一种辅助踝髋关节的柔性可穿戴步行辅助机器人的设计与分析

徐继东， 金山海

(延边大学 工学院， 吉林 延吉 133002)

外骨骼是一种可以提高人的运动能力的可穿戴机器人，目前被广泛应用于军事、医学康复等领域[1-3].传统刚性外骨骼虽然可以为穿戴者的下肢提供足够大的辅助力，但其存在重量大、穿戴过程复杂以及轴与穿戴者的关节连接位置容易发生错位等问题[4-5].为了克服上述传统刚性外骨骼存在的问题，一些学者研究并设计了多种下肢步行辅助机器人.例如： Jin等[6]开发了一种柔性可穿戴下肢助力机器人，该机器人可以为髋关节提供合理有效的辅助力，但无法为其他关节提供辅助；王东海[7]设计了一种被动式柔性下肢外骨骼机器人，该机器人可以减轻膝关节负载，但辅助力较小； Asbeck等[8]设计了一种可以为穿戴者的踝关节和髋关节提供辅助的柔性可穿戴机器人，该机器人虽然可以通过主被动相结合的方式产生辅助力，但对穿戴者髋关节提供的辅助力较小； Collins等[9]设计了一种轻便的被动助力机器人，该机器人可以根据穿戴者脚踝的运动状态提供合适的辅助力，但由于该机器人无动力源，因此只能提供很小的辅助力.上述学者们设计的机器人虽然较好地解决了装置笨重、外骨骼的轴与穿戴者关节的连接位置易发生错位等问题，但仍存在机器人提供的辅助力较小，以及无法同时为下肢多个关节提供辅助力等缺点.为此本文设计了一种辅助踝髋关节的柔性可穿戴步行辅助机器人，并通过对穿戴者踝髋关节的受力分析验证了该机器人的有效性.

1 结构设计

本文设计的柔性踝髋关节辅助机器人主要由驱动系统、传递系统和绑带系统组成(见图1).

图1 机器人的正视图(a)和侧视图(b)

1) 驱动系统.整体驱动系统由髋关节驱动系统和踝关节驱动系统两部分组成，主要包含电机、驱动轮、滚轮、齿轮组、滚筒等部件，如图2所示.考虑到在腰部增加8 kg的质量不会显著增加穿戴者的能量消耗[10]，所以将占机器人重量绝大部分的驱动系统通过腰带固定在腰部，如图1所示.在髋关节驱动系统中，固定在电机轴上的小齿轮驱动大齿轮和滚筒旋转，以此使两端分别固定在滚筒和穿戴者大腿后侧绑带的弹性带卷起，进而产生拉力以辅助髋关节伸展.在踝关节驱动系统中，固定在电机轴上的驱动轮使两端分别固定在驱动轮和脚踝处的线缆卷起，从而产生拉力以辅助踝关节进行跖屈运动.

图2 驱动系统结构图

2) 传递系统.传递系统由可以承受高力矩的线缆和弹性带组成，如图3所示.由图3可以看出，线缆与弹性带从穿戴者腰部的驱动系统分别延伸到脚跟和大腿，并在辅助过程中将辅助力传递到踝髋关节.

图3 传递系统示意图

3) 绑带系统.绑带系统由绑缚在穿戴者腰部、大腿、小腿和脚踝的绑带组成，如图1所示.其中腰部的绑带用来固定驱动系统，大腿和小腿的绑带用来固定导向管，脚部的绑带用来固定脚踝和连接线缆.

2 助力策略

图4为本文设计的机器人的助力策略，该策略将一侧脚的脚尖从接触地面开始到再次接触地面定义为一个步态周期.

图4 机器人辅助策略示意图

机器人在穿戴者步态周期的0%～60%范围内为踝髋关节提供辅助力矩.其中：在步态周期的0%～40%范围内，滚筒卷起髋关节驱动系统中的弹性带，以此给大腿施加一个沿弹性带运动方向的拉力，驱动穿戴者的大腿向前摆动；在步态周期的20%～60%范围内，踝关节驱动系统收紧线缆，使穿戴者的脚跟处产生一个沿线缆向上的拉力，以此驱动穿戴者的踝关节弯曲.

3 受力分析

3.1 踝关节的受力分析

在踝关节驱动系统中，电机的最大持续扭矩为2 N·m， 旋转半径为0.008 m， 为脚踝提供的最大辅助力为200 N.

图5为踝关节的受力示意图，其中图(a)是穿戴者脚踝的示意图，图(b)和(c)分别为穿戴者在站立时刻和步行期间某一时刻的踝关节受力示意图.图中O1为踝关节矢状面上的枢轴点，r1为踝关节力臂，l1为枢轴点O1到线缆在踝关节作用点的距离.在辅助过程中，由于线缆与穿戴者小腿是平行的，所以踝关节力臂r1的旋转角度与穿戴者的踝关节角度θ1相等.因此，踝关节的力臂r1可表示为：

r1=l1cosθ2.

(1)

由式(1)可得踝关节辅助力矩T1的计算公式：

T1=f1r1,

(2)

其中f1为踝关节的目标辅助力.

图5 踝关节受力示意图

对踝关节驱动系统在步态周期的20%～60%范围内提供的目标辅助力f1进行了模拟，如图6所示.由图6可以看出，在步态周期的20%～60%范围内，f1呈增加趋势，并在60%时达到峰值.另外，在此期间机器人对穿戴者踝关节进行辅助的最大辅助力矩T1为4 N·m左右.

图6 踝关节角度θ1、踝关节力臂r1、踝关节目标辅助力f1以及踝关节所受辅助力矩T1在一个步态周期内的波形图

3.2 髋关节的受力分析

图7 髋关节受力示意图

在髋关节驱动系统中，电机的最大持续扭矩为2 N·m， 齿轮传动比i为1.67，滚筒外径为0.005 m， 髋关节的最大辅助力为222 N.大腿与弹性带之间的角度φ的计算公式为：

(3)

根据φ可得髋关节力臂r2为：

r2=l3sinφ.

(4)

由公式(4)即可得到计算髋关节的辅助力矩T2的公式，为：

T2=f2r2，

(5)

其中f2为髋关节目标辅助力.

为了验证机器人对穿戴者髋关节的辅助效果，在步态周期的0%～40%范围内对髋关节驱动系统所提供的目标辅助力f2进行模拟，结果如图8所示.由图8可以看出，在步态周期的0%～20%范围内，f2呈增加趋势，并在20%时达到峰值；在步态周期的20%～40%范围内，f2呈减小趋势，并在40%时减小为0.在该期间穿戴者髋关节受到的最大力矩约为20 N·m.上述结果说明，机器人对穿戴者髋关节的运动能够起到有效的辅助作用.

4 结论

研究表明，本文设计的辅助踝髋关节的可穿戴步行辅助机器人可以在步态周期的0%～60%范围内为穿戴者的踝髋关节提供高达约200 N和222 N的峰值力，以帮助脚踝弯屈和髋关节伸展，而且其结构简单，穿戴方便；因此本文研究结果可为外骨骼步行辅助机器人的设计提供参考.在今后的研究中，我们将继续探讨机器人的轻便性，并通过实验探索如何在不同行走模式下为穿戴者的踝髋关节提供最佳的辅助力，以进一步增强穿戴者的下肢活动效果.

图8 髋关节角度θ2、大腿与弹性带之间的角度φ、髋关节力臂r2、髋关节目标辅助力f2以及髋关节所受辅助力矩T2在一个步态周期内的波形图