穿戴式下肢外骨骼康复机器人机械设计

摘 要：本文设计了一种用于下肢功能障碍患者康复治疗的外骨骼机器人。根据外骨骼机器人的功能与工作原理，分析了其结构组成与设计过程中的关键问题。并从仿生学角度为外骨骼机器人配置自由度，设定关节活动范围及连杆尺寸，对机械结构进行了初步分析与优化设计。为进一步的研究、分析、设计工作打下了基础。

关键词：外骨骼 康复 仿生 机械结构

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）11（c）-0005-03

穿戴式下肢外骨骼康复机器人是一种典型的外骨骼助力装置[1]，穿戴在患者下肢外部，为患者提供诸如助力、保护、身体支撑等功能，同时又融合了传感、控制、信息获取、移动计算等机器人技术，使得该机器人能在操作者的无意识控制下完成助力行走等的功能和任务，是典型人机一体化系统[2]。穿戴式助力装置是一个崭新的研究领域，国内外许多机构正在积极投入研究，其中，在医学领域：美国伯克利仿生技术公司研制了帮助截瘫患者摆脱轮椅的外骨骼系统eLEGS，日本筑波大学[3]已研制出用于协助步态紊乱患者行走的HAL系列下肢外骨骼机器人，日本神奈川理工学院[4]为护士研制了“动力辅助服”PAS，以色列的发明家开发出了帮助腿部瘫痪者重新站立的rewalk助走器5。上述的外骨骼机器人分别采用了电机或液压系统两种驱动器，其中，液压传动的突出优点是单位质量输出功率大，但若想结构紧凑达到实用化目标，则必须精确开模，成本很高；电气驱动具有易于控制、运动精度高，响应快等诸多优点，虽然其机构较液压开模驱动方式体积大、较笨重，但具有易于加工实现的特点。因此，本文设计的外骨骼机器人采用电机驱动方式。

1 下肢外骨骼康复机器人工作原理

1.1 康复机器人功能

本文设计的穿戴式下肢外骨骼康复机器人主要用于截瘫、踝部以上部位下肢手术患者以及骨关节炎患者的康复治疗。对于截瘫患者，它与患者实现人机结合，不仅实现对患者的支撑，更能以正确的助力方式带动病人进行类正常人的行走，以协助患者迅速康复；对于踝部以上部位下肢手术患者，外骨骼机器人可用于手术后下肢体的运动康复，加快患者下肢肌肉运动能力的恢复；对于骨关节炎患者，外骨骼机器人可以通过助力减轻行走过程中膝关节的疼痛感。

1.2 下肢外骨骼康复机器人工作原理

如图1所示，穿戴式下肢外骨骼康复机器人在助力过程中，以符合或跟随人节拍的适当转矩、、驱动机器人髋、膝、踝关节转动，从而在穿戴者腿部绑带及足部产生相应的助行力、、，实施了对患者的康复助行。

2 穿戴式下肢外骨骼康复机器人结构设计中的关键问题

本文所设计穿戴式下肢外骨骼康复机器人的机械结构，基于仿生学原理，实现对下肢外骨骼康复机器人的关节布置、自由度分配及动作设计。另外，在实现目标功能的基础上，充分考虑轻量化、集成小型化、穿戴方便、快速可调的原则。设计中的关键问题如下。

