穿戴式下肢外骨骼機器人測試平臺設計與動力學分析

李玟卓，喻洪流，王多琎

1.上海理工大學 康復工程與技術研究所（上海，200093）

2. 上?？祻推餍倒こ碳夹g研究中心（上海，200093）

0 引言

近年來，穿戴式下肢外骨骼康復機器人的發展十分迅速，國內外已經出現許多輔助截癱患者進行日?；顒蛹翱祻陀柧毜拇┐魇较轮夤趋罊C器人。此類可穿戴設備直接與使用者接觸，使用者需要隨時與其進行交互，因此，其使用安全性是設計過程中首要考慮的問題。但目前國內外針對穿戴式下肢外骨骼康復機器人安全測試的研究相對較少，且多數是以下肢運動功能障礙患者為中心，對受試者進行臨床試驗來評估設備的安全性。如王一鳴［1］以5 大舒適度指標為基準，細化了多個二級指標，建立了一套完整的外骨骼機器人舒適度評價體系；康乾［2］對下肢外骨骼機器人的綜合性能進行分析，其中包括關于部分安全性的評估。

為此，我們設計了一種針對穿戴式下肢外骨骼康復機器人的測試平臺，確定了測試平臺的功能，進行了測試平臺的模塊化設計，聚焦于下肢外骨骼關節驅動力矩的檢測。由于外骨骼的驅動力矩較難通過測試平臺直接獲取，因此，本研究建立了外骨骼-假人耦合動力學模型，基于測試平臺直接獲取的關節運動數據，對外骨骼進行關節力矩的解算。

1 測試平臺設計要求

根據對現有穿戴式下肢外骨骼康復機器人可能存在的安全問題進行歸納總結，確定了測試平臺的設計要求及功能，如表1 所示。

表1 測試平臺設計要求Tab. 1 Design requirements for test platform

2 測試平臺模塊化設計

測試平臺主要由測試用假人與支撐框架兩部分組成，支撐框架將測試假人懸掛并在水平與豎直方向上調節假人的位置，測試平臺整體模型如圖1 所示。測試假人結構設計如圖2 所示，主體由大小腿及足部模塊、關節模塊、軀干模塊、各傳感器模塊、氣動制動器模塊與驅動模塊組成。

圖1 測試平臺整體模型圖Fig.1 The model of the test platform

圖2 測試假人結構設計Fig.2 Structural design of test dummy

假人下肢尺寸參考中國成年人人體尺寸標準，假人模擬80～100 kg 人體的下肢重量。假人下肢共有14 個關節自由度，關節處加裝角度傳感器，以檢測外骨骼運行時各關節運動參數的變化。足底薄膜壓力傳感器與軀干處位移傳感器模塊用以檢測行走時的平穩性。膝關節處的氣動制動模塊可模擬不同肌力的下肢功能障礙患者的痙攣狀態，從而測試痙攣保護功能。髖關節處驅動模塊可模擬偏癱患者下肢殘余肌力，從而檢測下肢外骨骼的力交互性能。

在對穿戴式下肢外骨骼進行測試實驗時，下肢外骨骼通過綁帶固定在測試用假人腿部外側，并將假人腿部各關節與下肢外骨骼各關節的轉動中心對齊。下肢外骨骼驅動測試假人在跑步機上行走，以此進行各項安全測試實驗。

2.1 運動參數測試模塊

為了檢測穿戴式下肢外骨骼輔助患者行走時的安全性，在假人的髖、膝、踝關節各活動自由度處加裝角度傳感器，測得各關節運動角度、角速度與角加速度等運動參數的變化，從而評估各關節活動的安全性。

為了準確測量各運動參數，對測試假人進行擬人化設計。測試假人腿部長度可以調節，需滿足GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸》中的要求［3］；假人腿部質量設置參考市面上不同下肢外骨骼康復機器人可承受的最大人體質量，即80～100 kg 的人體對應的下肢質量，在假人下肢各體段質心處施加配重塊以調解質量。測試假人腿部的各部件參數設置如表2 所示。

表2 測試假人參數Tab. 2 Parameters of the test dummy

2.2 平穩性測試模塊

通過在假人的軀干移動端部位安裝位移傳感器，可以測量假人在行走時其重心在豎直方向的位移變化，在假人足底部安裝薄膜壓力傳感器，可檢測步態周期內足底各接觸點的受力情況，得到測試假人在下肢外骨骼輔助其行走時的重心變化，以此來分析穿戴式下肢外骨骼康復機器人在運行時的平穩性。

2.3 痙攣保護測試模塊

為了檢測穿戴式下肢外骨骼機器人在運行時應對患者突發痙攣狀態的保護機制，測試假人需模擬患者突發痙攣狀態。痙攣保護測試模塊由膝關節轉動軸處連接的制動摩擦盤與固定在大腿模塊處的氣動夾鉗組成。通過一些臨床研究可知［4-6］，偏癱患者的伸曲肌力矩不超過60 N·m，氣動夾鉗可以提供的可調節制動扭矩范圍在0～74 N·m。通過控制氣動夾鉗開合使得膝關節產生制動扭矩，模擬患者突發痙攣狀態，以測試外骨骼機器人應對突發痙攣狀態的保護機制。

