液压型下肢外骨骼设计及其运动学建模.pdf

技术应用Technique and application 21Robot Technique and Application2023 40 引言下肢外骨骼主要穿戴于人体下肢外侧面，是用于增强助行者行走能力和负载能力的机械设备，它将人的智慧与机器力量、耐力相结合。根据不同作用场合，下肢助力外骨骼可分为：用于医学康复领域和用于军事/工业的增强动力领域1。本文主要讨论因肌力衰退而丧失行走能力的医疗康复外骨骼。目前，大多数仿生助力机构均采用伺服电机进行力的驱动。电机驱动系统功率密度较低，驱动系统笨重2-4。下肢外骨骼驱动系统需提供高转矩，且要求结构轻量化和紧凑。基于上述原因，通过比较，所设计下肢外骨骼驱动单元选用力矩/质量比大的液压缸。由于结构对称，多数研究将下肢外骨骼运动学模型简化为腰部或髋关节固定的 3 连杆机构5-6。但该模型并不精确，事实上人体行走过程中，腰部或髋关节是自由的。因此，本文将该下肢助行结构表示为开环 6 连杆结构，来建立运动学模型并进行分析。1 机械结构设计描述1.1 自由度配置按照标准解剖学，人体下肢共 14 个自由度。理论上，下肢外骨骼自由度应与人体下肢自由度保持一致，且每个自由度均应匹配动力以保证下肢外骨骼与穿戴者间的协调度和跟随性。但事实上，这种自由度配置是不必要的，原因有三。首先，相同自由度的要求使得下肢外骨骼结构复杂，增加设计与控制难度。第二，残疾人由于肌肉薄弱，不能控制行走过程中的无意运动。第三，人体矢状面的运动用于驱动身体向前，需要更多动力。冠状面和垂直面的运动用于保持人体平衡和直线，幅度及功耗较小。基于以上原因，所设计的下肢外骨骼共配置 6个关节，每条腿 3 个关节，均为单自由度关节。右/左髋、右/左膝关节为驱动关节，右/左踝关节为非驱动关节，具体如表 1 所示7-8。表 1 人体与外骨骼关节运动关系关节基准面人体下肢下肢外骨骼运动角度符号运动角度符号是否配置驱动髋关节矢状面弯曲+弯曲+是伸展-伸展-冠状面内收-受限/外展+垂直面内转-受限/外转+膝关节矢状面弯曲+弯曲+是伸展-伸展-液压型下肢外骨骼设计及其运动学建模 汪志红1 周明龙1 王志2（1 安徽机电职业技术学院电气工程学院，安徽芜湖，241002；2 安徽信息工程学院电气与电子工程学院，安徽 芜湖，241199）摘 要下肢助力型外骨骼辅助行走过程中两个重要问题为：关节驱动力矩匹配及人-机动作协同。所研制液压驱动型下肢外骨骼可通过动态调节溢流阀来设定外骨骼助力值，能适应不同助行负载。通过建立人体下肢关节与外骨骼关节位置映射关系、外骨骼关节角度与液压缸推杆位移关系，得到助行过程中液压缸推杆位移曲线。将该下肢外骨骼简化成支撑脚固定、摆动脚浮空、周期性移动的空间 6 连杆开环结构。建立关节坐标系模型，对设计的下肢外骨骼进行运动学建模与分析，得到摆动腿踝关节空间位姿与外骨骼关节角度的运动关系。通过两组人体标准姿态数据，验证对应下肢外骨骼简化结构的准确性。关键词：下肢外骨骼，运动学分析，D-H 矩阵变换，ADAMS本文是安徽省高校自然科学研究项目，项目编号 KJ2020A1115；安徽省高校自然科学研究项目，项目编号 KJ2021A1208。技术应用Technique and application 22机器人技术与应用 2023 4关节基准面人体下肢下肢外骨骼运动角度符号运动角度符号是否配置驱动踝关节矢状面弯曲+弯曲+否伸展-伸展-冠状面内收-受限/外展+垂直面内转-受限/外转+1.2 机械设计根据高转矩/质量比要求，所设计的下肢外骨骼选用液压缸作为执行机构。机械结构如图 1 所示，主要由控制箱、腰带、大腿机构、小腿机构、足底和液压系统构成。控制箱包含液压基站和控制系统。液压基站由直流电机及其控制器、泵体、油缸、阀组、阀驱动器构成。腰部、大腿和小腿位置可调节，适合 160 190cm 不同身高穿着者。