（1）可穿戴性：下肢外骨骼康复机器人要有良好的可穿戴性。经过简单的训练即可非常容易顺利快速地穿脱。

（2）可调节性：下肢外骨骼康复机器人面向的患者群体年龄跨度大，外骨骼应能适应各种身高体重的患者，因此其在长度及宽度方向都应能调节以适应不同患者穿戴。

（3）结构轻巧：外骨骼机器人应尽量轻巧、简便。方便穿戴和驱动，节省能源。

（4）相互干扰性小：尽量减小人与外骨骼的直接接触面，减小人机相互干扰，从而减小对人体各方面的限制。

（5）柔顺、舒适性：下肢外骨骼机器人的运动与人体下肢的运动要具有很好的协调性。其结构、自由度的配置要与人体结构与自由度相匹配。使穿戴着感觉柔顺自然。

3 下肢外骨骼康复机器人机构设计

3.1 下肢外骨骼康复机器人结构组成

穿戴式下肢外骨骼康复机器人要实现带动患者模拟正常人行走动作的功能，从结构上讲，要包含以下几部分。

（1）具有驱动能力的髋关节、膝关节：为患者的模拟行走能力提供原始动力。

（2）实现支撑及与患者同步行走的两条金属腿。

（3）将患者体重传递到地面的脚。

（4）起辅助支撑作用的腰部结构。

其示意图如图2所示。

3.2 自由度配置

康复机器人要求体积小、重量轻，机构实现十分困难。在设计制造时，每增加一个自由度都会使机械的复杂度和成本成倍的增加。因此有必要根据实际需要，对下肢自由度进行必要的取舍，建立一个新的运动模型，使所设计的穿戴式下肢外骨骼康复机器人在满足功能的前提下，最大限度的减少自由度。

本文设计的穿戴式下肢外骨骼康复机器人主要用于截瘫、踝部以上部位下肢手术患者的康复治疗。而康复治疗的过程主要是模拟人正常行走的过程。如图3所示，人体行走时主要是依靠髋关节和膝关节在矢状面内，绕冠状轴的屈/伸运动来完成跨步功能的，而且实现这两个自由度的运动所需的能量较大，必须施加驱动力，因此这两个关节的自由度设置为主动自由度。上述患者康复治疗过程主要侧重矢状面的助力行走，恢复下肢肌肉运动能力，而不在于水平面内行走方向的改变，而病情较轻患者行走方向的改变可借助上躯干的平衡力，因此主要用于改变水平面行走方向的髋关节旋内/旋外运动在本文中不予考虑。

另外，为使得下肢外骨骼机器人穿戴更加舒适，康复治疗更加有效，本文设计了髋关节在冠状面内，绕矢状轴的外展/内收被动自由度，使其可以更好地调节平衡状态。

此外，对于截瘫、踝部以上部位下肢手术患者，医学上能够有效进行康复治疗关节的主要在于髋关节和膝关节[6]，因此供这类患者使用的康复机器人在设计时并没有考虑踝关节的屈伸自由度设计；相反，为支撑患者的体重，下肢机器人的足部与小腿设计成不能旋转的刚性结构，起到全支撑的作用。但是在实际应用中，部分患者（如骨关节炎患者）其本身仍具有活动能力，只是在行走过程中会有不同程度的关节疼痛，对于此类患者，如果使用康复机器人将其足部与小腿绑定，使其不能自由活动，反而会增加其行走的不舒适性，此时外骨骼康复机器人需要设置有踝部的屈伸自由度。

综上所述，本文设计的下肢外骨骼机器人自由度配置为髋关节屈/伸运动，髋关节外展/内收运动，膝关节屈/伸运动，踝关节背屈/跖屈运动，两条腿共8个自由度，其中踝关节的背屈/跖屈运动又可以根据不同病人选择是否锁死。

3.3 主要关节活动角度

根据穿戴式下肢外骨骼康复机器人的工作情况，机器人各关节的转动范围应符合正常人行走过程中下肢各关节的运动。表1列出了正常人下肢主要关节最大运动范围以及正常步行时下肢主要关节运动范围[7]。

参考表1所述人体的运动参数，结合康复机器人实际工作情况，本文设计了穿戴式下肢外骨骼智能康复机器人的各关节运动范围，分别为，髋关节屈/伸范围-35～25度，外展/内收范围-10～5度，膝关节屈/伸范围-70～0度，踝关节背屈/跖屈范围-20～25度。

3.4各连杆机构尺寸

为了能满足不同身高的人群使用，机器人的大小腿连杆及腰部连杆必须设计成可以调节的形式，根据GB10000-88中提供了中国成年人人体部分尺寸，得出人体大腿杆长度尺寸范围387～523 mm，小腿杆长度尺寸范围300～419 mm，腰杆长度尺寸范围273～400 mm。

据此本文设计了康复机器人各机构的合理尺寸。分别为大腿杆尺寸范围380～524 mm，小腿杆尺寸范围310～418 mm，腰杆长度尺寸范围274～350 mm。

3.5 下肢外骨骼机器人机构设计

（1）连杆机构设计。

为了最大限度确保使用者的活动自由及灵活性，保证安全及避免康复机器人与使用者在使用过程中出现运动干涉等问题，穿戴式下肢外骨骼智能康复机器人需要采用拟人的结构形式，设计时必须考虑人体的实际参数，根据人体的大、小腿长度，腰围和关节自由度等进行设计。机器人各连杆长度应与使用者相应段保持一致，为了能满足不同身高的人群使用，机构的大小腿杆及腰部连杆均可以调节长度。连杆长度调节机构如图4所示。采用内外杆及螺栓固定的调节方式。最小调节长度为18 mm。

