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边 辉 1，2，李二伟 1，2，黄志影 3，陈振宇 4 （1.燕山大学 河北省并联机器人与机电系统实验室，河北 秦皇岛 066004；2.先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室（燕山大学），河北 秦皇岛 066004；3.中国一重集团重型技术装备基础科学研究院，辽宁 大连 116600；4.中国一重集团大连设计研究院有限公司，辽宁 大连 116600） 摘 要：随着社会老龄化，外骨骼技术逐渐应用于助老领域，针对存在下肢退化性关节炎老年人行走过程中需减轻自身重量对承重关节压迫的具体需求，分析了减重外骨骼构型特点，并在此基础上设计了一种基于2-UPS机构的减重外骨骼。外骨骼与人体通过骨盆及前脚掌连接构成单闭环，应用闭环矢量法建立外骨骼运动学模型。基于老年人常速行走过程中下肢关节角度变化关系，计算外骨骼主、被动运动副在一个步态周期的速度和加速度。应用拉格朗日法分别对行走过程中双腿支撑相和单腿支撑相进行动力学分析，并通过Adams仿真软件验证了动力学模型的正确性。 关键词：减重；外骨骼；机构设计；运动学分析；动力学分析 1 引言外骨骼机器人[1-2]作为一种并联穿戴于人体外侧的机械系统，主要用于中风患者步态康复训练、帮助截瘫患者行走以及增强人体负重能力等领域[3-4]，随着社会老龄化日趋严重，外骨骼技术逐渐用于助老领域，用以降低老年人运动机能衰退速度并提高其独立生活能力。60岁以上老年人，特别是从事体力工作的退休人员以及肥胖老年人，普遍存在退化性关节炎，使其自身体重已成为踝、膝、髋等承重关节的负担。然而，国内外研究的大部分外骨骼主要以增强老年人弱化的肌肉力量为目标，文献[5-6]助力外骨骼，因其采用人机关节对应、尺寸相等的仿人形结构不能够减轻承重关节受力，迫切需要研发能够支撑人体重量的减重外骨骼。 目前，日本本田公司研制了由鞋子、框架和座位三部分组成的Bodyweitht Support Assist（BSA）减重外骨骼[7]，在电机的作用下能够与人体协调运动并支撑部分人体重量，其承载能力相对较小；法国国家科学研究中心研制了包含被动弹簧重力平衡系统的Moon Walker（MW）减重外骨骼[8]，但只能用于行走而不能辅助人体完成下蹲等其他动作；国内大连理工大学基于并联机构，研制了气动减重步行助力机器人[9]，通过对腿部周围的3个气缸的控制实现对人体重量的支撑，但其结构较为复杂。以减重外骨骼的创新设计为目标，分析了减重外骨骼构型特点，应用2-UPS机构设计一种结构简单的减重外骨骼，并对其进行运动学、动力学分析，为后续控制提供依据。 2 减重外骨骼构型分析与设计2.1 设计目标 由于减重外骨骼需能够在不影响人体正常行走步态的基础上，始终对下肢承重关节施加支撑力，这就要求减重外骨骼：在空间布置上不能与人肢体形成运动干涉；能够在人体站立即下肢关节无变化时提供支撑力；支撑力可根据减重目标调整；机械具有柔顺性，可在人体的作用下运动；为了减轻人体驱动负载，外骨骼需进行轻量化设计；驱动行程能够满足人体行走、起坐等典型日常活动需求。具有良好适应性，可通过简单尺寸调节适应不同身高及体宽人群；以身高为1.7m人体尺寸作为参考对外骨骼结构尺寸进行设计，可实现对人体全部重量的支撑。 2.2 构型分析 上述BSA、MW以及大连理工大学的减重外骨骼分别采用输出构件具有6个自由度的串联RPRS机构、混联2-US（PeRP）机构以及并联3-UPS机构与人体构成闭环，且包含多个被动运动副以提高机械的柔顺性，据此分析可得减重外骨骼构型特点为：（1）外骨骼与人体通过前脚掌和骨盆连接构成空间闭环。人体腋下臂丛神经不能长期负重，外骨骼只能与骨盆连接；外骨骼与前脚掌连接是由于在行走支撑相后期地面支撑力需通过前脚掌进行传递。（2）外骨骼与人体前脚掌连接构件自由度为6。基于人体机构等效，脚掌相对骨盆可实现空间6维运动。（3）外骨骼机械驱动数小于其自由度数。减重外骨骼的使用者下肢具有完全驱动能力，机械过多的驱动将增加系统控制难度。（4）外骨骼工作空间大于人体工作空间。相对于人体骨盆，外骨骼与人体前脚掌连接构件工作空间需大于人体前脚掌工作空间，以实现站立时对人体重量的支撑。 