下肢助行外骨骼結構設計與仿真分析

賈寧庭，尚雅層，來躍深，常宏

（1.西安工業大學機電工程學院，西安 710021；2.西安北辰億科電子科技有限公司，西安 710399）

0 引言

外骨骼機器人是補充和增加人的能力的機械系統，可以具體提供支持、保護、增強、信息交互等功能，其本質是一種可穿戴機器人。外骨骼機器人按照其結構可以分為上肢外骨骼、下肢外骨骼與全身外骨骼；按照其功能可以分為負載助力型外骨骼、醫療康復型外骨骼與運動助力型外骨骼[1]。其中，負載助力型外骨骼可幫助人體增強肌肉能力、減輕負荷，可應用于工業領域及軍事領域；醫療康復型外骨骼可輔助肢體運動障礙患者進行康復訓練，使患者恢復喪失的運動機能；運動助力型外骨骼介于負載助力型和醫療康復型之間[2]，既可增強使用者肌肉能力，又可以為肌肉力量不足者提供輔助，可應用于身體機能衰退或不足以應付日常操作的健康人群的日?；顒右约袄夏耆说慕】靛憻?，為相應人群的日常生活提供便利。

下肢助行外骨骼作為一種輔助助力設備，其可穿戴性和移動性在輔助人體下肢進行正常、輕松的行走和輔助老年人、弱行動力人群以及需要為行走提供助力的人群行走方面具有獨特的優勢，可以發揮良好的工作能力。因此，下肢助行外骨骼設備的研究有著很好的研究前景和研究意義。

1 外骨骼結構設計

根據制定的下肢外骨骼設計方案，以人體髖關節以及腿部結構為研究參考，進行下肢助行外骨骼的機械結構設計。根據《中國成年人人體尺寸》[3]中的部分人體尺寸同時結合自身，使用SolidWorks軟件對下肢助行外骨骼的各零部件尺寸進行設計。下肢助行外骨骼整體結構設計如圖1所示，其設計細節如下。

圖1 下肢助行外骨骼設計結構圖

1）背包盒部分采用ABS材料。背包盒盒體內部由隔板分為電池放置區域與主控板放置區域，其中電池放置區域用以放置給電動機和主控板供電的鋰電池，主控板放置區域用以放置主控板等電子元器件。采用隔板將背包分割是為了保證不會因為穿戴者行走過程的晃動而使電池發生偏移并對電子元器件造成損壞。

2）腰部結構為鋁合金材質。背部腰桿、側面腰桿長度可調節，以適應不同體型人群穿戴。其中背部腰桿可調節范圍為280～400 mm，側面腰桿可調節范圍為30～50 mm。

3）髖關節結構均為鋁合金材質。單側髖關節仿人體關節結構實現3自由度設計。其中旋內/旋外自由度以及內收/外展自由度為被動自由度，跟隨人體運動，屈曲/伸展自由度為主動自由度，由電動機驅動。主動自由度設置有限位，限位范圍為前屈90°～后伸50°。

4）腿部結構中腿部托板為ABS材質，其余零件為鋁合金材質。腿部托板的高度也可調節，以適應不同穿戴者的大腿長度，其可調節范圍為180～235 mm。

2 外骨骼建模與仿真

2.1 D－H參數建模

2.1.1 正運動學求解

由于下肢穿戴式外骨骼在結構上左右對稱，因此在這里僅建立單腿運動學模型進行分析。所涉及的下肢外骨骼，單側腿共有3個自由度，分別是髖關節的旋內/旋外、屈曲/伸展以及內收/外展，其中屈曲/伸展自由度為主動自由度。對下肢外骨骼單側腿建立如圖2所示的D－H坐標系。依據D－H坐標系所確立的各連桿的D－H參數如表1所示。

表1 下肢外骨骼D－H參數表

圖2 下肢外骨骼D-H 坐標系建立

D-H坐標系之間坐標變換的通用公式如下：

根據該通用公式可以得到各連桿的坐標變換如下：

對照式（1）與式（2），可以得到如下所示的關系：

2.1.2 逆運動學求解

根據

可以得到其逆陣為

式（2）左乘所得逆陣可以得到以下關系式：

根據式（3）可以得到如下關系：

變換上述關系式并結合式（3）可得：

進一步計算可以得到：

下肢外骨骼運動學研究在運動時外骨骼的關節角度與外骨骼機構末端的空間位置關系。通過對外骨骼單側腿的運動學模型分析，可以得出：外骨骼結構設計與主/被動自由度設置合理，運動末端位姿可控，滿足設計要求。

