動(dòng)機(jī)架在搭載外骨骼過(guò)程中不會(huì)與下肢外骨骼發(fā)生共振，對(duì)移動(dòng)機(jī)架進(jìn)行了一階、二階模態(tài)分析，仿真效果如圖6所示。

圖6 移動(dòng)機(jī)架模態(tài)分析變形云圖

由圖5可以看出，在受到96 kg的負(fù)載時(shí)，云圖大范圍呈藍(lán)色，移動(dòng)機(jī)架沿Z向最大應(yīng)變?yōu)?.471 mm，最大應(yīng)力為928.214 MPa，因?yàn)橥夤趋肋B接在滑臺(tái)最內(nèi)部，且滑臺(tái)完全探出后，受到極大的力矩，應(yīng)力集中在滑臺(tái)與外骨骼連接處。在最大應(yīng)變位置（滑臺(tái)端）的綜合變形為6.465 mm，因此當(dāng)用戶在使用該款康復(fù)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)時(shí)能夠保證用戶安全，完成目標(biāo)運(yùn)動(dòng)。

圖5 移動(dòng)機(jī)架應(yīng)力云圖和變形云圖

從對(duì)一階、二階模態(tài)仿真的結(jié)果來(lái)看，在一階振型時(shí)，變形主要集中在水平滑臺(tái)處，最大變形為6.646 mm，頻率為8.204 Hz；在二階振型時(shí)，變形主要集中在模型的后端突出部分，最大變形為8.525 mm，頻率為15.534 Hz。正常人行走過(guò)程中的擺動(dòng)頻率為2 Hz左右，而使用下肢外骨骼的用戶的行走頻率，均不高于正常人的行走頻率，因此該機(jī)架不會(huì)在搭載用戶進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的過(guò)程中產(chǎn)生共振。

3 防傾倒仿真分析

外骨骼康復(fù)機(jī)器人主要面向身體殘疾用戶，因此其工作環(huán)境是路況相對(duì)良好的醫(yī)院、家庭社區(qū)等環(huán)境，用戶在使用康復(fù)機(jī)器人的過(guò)程中，為防止機(jī)器人對(duì)患者產(chǎn)生二次傷害，要求康復(fù)機(jī)器人有良好的運(yùn)動(dòng)防傾翻的穩(wěn)定性，在工作過(guò)程中能夠保證安全，不因環(huán)境影響造成傾覆，達(dá)到預(yù)期的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。通過(guò)查閱文獻(xiàn)[7]可知，穩(wěn)定性判別方法主要是重心投影法（CG Projection Method）與穩(wěn)定邊界法。在不同的應(yīng)用背景下機(jī)器人所需的判別標(biāo)準(zhǔn)也不同，合適的判別標(biāo)準(zhǔn)可以使機(jī)器人的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)指標(biāo)均能得到優(yōu)化，反之亦然[7-8]。

要獲得理想的運(yùn)動(dòng)必須提供穩(wěn)定的支撐，當(dāng)機(jī)器人的重心在水平方向的投影位于機(jī)器人各輪與地面的接觸點(diǎn)構(gòu)成的凸多邊形在水平方向上的投影內(nèi)時(shí)，機(jī)器人即處于穩(wěn)定狀態(tài)[9]：

式中：（xc，yc，zc）為康復(fù)機(jī)器人的重心；mi為構(gòu)件i的質(zhì)量；（xc，yc，zc）為構(gòu)件i的質(zhì)心在絕對(duì)坐標(biāo)系∑O中的位置坐標(biāo)；∑O為移動(dòng)平臺(tái)中心建立坐標(biāo)系的原點(diǎn)。