控制箱和外骨骼刚体部分质量分别约为 17.5 kg 和7.5 kg。所有重量可通过力的路径传递到地面。图 1 下肢助行机构机械、控制结构1.3 关节映射在稳定、灵活辅助行走过程中，穿戴者与下肢外骨骼运动应一致，无干扰。图 2（a）和（b）为人体下肢和下肢外骨骼在矢状面的投影，图中 H 表示髋关节（hip），K 表示膝关节（knee），A 表示踝关节（ankle）。为保证运动协调一致，关节映射关系应满足以下条件9：1）图 2（a）中 H 关节和图 2（b）中 H 关节应在垂直于矢状面的同一轴线上；2）图 2（a）中 K 关节和图 2（b）中 K 关节应在垂直于矢状面的同一轴线上；3）图 2（a）中 A 关节和图 2（b）中 A 关节应在垂直于矢状面的同一轴线上。由以上假设，可得关节角度关系为：。（1）（a）（b）图 2 人体与外骨骼关节映射关系1.4 几何关系所设计外骨骼系统控制量为液压缸推杆位移，被控量为关节角度。下面讨论输入输出变量关系。1.4.1 髋关节结构图 3（a）和 3（b）为髋关节结构，其结构简图如图3（c）和 3（d）所示，其中连杆 ABC、CE、AD 分别表示腰部连杆、大腿杆件和髋关节液压缸。图中标号h1、h2、h3、h、h分别为连杆 AB、BC、CD、髋关节液压缸体和活塞杆长度，h为大腿连杆 CE 在矢状面摆角。图3（c）和 3（d）中的位置 CF 为髋关节初始位置，h0。CE 向前摆动时，h为正，向后摆动时，h为负。由图 3 有：（a）（b）（c）（d）图 3 髋关节结构技术应用Technique and application 23Robot Technique and Application2023 4hh1。（2）1。（3）12。（4）由式（2）、（3）、（4），可得h：121。（5）1.4.2 膝关节结构图 4（a）、4（b）为膝关节结构，其对应简化模型如图 4（c）和 4（d）所示，其中连杆 IG、IK 和 HJ 分别代表大腿杆件、小腿杆件和膝关节缸体。图中标注的尺寸k1、k2分别为两个膝关节液压缸安装孔到膝关节的距离，k和k分别为膝关节液压缸体和活塞杆的长度，k为小腿连杆 IK 在矢状面的摆动角度。图 4（c）和图 4（d）所示位置 IL 为连杆 IK 的初始位置，k0。由图 4 有：（a）（b）（c）（d）图 4 膝关节结构。（6）12。（7）由式（6）、（7），可得k：12。（8）式（5）、（8）中，髋、膝关节机构的相关机械参数如表 2 所列。表 2 下肢外骨骼机械参数连杆长度/mm关节角度/rad序号数值17345250702242901060.373 0.202 0.297人体行走一个步态周期对应髋、膝关节运动角度轨迹曲线来源于 RIENER 等人10。图 5 为标准的水平行走循环内髋、膝关节角度运动值。根据图 5 人体周期行走的角度曲线、式（5）和式（8），可得辅助行走时髋、膝液压缸活塞位移如图 6 所示。图 5 髋、膝关节角度数据图 6 髋、膝关节缸体推杆位移2 运动学仿真下肢外骨骼行走是一种往复运动。在某一时刻，下肢外骨骼姿态可看作一条腿站立，一条腿摆动。所以可将图 2 所示的外骨骼抽象成开环 6 连杆，且所有杆件通过旋转副连接。由于外骨骼往复运动，其系统参考坐标系视为动态。2.1 运动学建模如图 7 所示，世界坐标系位于初始时刻两脚中间位置，为参考坐标系，其坐标原点沿 X 轴方向移动，代表步长，代表腰宽，为支撑脚着地次数，该参数可通过足底压力测量。在确定时刻，坐标值为。图 7 与坐标系定义图 8（a）为右腿站立、左腿摆动时 D-H 坐标系模型，图 8（b）为左腿站立、右腿摆动时 D-H 坐标系模型。模型中坐标系定义规则如下：1）在关节 i 建立局部坐标系；2）局部坐标系的 Z 轴沿下肢转动轴指向屏幕外侧；技术应用Technique and application 24机器人技术与应用 2023 43）局部坐标系的 X 轴从关节 i 指向关节 i+1；4）如图 8（c）所示，根据右手定则确定 Y 轴。