（2）驱动关节机构设计。

自由度的确定则是以能够保证人体最基本的行走功能为前提，这就确保康复机器人可以完成类似于人的步行功能。由于机构装置完全是刚性结构体，从严格意义上来说，这点也是与人体下肢结构存在的差异之一。

康复机器人髋关节、膝关节的屈/伸自由度都由直流无刷电机+减速器直接驱动的，为使得设计的驱动关节小巧轻便，本设计中选用了特制的无框电机，该系列电机属于超扁平电机无外壳，无输出轴，轴向尺寸小；此外，为提供足够的力矩，本设计还选用了harmonic的CSD系列谐波减速器组件，该系列减速器组件由钢轮、柔轮及波发生器组成，可提供50∶1，100∶1，160∶1等不同比例的减速比。髋关节驱动器的结构如图5所示。

（3）髋关节外展/内收自由度设计。

为使得外骨骼机器人使用者穿戴舒适，使用灵活自由，穿戴式外骨骼机器人设计了髋关节的外展/内收自由度，主要由转动轴、弹簧、弹簧活塞、弹簧缸体、端盖以及外骨骼腿支架组成，如图6所示。由于在行走过程中髋关节外展/内收的角度值较小，当患者进行外展或内收时，弹簧会通过外骨骼支架对患者施加相反方向的力，可以避免患者无意识地偏转过大的角度8，造成不必要的损伤。

（4）外骨骼腰部结构设计。

为了使患者可以穿戴下肢外骨骼康复机器人模拟行走过程，在患者身体背部腰部部位以上设置有相应的支撑架机构。该支撑机构与患者上肢紧密连接，在髋关节驱动大腿屈伸时固定外骨骼腰部结构，使得髋关节能够带动大腿发生相对运动，从而实现大腿的迈步动作。此外，支撑架设置有放置电控箱的支架，电控箱中有电源、工控机等电控部件。支撑架结构图如图7所示。

为提高外骨骼与患者的耦合性，增强行走过程的舒适性，采用仿生设计，使得髋关节的屈/伸关节轴线与外展/内收关节轴线相交，其中外展/内收关节设置在背部腰杆，屈/伸关节设置在侧面腰杆。腰杆结构如图8所示。

（5）踝关节屈/伸运动结构设计。

根据上文自由度配置中所叙述的情况，本文设计了一种可锁死的被动式踝关节屈/伸自由度。可根据需要对踝关节进行开锁或者锁死。如图9所示。

4 结语

目前利用外骨骼机器人评估、重建和提高残疾肢体运动肌灵活性的研究已成为当前国内外的热点研究课题。本文根据外骨骼机器人得功能与工作原理，分析了其结构组成与设计中的关键问题。并从仿生学角度为外骨骼机器人配置自由度，设定关节活动范围及连杆尺寸，对机械结构进行了初步设计，为进一步的研究、分析、设计工作打下了基础。

参考文献

[1]DARIO P， GUGLIELMELI E， LASCHI C. Humanoids and personal robots： Design and experiments [J]. Journal of Robotic Systems，2001，18（12）：673-690.

[2]张付祥，付宜利，王树国.康复机器人研究进展[J].河北工业科技，2005，22（2）：100-105.

[3]Yoshiyuki SANKAI， wearable action-assist device and control program， Pub. No.US2011/0004322 A1，United States Patent Application Publication

[4]Yoshinutsu T.， Yamamoto K. Development of a Power Assist Suit for Nursing Work[J]， SICE 2004 Annual Conference，4-6， Aug.2004：577-580.

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[6]金德文.张济川.康复工程学的研究与发展[J].现代康复，2000，4（5）：643-646.

[7]周维金，孙启良.瘫痪康复评定手册[M].人民卫生出版社，2006：10-11.

[8]C.J. Walsh， K. Endo， and H. Herr， “Quasi-passive leg exoskeleton for load-carrying augmentation”， International Journal of Humanoid Robotics，2007，3（4）：487-500.

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