2.4 力交互性能測試模塊

目前一些穿戴式下肢外骨骼機器人適用于偏癱患者（偏癱患者下肢仍有一些微弱的殘余肌力），當偏癱患者穿戴下肢外骨骼行走時，人體與下肢外骨骼之間的力交互性能也是評估其安全性的關鍵因素。通過在假人單側腿髖關節屈伸方向上的驅動模塊，模擬偏癱患者下肢的殘余肌力，以測試設備對于下肢殘余肌力的適應性與力交互性。偏癱患者髖關節矢狀面上力矩不超過0.2 N·m/kg［7-8］，考慮到假人髖關節處有限的安裝空間，驅動模塊由盤式電機、諧波減速器與離合裝置組成，盤式電機的額定轉矩為269 mN·m，諧波減速器減速比為120，可滿足模擬偏癱患者髖關節0～20 N·m 的可調驅動力矩。當無需檢測力交互性能時，則可通過離合裝置斷開電機傳遞的驅動力。

3 測試假人外骨骼耦合動力學建模

穿戴式下肢外骨骼機器人各關節的驅動力矩是應該考慮的一項安全指標，即機器人實際提供的驅動力矩應滿足所需的力矩值。然而，目前通過測試平臺直接測得關節力矩精確值較為困難，因此采取對測試假人與下肢外骨骼進行耦合動力學建模。當下肢外骨骼機器人驅動測試假人運動時，通過動力學方程計算得到下肢外骨骼各關節的驅動力矩，從而判斷實際的關節力矩值是否達到其所提供的關節力矩值。

人體下肢的運動是在三維平面中進行的，三個平面分別劃分為：矢狀面、冠狀面和水平面［9］。由于目前下肢外骨骼康復機器人大多只在矢狀面上具有驅動力，因此本研究的動力學模型也是在矢狀面上建立的。

人體步行過程是一個周期性運動，一個步態周期可以劃分成支撐相和擺動相兩種狀態，支撐相約占完整步態周期的60%，擺動相約占完整步態周期的40%。其中，支撐相也被劃分為單腿支撐與雙腿支撐，擺動相又被劃分為擺動初期、擺動中期與擺動后期。在求解關節力矩的過程中，只考慮單側腿一個完整運動周期內的運動。如圖3、圖4 所示，對單腿擺動相與單腿支撐相兩種模式進行動力學建模，求解下肢關節力矩。由于單腿支撐相的建模過程與單腿擺動相的方法類似，在此以單腿擺動相為例給出動力學方程推導過程。

圖4 單腿支撐狀態Fig.4 Single leg stand state

理想狀態下，將下肢外骨骼固定在測試假人的腿部，各關節的轉動中心重合，并且桿件間不會發生相對位移。將假人-外骨骼耦合模型簡化為矢狀面上的3 桿模型：L1、L2和L3分別為耦合模型各節段的長度;d1、d2和d3分別為耦合模型各節段的質心位置;θ1、θ2和θ3分別為耦合模型各節段的轉角；m1、m2和m3分別為耦合模型各節段的質量。通過圖3 可以得到各桿件質心在坐標系中的位置，從而得到桿件的動能與重力勢能計算式如下：

圖3 單腿擺動狀態Fig.3 Single leg swing state

其中：

利用拉格朗日法建立測試假人腿部動力學模型，得到的拉格朗日動力學方程如下：

式中：EK為動能總和，EP為勢能總和。拉格朗日動力學方程為

式中：θi為動能和勢能的廣義坐標，θi的導數為廣義速度；τi為各關節力矩。

通過拉格朗日動力學方程，可以得到單腿擺動模型的動力學模型為：

式中：M(θ) 是3×3 的正定對稱質量（轉動慣量）矩陣；H( )為3×3 離心力和科氏力相關項矩陣；G(θ) 為3×1 的重力列矩陣； 和T分別代表單腿廣義的關節角度、角速度、角加速度和關節力矩。

利用Matlab 軟件對單腿擺動相和單腿支撐相的動力學方程進行計算，得到所需要的髖、膝、踝關節力矩。選取CGA 步態數據庫中步速為0.5 m/s 的關節角度數據，以此模擬下肢外骨骼驅動測試假人行走的運動狀態。對各關節的角度數據分別進行一階、二階求導，得到髖、膝、踝關節的角速度與角加速度，如圖5 所示。

圖5 各關節角度、角速度與角加速度曲線Fig.5 Angle, angular velocity and angular acceleration at each joint

通過上述求出的動力學方程，將髖、膝、踝關節角度、角速度、角加速度與腿部桿件各參數帶入方程中，利用Matlab 計算并繪制下肢外骨骼單側腿在一個完整的步態周期中的髖、膝、踝關節力矩曲線，如圖6 所示。圖中求解的關節力矩為重量10～30 kg 的下肢外骨骼機器人的關節力矩變化范圍。在測試時，下肢外骨骼所提供的理論驅動關節力矩值應滿足求解出的實際關節力矩值，從而判斷其關節驅動力矩符合標準。

圖6 各關節力矩曲線Fig.6 Torque trend of each joint

4 結語

本團隊針對穿戴式下肢外骨骼康復機器人的安全性測試指標進行規劃，并設計了相應的安全測試平臺。平臺采用測試假人代替受試者進行實驗測試，通過集成在測試假人關節處的傳感器模塊對下肢運動參數進行實時監測；模擬患者的突發痙攣狀態及下肢殘余肌力狀態，測試機器人的痙攣保護能力以及力交互性能。由于外骨骼的關節驅動力矩難以直接測得，本研究通過建立假人-外骨骼耦合動力學模型，以求解下肢外骨骼各關節的實際驅動力矩。在對外骨骼進行安全測試時，將外骨骼提供的關節力矩值與上述解析法獲得的實際關節驅動力矩進行對比，從而判斷其關節驅動力矩是否符合標準。本測試平臺的開發在穿戴式下肢外骨骼康復機器人安全性研究領域具有一定的創新性，可為后續的相關研究提供參考。