图 8 右腿站立与左腿站立时的关节坐标系模型所设计外骨骼 D-H 参数如表 3 所列，其中i、i、i和i分别表示关节变量、连杆长度、连杆扭转和连杆偏移。表 3 D-H 参数序号/mm/11=4980022=447003003=33142=4470051=4980064=300 00由于人体行走动作主要在行进方向，其运动学模型可简化为二维。根据图 8 中建立的 D-H 坐标系，图 9 给出右腿支撑助行时外骨骼的运动学模型。根据矩阵变换法则及连杆关节顺序，从左踝至右踝的变换矩阵如下：模型如图 10 所示，根据矩阵变换法则及连杆关节顺序，从右踝关节至左踝关节的变换矩阵如下：图 9 右脚着地时运动学模型 图 10 左脚着地时运动学模型上述公式中的、及分别为左腿站立时变换矩阵、参考坐标系及世界坐标系。2.2 运动学分析当右腿站立、左腿摆动时，左脚脚踝到 X0Y0Z0的变换矩阵可表示成：LAORARARKRKRHRHLHLHLKLKLA。（9）式中，和分别表示左脚踝关节在世界坐标系中的方向和位置。当左腿站立、右腿摆动时，右脚脚踝到 X0Y0Z0的变换矩阵可表示成：RAOLALALKLKLHLHRHRHRKRKRA。（10）式中，和分别表示右脚踝关节在世界坐标系中的方向和位置。利用 MATLAB 计算矩阵中元素，通过外骨骼助行过程中两组典型姿态数据验证建模的准确性：1）两脚站立时：1,2,3,4,5,62,0,0,0,2 r032032rLKLAcos66006cos60000101001rLHLKcos55005cos50000102001rRHLHcos44004cos40000100031rRKRHcos33003cos30000102001rRARKcos22002cos20000101001rORAcos11001cos100001000321rOO100001000010001上述公式中的、及 O 分别为右腿站立时变换矩阵、参考坐标系及世界坐标系。根据上述 D-H 坐标系模型，左腿支撑时，其运动学RKRAcos66006cos60000101001RHRKcos55005cos50000102001LHRHcos44004cos40000100031LKLHcos33003cos30000102001LALKcos22002cos20000101001OLAcos11001cos100001000321OO100001000010001技术应用Technique and application 25Robot Technique and Application2023 42）当一腿摆动时：2,1,2,3,4,5,62,0,0,32,2 2232以上两组数据的运动学分析结果与人体对应姿态数据一致，验证了简化 6 连杆开环结构的准确性。3 结束语本文研制了一款高扭矩质量比的液压驱动型人体辅助行走外骨骼机构，提高了机器人的负载、助行能力和结构紧凑性。通过建立人机协同运动映射关系以及外骨骼关节角度与液压缸推杆位移几何关系，计算平地助力行走周期内液压缸推杆位移曲线，为液压缸加工制作提供理论依据。根据 D-H 建模法，将该外骨骼简化成支撑脚固定、摆动脚浮空、周期性移动的空间6连杆开环结构，建立其关节坐标系模型，进行运动学分析，得到摆动腿踝关节空间位置与外骨骼各关节角度运动关系。通过人体辅助行走过程中两组典型姿态数据验证简化模型运动学建模准确性，是保证外骨骼机器人动力学模型及步态规划准确性的基础。参考文献1 RUPAL B S,RAFIQUE S,SINGLA A,et al.Lower-Limb Exoskeletons:Research Trends 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