下肢外骨骼[人机运动相容型下肢康复训练外骨骼机构的构型设计与分析]

下肢外骨骼人机运动相容型下肢康复训练外骨骼机构的构型设计与分析 卷期中 国 生物 医学工程学报 年月 危耐，日口 ，穗， 人机运动相容型下肢康复训练外骨骼机构的构型设计与分析 李剑锋 吴希瑶邓楚慧马春敏范金红刘德忠 （北京工业大学机械工程及应用电子技术学院，北京） 摘 要：对人一机运动相容型下肢康复训练外骨骼机构的构型设计进行研究，根据下肢的生物骨骼模型和下假肢膝 关节设计技术，建立与人体下肢运动功能接近的刚体骨骼模型。分析人一机关节运动属性差异和人一机连接位姿偏差对入一机运动相容性的影响，基于人一机闭链的自由度分析和在人一机连接环节中增置连接关节，提出一种人，机运动相容的下肢外骨骼机构构型，并对元连接位姿偏差和有联接位姿偏差的骨骼机构联体模型进行了运动仿真分析。结果表明，在人机连接环节中增置连接关节后，可以避免因人机关节运动属性差异和人机连接位姿偏差导致的人一机运动干涉现象，实现外骨骼机构运动与人体下肢运动的完全相容。关键词：下肢康复训练；外骨骼机构；人机运动相容性；机构构型；设计与分析 ； 文献标志码 （） （昭 ，肌以喈，噌以即虾乳肋妇，口咖昭沁蚵，如盯，曰讲醒，讥） ：逗 沁 唔 “， 订 ， ， ， ： ； ； ； 引言 体化系统，人一机穿戴连接后外骨骼机构与人体下肢构成空间多环封闭运动链，康复训练过程中人机之穿戴型下肢康复训练外骨骼是典型的人机一 间通过连接部位的相互作用实现协同运动。因此， ：， ：，录用日期：旬 基金项目：北京市自然科学基金（）；北京市先进制造技术重点实验室开放基金（）?通信作者。?：血 期李剑锋，等：人一机运动相容型下肢康复训练外骨骼机构的构型设计与分析 要求外骨骼机构与下肢之间不能出现过强的约束作用，以避免由此导致的舒适性变差和患肢的二次损伤。由文献检索及对外骨骼机构的设计特征分析可以看出，现有外骨骼机构的设计还主要基于下肢骨骼的运动结构仿生“。机构的髋关节为单自由度转动关节或由两个转动关节通过高副低代进行运动等效，膝关节为单自由度转动关节，各关节轴线依人体下肢对应关节的运动功能进行分解布位，构件尺度则根据下肢骨胳参数确定，或将构件设计成调节式结构。在人一机连接方式上，外骨骼机构与下肢之间通过紧致穿戴或绑缚的方式直接相连（固联）。现有设计的优点是借鉴了人体下肢骨胳的运动结构特征，人一机关节之间对应性好，可以获得形式简约的机构构型。构件采用调节式结构，能够增强外骨骼机构对下肢体征变化的适应性。不足之处是较少考虑人机关节运动属性差异和人一机联接模式对人一机运动相容性的影响，在康复训练过程中还存在着因人机运动不相容导致的舒适性变差和康复训练难以进行的现象。 近年来，穿戴型外骨骼机构的人机运动相容性设计问题得到了研究者的关注，但均集中于上肢外骨骼机构。例如，文献对上肢外骨骼机构的设计研究现状进行了分析与评述，提出在外骨骼机构设计过程中应充分考虑上肢关节运动属性及穿戴属性对人机运动相容性的作用与影响，。文献研究了上肢肩、肘和腕关节的运动属性以及联接模式对人一机运动相容性的影响，并设计出一种自由度的上肢外骨骼机构”。而目前针对下肢外骨骼机构的人机运动相容性设计研究还很少，尽管研究者们注意到穿戴型下肢外骨骼机构中存在人机运动的不相容现象，但均未从外骨骼机构设计的角度探讨改善人机运动相容性的方法与途径。笔者将结合人体下肢刚体骨骼模型的建立、人体直立行走的步态特征分析、人机关节的运动属性差异分析、外骨骼机构穿戴属性和人机闭链的自由度分析等，研究人机相容型下肢外骨骼机构的构型设计问题。通过在人机连接环节中引入连接关节，提出具有人机运动相容性的外骨骼机构构型，以改善下肢康复训练外骨骼机构的人一机运动相容性，提高下肢康复训练的舒适性与安全性。 范围较大的两个关节，它们的生物骨骼结构如图所示。在人体运动过程中，主要是通过这两个关节的运动协同，实现较大幅度的下肢运动。 嬲。镰铲 圈骨骼模型。（）囊关节：（）膝关节 （）； 髋关节是由髋臼、股骨头及韧带等组成的杵臼（球窝）式滑膜关节“，股骨头可以在髋臼内灵活转动，但由于髋关节的关节窝较深且关节囊紧致，股骨头与髋臼面之间几乎不发生相对移动。因此，髋关节具有个独立的转动自由度，可以实现绕图（）所示戈。、。和，轴的前屈后伸、旋内旋外与内收外展运动。 膝关节是由股骨下端、胫骨上端、髌骨以及半月板和韧带组成的滑车球状关节引，其关节囊亦十分紧致，同时又受到内外交叉韧带、胫侧及腓侧副韧带的较强约束。因此，膝关节只有一个转动自由度，能够绕图（）所示的石：轴（在人体下肢中。与菇：轴平行）做前屈后伸运动。但由于膝关节接触骨面形状不规则，骨面之间既有相对滚动又有相对滑动，膝关节在绕茗：轴转动的同时还伴有关节瞬时转动中心（运动。 