2.3 2-UPS减重外骨骼机构 基于上述分析，应用典型6自由度UPS串联分支设计非仿人形2-UPS减重外骨骼，该外骨骼中没有与人体膝关节对应的转动副，且运动副轴线并不通过人体关节转动中心；在移动副的作用下实现人机协调运动并对人体自重进行支撑，该外骨骼可视为人体外侧能自动伸缩以跟随使用者运动的穿戴拐杖。 减重外骨骼机械结构较为简单，主要由背架、髋关节、踝关节、传感鞋、力传感器、电动缸等部分组成，如图1所示。背架用于连接左右两个机械分支及支撑人体重量，采用铝合金材料并进行减重设计，人体骨盆及躯干通过图1（b）中所示减重带与其连接；电动缸由配有绝对值编码器的伺服电机进行驱动，当其伸长时，背架通过位于人体背后及腰部两侧的牵引点对人体施加向上的牵引力以降低下肢关节受力。背架为通过螺栓连接的组合件，其宽度在（380-520）mm范围内连续可调以适应不同肩宽人体。 髋关节位于人体上身冠状面内，具有两个转动自由度，分别实现内收/外展及屈/伸运动。内收/外展运动范围由上下位置可调的限位块进行运动角度限制，以实现单腿支撑时对人体重量的支撑；屈/伸自由度设置拉簧，在人体直立时用于平衡背架质量对髋关节产生的力矩，在步态双腿支撑相储能并在摆动相释放能量对髋关节进行助力。 踝关节为被动运动副，基于可实现三维转动的关节轴承进行设计，其中踝关节外展/内收、外翻/内翻范围较小为（-12-12）°，为提高踝关节稳定性并确保抬脚过程中足部不下垂，在其后方设置两个拉压弹簧。电动缸行程450mm，最大出力2000N，其伸出杆上设置量程为100kg的S型拉压力传感器，用以测量机械分支对人体的支撑力，通过调节电动缸行程以实现对支撑力的调节。传感鞋主要由铝合金及橡胶组成，在前脚掌和后脚跟处分别设置两组量程为50kg的压力传感器，用以获得步态不同阶段人体对地作用力。  图1 外骨骼样机 3 人机闭环运动学分析不同于传统仿人形外骨骼中运动副输入量与人体关节角度存在一一对应关系，减重外骨骼中运动副输入量需根据人机闭环中人体尺寸参数及不同运动过程中人体多个关节的角度值通过闭环尺寸约束进行计算。令外骨骼髋关节中心位于人体躯干冠状面内，且与躯干质心高度相同，考虑到行走主要发生在矢状面内，建立矢状面人机闭环模型，如图2所示。  图2 人机闭环模型 闭环机构中，人体分支和机械分支在A、E两点具有相同的运动规律，在A点建立以躯干方向为y轴的坐标系，依据闭环矢量关系可得机械踝关节位置矢量为：  式中：q1=βh；q2=βh+βk；q3=βh+βk；q4=βh+βk+βa+βm；sqi—sin（qi）；cqi—cos（qi）。进一步可得任意时刻机械分支杆长、机械髋关节及踝关节角度表达式分别为：L=A F ，β=-atan（F/F），β=q-β。1xy141 选择较有代表性的60岁、身高1.7m、体重65kg健康男性为研究对象，下身穿黑色紧身裤并在其体侧粘贴白色标志条，令其上身竖直以日常步速在平地沿直线行走，通过置于其侧方的CCD相机获得行走过程中人体矢状面连续图像，经后续图像处理获得每帧图像中标志条与水平面夹角，多次测量并进一步计算得到一个步态周期内下肢髋关节、膝关节、踝关节以及跖趾关节在矢状面内角度值。基于实验者身高，按照GB10000-1988中所述人体各部尺寸，分别计算一个步态周期内外骨骼机械分支杆长、髋关节及踝关节角度，并应用Matlab曲线拟合工具箱cftool分段拟合得其变化曲线，如图3所示。其中驱动杆行程不大于100mm。  图3 机械分支输入量 4 外骨骼动力学建模与分析行走是由双腿共同完成的周期性运动，外骨骼要实现在支撑人体重量条件下的人机协调运动，需依据行走的不同阶段建立包含两条腿的动力学模型。上述一个单腿步态周期包含双腿支撑相（Double support phase，DSP）和单腿支撑相（Single support phase，SSP）的两次交替，交替过程中左右腿各完成一次摆动，据此分别建立矢状面内双腿支撑相和单腿支撑相外骨骼动力学模型。 步态双腿支撑相，外骨骼与地面构成闭环，忽略支撑相初期脚跟着地到全脚掌着地的过渡阶段，外骨骼可等效为平面5杆闭环机构，如图4（a）所示，只需两个驱动即可实现确定运动。步态单腿支撑相，由于支撑腿始终全脚掌着地，外骨骼可视为固连于地面的平面5杆串联机构，如图4（b）所示。