2.2 MATLAB建模驗證

2.2.1 D-H建模驗證

本部分內容是利用Matlab Robotics Toolbox進行運動學仿真，并驗證D-H建模的正確性。機器人工具箱是一款用于運動學仿真、軌跡規劃和運動空間求解的MATLAB內置插件，可以將機器人設計過程中的位姿問題具象化，并且可以發現計算中存在的問題并進行糾正。根據機器人工具箱中的Link函數來建立仿真模型，結果如圖3所示。

圖3 MATLAB 運行結果圖

由圖3分析可以得出，外骨骼機器人的運動姿態仿真結果與運動學理論計算結果相一致，從而驗證了建立的運動學模型在理論上的正確性。

2.2.2 外骨骼工作空間驗證

機器人的工作空間是評估機器人工作性能優劣的重要指標。機器人的工作空間（Workspace）是指當機器人執行所有可能動作時，其末端執行器掃過的總體空間體積。工作空間受限于機器人的幾何結構以及各關節上的機械限位。

在這里將驗證下肢外骨骼在不考慮人體髖關節自由度的活動范圍而只考慮外骨骼在所設計的3個自由度活動范圍情況下的工作空間。外骨骼3自由度的活動范圍如下，外骨骼髖關節旋內/旋外自由度的活動范圍為：旋內180°～旋外180°；外骨骼髖關節屈曲/伸展自由度，為主動自由度，且帶有限位裝置，限位區間大約為屈曲90°～伸展30°；內收/外展自由度的活動范圍約為：內收180°～外展180°。故可以確定θ1的取值范圍為－180°～180°；θ2的取值范圍為－30°～90°；θ3的取值范圍為－180°～180°。最終所得外骨骼工作空間如圖4所示。

圖4 下肢外骨骼工作區間

根據上述所得外骨骼工作空間可知：在外骨骼自身活動范圍工作情況下，外骨骼工作空間符合預期設計，可以達到相應工作需求，滿足人體下肢活動范圍。

2.3 ADAMS分析

使用ADAMS軟件對設計的下肢助力行走外骨骼機器人進行仿真分析，其主要目的是：檢驗設計的多自由度下肢助力行走外骨骼機器人模型的可行性和合理性，檢查機構與穿戴者的下肢之間是否存在干涉；通過動力學分析，驗證下肢外骨骼與人體的隨動性和協調性。

將SolidWorks 中建立的外骨骼模型保存為Parasolid.（x＿t）文件，再進入ADAMS中，進行導入。導入外骨骼人機模型后，對導入模型進行材質設置，本文所設計的外骨骼機器人剛體結構以鋁合金為主。然后便是為模型添加約束，具體約束如表2所示。上述操作完成之后，下一步便是在下肢助力行走外骨骼的關節處添加驅動，以建立下肢助力行走外骨骼機構ADAMS模型。驅動可以直接添加在轉動副上。本文中的虛擬樣機采用外骨骼帶動人的運動方式，故驅動添加于外骨骼髖關節處的轉動副處。

表2 下肢外骨骼約束情況

ADAMS仿真結束后，選擇外骨骼左側腿桿與人體左腿繪制二者沿前進方向坐標軸的位姿與角度曲線，這里僅繪制一個步態周期內的運動曲線圖。根據圖5 可以得出：外骨骼機器人與人體之間無干涉，且隨動性較好；可為人體提供助力，符合預期設計。

圖5 ADAMS 仿真結果曲線圖

3 結語

本文以下肢助行外骨骼機器人為研究對象，從外骨骼設計要求與設計方案出發，根據人體下肢結構、尺寸以及下肢運動狀態，完成了下肢助行外骨骼的機械結構設計與建模。然后，對設計的外骨骼模型進行了D－H 參數建模，并利用MATLAB 軟件和ADAMS軟件對外骨骼進行了仿真分析，以驗證外骨骼整體結構的安全性、合理性以及正確性。經過分析得出：所設計的下肢助行外骨骼整體結構安全性較高，結構設計合理，可以達到預期設計要求，滿足工作需求。