下肢刚体骨骼模型的建立 由下肢髋、膝关节的运动属性可知，在建立与下肢运动功能相近的刚体骨骼模型时，模型中的髋关节可以由三自由度球副运动等效。但是，膝关节除具有绕茗：轴的转动自由度外，关节的瞬时转动中心还伴生与关节转角有确定对应关系的滑移运动。因此，在刚体骨骼模型中不宜直接采用单自由度转动关节对膝关节进行运动等效。可行的方法是借鉴人体下假肢膝关节的设计技术，根据生物膝关节转角与其瞬时转动中心轨迹的对应关系，通过构型与相关参数的优化，设计出与人体膝关节运动功能相近的膝关节机构。图和图所示为北京市假肢矫形技术中心设计的型四杆机构膝关节以及构件：和构件做相对转动的瞬心运动轨迹，该关节能够较好地模拟中等身高人体下肢膝关节的 ）的滑移 人体下肢刚体骨骼模型 下肢髋、膝关节的运动属性 髋、膝关节是人体下肢中运动灵活性好、活动 期李剑锋，等：人机运动相容型下肢康复训练外骨骼机构的构型设计与分析 图膝关节运动转换 图 四杆机构膝关节输入角位移曲线 ? 连接模式：外骨骼机构与骨骼模型在腰部以及大、小腿构件的中部联接，两者之间无连接位姿偏差。外骨骼机构髋关节轴线延长线的交点与骨骼模型髓关节中心重合，与髋、膝关节对应轴线之间的姿态一致。 连接模式：外骨骼机构与骨骼模型在腰部以及大、小腿构件的中部联接，外骨骼机构髋关节轴 茁。，。彳，的坐标轴平移线延长线的交点沿骨骼模型中髋关节坐标系，一 ，且外骨骼机 构整体绕关节的轴线顺时针旋转。 连接模式对应的位移曲线、角位移曲线及角位移偏差曲线如图图所示。其中，图和图分别为外骨骼机构与骨骼模型髋关节前屈后伸和内收外展的角位移曲线与角位移偏差曲线，图和图分别为移动副的位移曲线和胡克铰的角位移曲线，图为外骨骼机构与骨骼模型的 膝关节角位移曲线及角位移偏差曲线，图和图分别为移动副、的位移曲线和球副的角位移曲线。 由图图可以看出，骨骼模型髋关节与外骨骼机构髋关节的运动规律比较吻合，但膝关节运动之间存在较大偏差，最大的偏离角度为左 髓固巾偏差 图髋关节收展角位移及角位移偏差曲线 ? 。 。 喜 趔 移副 一。一。 周期 图移动副的位移曲线 蓍 一 、， 援 胡危铰： 周期 图胡克铰的角位移曲线 中 国生物医学工程学报 、 ￥ 趟 ， 娥 二、 周期 图膝关节屈伸角位移及角位移偏差曲线 一 移动副 重 静 趟 移功副 、 、一又 图移动副和的位移曲线 习 ：！ 共 闭 ， 、 ￥毯 ， 一 摆 、 一 ， ， ， 一 球绕 图球副的角位移曲线 右。此外，移动副、胡克铰和移动副无运动输出，移动副存在最大值为的位移输出，球副存在绕茹，轴且最大值为。的转角输出。 连接模式对应的位移曲线、角位移曲线及角位移偏差曲线如图一图所示。其中，图和图分别为外骨骼机构与骨骼模型髋关节前屈后伸和内收外展转动的角位移曲线及角位移偏差曲线，图和图为移动副的位移曲线和胡克铰的角位移曲线，图为外骨骼机构与骨骼模型的膝关节角位移曲线及角位移偏差曲线，图和图为移动副、的位移曲线以及球副的角位移 曲线。 ） ， 、 ， 、 ， ， ） ， ； 一 ， ， ， 一 周期 图 髋关节收展角位移及角位移偏差曲线 ? 基 毒 碧 周期 图移动副的位移曲线 由图一图可以看出，在人机连接环节中引人连接关节后，当外骨骼机构与骨骼模型存在连接位姿偏差时，两者之间的运动能够实现完全相容，但外骨骼机构髋关节与骨骼模型髋关节之间出现了运动偏差，膝关节之间的运动偏差也有所增大。同时，所有连接关节均存在运动输出，其中移动副的最大位移波幅为，胡克铰绕两轴线转角位移的波动范围分别为，一。及一 。，一，移动副的最大位移量为， 球副绕：及：轴的最大角位移分别为和。此外，与连接模式相比，移动副的运动幅 中国生物医学工程学报 卷 ， ， ：。： ， ， ： ，（）： ， ， ：，： ， ，（）： ， ， ， ：，： ， ，（）： ，： ， ： ，： ， 【 ， （）： ， ，（）： ， ， ： ，： 高秀来，于恩华人体解剖学北京：北京大学医学出 版社，： ，： ，（）： 牛彬可穿戴式的下肢步行外骨骼控制机理研究与实现杭州：浙江大学， ， （） ，（）： 张启先空间机构分析与综合北京：机械工业出版 社，： ， ，（）： 人-机运动相容型下肢康复训练外骨骼机构的构型设计与分析 作者：刊名：英文刊名：年，卷(期)： 李剑锋， 吴希瑶， 邓楚慧， 马春敏， 范金红， 刘德忠， LI Jian-Feng， WU Xi-Yao， DENG Chu-Hui ， MA Chun-Min， FAN Jin-Hong， LIU De-Zhong北京工业大学机械工程及应用电子技术学院,北京,100124中国生物医学工程学报 Chinese Journal of Biomedical Engineeringxx,31(5) _(18条) 1. 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