將在SolidWorks中繪制的模型導(dǎo)入MSC Adams中，進(jìn)行移動(dòng)機(jī)架的運(yùn)動(dòng)仿真。仿真路況如圖5所示，分別設(shè)置有一端±5°的坡，一段長(zhǎng)度為1.2 m，間距為10 mm，深度為10 mm的模擬連續(xù)抖動(dòng)路面，一段長(zhǎng)度為10 cm，間距為20 mm的模擬電梯入口銜接路面。通過(guò)測(cè)試機(jī)架分別在以上位置的質(zhì)心位置在X、Y及Z軸方向軌跡，其中前進(jìn)方向?yàn)閄軸正方向，垂直地面向上為Y軸正方向，垂直紙面向外為Z軸正方向，判斷移動(dòng)機(jī)架的穩(wěn)定性。

圖7 仿真路況示意圖

圖8～圖10分別為移動(dòng)機(jī)架質(zhì)心及各車輪在X、Y和Z方向的質(zhì)心位置變化圖。根據(jù)重心投影法穩(wěn)定判據(jù)，可以看出康復(fù)機(jī)器人整體重心在水平面的投影一直在康復(fù)機(jī)器人各輪與地面的接觸點(diǎn)構(gòu)成的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，故康復(fù)機(jī)器人處于穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生傾翻情況。

圖8 質(zhì)心與各車輪在Y方向上的位置變化

圖9 質(zhì)心與各車輪在Y方向上的位置變化

圖10 質(zhì)心與各車輪在Z方向上的位置變化

為測(cè)試在靜態(tài)環(huán)境下，康復(fù)機(jī)器人受到一個(gè)外力時(shí)的抗傾翻能力，通過(guò)施加側(cè)向力進(jìn)行穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)（如圖11）。當(dāng)力使其中一個(gè)輪胎與地面的接觸力接近0時(shí)，即可認(rèn)為康復(fù)機(jī)器人將不穩(wěn)定。在康復(fù)機(jī)器人框架上側(cè)施加一個(gè)外力，STEP函數(shù)為：STEP（time，0，0，10，1000），該函數(shù)施加力的效果為從0 s開(kāi)始至10 s，外力從0 N增加至1000 N，施加外力曲線如圖12所示?？色@得康復(fù)機(jī)器人4個(gè)輪及重心在X、Y和Z軸方向的投影如圖13～圖15所示。

圖11 抗傾翻施力示意圖

圖12 外力曲線示意圖

圖13 質(zhì)心與各車輪在X方向上的位置變化

圖14 質(zhì)心與各車輪在Y方向上的位置變化

圖15 質(zhì)心與各車輪在Z方向上的位置變化

通過(guò)仿真可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外力施加到6.5 s時(shí)車架在Z方向上發(fā)生偏移，7 s時(shí)超出安全區(qū)域，此時(shí)外力達(dá)到700 N時(shí)，框架的質(zhì)心越過(guò)了康復(fù)機(jī)器人各輪與地面的接觸點(diǎn)構(gòu)成的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，發(fā)生側(cè)翻。在移動(dòng)機(jī)架正常使用環(huán)境下，很難在此類位置受到如此大的外力作用，故移動(dòng)機(jī)架整體穩(wěn)定。

通過(guò)MSC Adams軟件對(duì)所繪制模型進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析，驗(yàn)證了其復(fù)雜路面的通過(guò)性和受到外力時(shí)的抗傾倒能力，為進(jìn)行實(shí)物搭建提供了理論依據(jù)。

4 結(jié)論

本文使用三維建模軟件SolidWorks建立了針對(duì)下肢康復(fù)外骨骼的移動(dòng)機(jī)架，在完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，使用有限元法軟件Hypermesh對(duì)整體框架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。通過(guò)靜力學(xué)分析，證明了針對(duì)下肢康復(fù)外骨骼設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是符合要求的，通過(guò)模態(tài)分析，確定了移動(dòng)平臺(tái)的固有頻率不會(huì)與下肢康復(fù)外骨骼發(fā)生共振。在MSC Adams中進(jìn)行在復(fù)雜使用環(huán)境下的路況仿真，證明了移動(dòng)機(jī)架在搭載穿戴下肢康復(fù)外骨骼的用戶后，能夠順利地在家庭、社區(qū)和醫(yī)院等康養(yǎng)環(huán)境下進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，滿足設(shè)計(jì)要求。