行走过程中，假设人体躯干竖直且外骨骼背架及人体质量作为系统负载集中作用于机械髋关节轴线上。  图4 外骨骼动力学模型 外骨骼拉格朗日方程为：  式中：Ek—系统总动能；Ep—系统总势能；τ—（n+1）的驱动矢量。 双腿支撑相闭环机构中，只有作为驱动的分支杆长为独立变量，而踝关节处角度α1、α2并不独立且存在如下几何约束关系：  对式（2）两边求导并整理可得：  依据式（3）可得仅包含驱动速度的系统总动能：  系统总势能为：  单腿支撑相时，系统总动能为：  式中：Ji（i=1…13）—包含各部质量、转动惯量、结构参数和输入角 度及长度的多项式。 系统总势能为： 将式（4）、（5）和式（6）、（7）分别带入式（1）可得外骨骼动力学表达式：τ=D（θ）θ¨+H（θ，θ˙）θ˙+G（θ） （8） 式中：τ—（n×1）的广义驱动力列阵；D（θ）—（n×n）的正定质量/转动惯量矩阵；H（θ，θ˙）—n×n 的离心力和科氏力相关项矩阵；G（θ）—n×1 的重力项列阵 θ；θ˙，θ¨—的广义的位置、速度、加速度列阵，双腿支撑相时n=2，单腿支撑相时n=5。 表1 动力学分析所用参数Tab.1 The Parameters Used in Dynamics Analysis 质量（kg） 长度（mm）m1，m5 m2，m4 m3 m6 l1 l2 l3 2.66 1.38 32.5 0.5 348 310 50 行走过程中两条腿步态数据在相位上相差半个周期，将图3所示一个步态周期机械分支数据视为完成一次双腿支撑和单腿支撑运动的两条腿的数据，基于上述数学模型及表1所示数据用Matlab编程，计算动力学结果，如图5所示。为了验证所建动力学模型的正确性，采用Adams仿真软件进行验证。将图1所示外骨骼Solidworks三维模型分别调整为图4中所示两种工况尺寸的初始尺寸，导入Adams仿真软件，修改三维模型部件特性，对模型各部件通过转动和移动进行约束构成平面闭环及开环五杆机构，并对其传感鞋进行固定。引入重力场并不考虑被动副摩擦阻力，在平面内对髋关节、踝关节及电动缸按照图3分阶段加载驱动函数，仿真获得驱动力及功率，如图6所示。图6与图5相应结果吻合，验证了动力学模型的正确性。由动力学分析结果可知，缓步行走过程中，电动缸在一个步态周期中所需最大出力约为400N，略大于系统重力，发生在双腿支撑相后腿蹬地初期。据此，在2-UPS减重外骨骼驱动电动缸的选型过程中，其驱动力可直接依据需减轻的人体重量及零部件质量进行确定，这也符合二力杆驱动的力学特点。另外，也说明每个步态周期只需补充较小能量即能完成人体正常行走。 图5 Matlab计算结果 图6 Adams仿真结果Fig.6 Results Solved by Adams 5 结论在对典型减重外骨骼构型分析的基础上，总结出减重外骨骼构型特点，并应用2-UPS机构设计了一种非仿人形减重外骨骼。基于闭环矢量法给出矢状面内外骨骼主、被动运动副输入与下肢关节角度的对应关系，并应用实验所得人体行走数据计算出一个步态周期内减重外骨骼输入位置、速度、加速度。依据人体行走不同状态分别建立了双腿支撑相和单腿支撑相动力学模型，并通过Adams软件仿真验证了理论计算的正确性。 参考文献 ［1］Pons JL.Wearable robots：Biomechatronic Exoskeletons［M］.John Wiley&Sons，2008：47-102. ［2］刘会勇，赵青.下肢外骨骼助行机器人研究现状及发展趋势［J］.机械设计与制造，2013（8）：146-148.（Liu Hui-yong，Zhao Qing.Research status and development trends of lower extremity exoskeleton robot walker［J］.Machinery Design&Manufacture，2013（8）：146-148.） ［3］Yan T，Cempini M，Oddo C M.Review of assistive strategies in powered lower-limb orthoses and exoskeletons［J］.Robotics and Autonomous Systems，2015（64）：120-136. ［4］李会营，王惠源，张鹏军.外骨骼装备在未来单兵系统中的应用前景［J］.机械设计与制造，2012（3）：275-276.（Li Hui-ying，Wang Hui-yuan，Zhang Peng-jun.Application prospect of exoskeleton equipment in future individual soldier system［J］.Machinery Design&Manufacture，2012（3）：275-276.） ［5］Nakamura T，Saito K，Wang ZD.Realizingaposture-based wearableantigravity muscles support systemfor lower 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Abstract：The exoskeletons technology is used in the field of helping the elderly as society ages.Aiming at the specific requirement of reducing the force on the weight-bearing joints caused by body weight for the elderly with degenerative arthritis during walking，the configuration features of the body weight support exoskeletons are analyzed.On that basis，a body weight support exoskeleton based on 2-UPS mechanism is designed by applying the design concept of monocycle bio-syncretic exoskeleton.The exoskeleton and the human body constitute a single closed loop by connection at the pelvis and forefoot，and the kinematics model of the exoskeleton is established by using closed-loop vector method.In a gait cycle，the velocities and accelerations of the active and passive kinematic pairs of the exoskeleton are calculated according to the angles of the lower extremity jointsduring normal speed walking of the elderly.The dynamic models of the exoskeleton during double support phase and singlesupportphaseareestablished respectively by usinglagrangianmethod，and itisverified bythe Adams software. Key Words：Body Weight Support；Exoskeleton；Mechanism Design；Kinematics Analysis；Dynamics Analysis 中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2017）12-0251-04 来稿日期：2017-06-24 基金项目：国家自然科学基金（51305380）；河北省自然科学基金（E2015203144） 作者简介：边 辉，（1982-），男，河北省张家口人，博士研究生，副教授，主要研究方向：并联机构，康复机器人 |
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