穿戴式下肢外骨骼康复机器人机械设计

穿戴式下肢外骨骼康复机器人机械设计

摘要:本文设计了一种用于下肢功能障碍患者康复治疗的外骨骼机器人。根据外骨骼机器人的功能与工作原理,分析了其结构组成与设计过程中的关键问题。并从仿生学角度为外骨骼机器人配置自由度,设定关节活动范围及连杆尺寸,对机械结构进行了初步分析与优化设计。为进一步的研究、分析、设计工作打下了基础。

关键词:外骨骼 康复 仿生 机械结构

The Mechanical Design of Wearable Lower Extremity Exoskeleton Rehabilitation Robot

Abstract:The exoskeleton robot, used for the lower extremity dysfunction in patients with rehabilitation, was designed. Based on its function and working principle, structure and composition and the key issues in design process were analyzed. And according to bionics, the degree of freedom, the range of motion and the link size were designed,the preliminary analysis and optimization design of mechanical structures were made. It is the foundation for research, the analysis, the design for the further.

Key structures

Words:Exoskeleton;Rehabilitation;Bionics;Mechanical

穿戴式下肢外骨骼康复机器人是一种典型的外骨骼助力装置[1],穿戴在患者下肢外部,为患者提供诸如助力、保护、身体支撑等功能,同时又融合了传感、控制、信息获取、移动计算等机器人技术,使得该机器人能在操作者的无意识控制下完成助力行走等的功能和任务,是典型人机一体化系统[2]。穿戴式助力装置是一个崭新的研究领域,国内外许多机构正在积极投入研究,其中,在医学领域:美国伯克利仿生技术公司研制了帮助截瘫患者摆脱轮椅的外骨骼系统eLEGS,日本筑波大学[3]已研制出用于协助步态紊乱患者行走的HAL系列下肢外骨骼机器人,日本神奈川理工学院[4]为护士研制了“动力辅助服”PAS,以色列的发明家开发出了帮助腿部瘫痪者重新站立的rewalk助走器5。上述的外骨骼机器人分别采用了电机或液压系统两种驱动器,其中,液压传动的突出优点是单位质量输出功率大,但若想结构紧凑达到实用化目标,则必须精确开模,成本很高;电气驱动具有易于控制、运动精度高,响应快等诸多优点,虽然其机构较液压开模驱动方式体积大、较笨重,但具有易于加工实现的特点。因此,本文设计的外骨骼机器人采用电机驱动方式。

1 下肢外骨骼康复机器人工作原理 1.1 康复机器人功能

本文设计的穿戴式下肢外骨骼康复机器人主要用于截瘫、踝部以上部位下肢手术患者以及骨关节炎患者的康复治疗。对于截瘫患者,它与患者实现人机结合,不仅实现对患者的支撑,更能以正确的助力方

式带动病人进行类正常人的行走,以协助患者迅速康复;对于踝部以上部位下肢手术患者,外骨骼机器人可用于手术后下肢体的运动康复,加快患者下肢肌肉运动能力的恢复;对于骨关节炎患者,外骨骼机器人可以通过助力减轻行走过程中膝关节的疼痛感。

1.2 下肢外骨骼康复机器人工作原理

如图1所示,穿戴式下肢外骨骼康复机器人在助力过程中,以符合或跟随人节拍的适当转矩、、驱动机器人髋、膝、踝关节转动,从而在穿戴者腿部绑带及足部产生相应的助行力、、,实施了对患者的康复助行。

2 穿戴式下肢外骨骼康复机器人结构设计中的关键问题 本文所设计穿戴式下肢外骨骼康复机器人的机械结构,基于仿生学原理,实现对下肢外骨骼康复机器人的关节布置、自由度分配及动作设计。另外,在实现目标功能的基础上,充分考虑轻量化、集成小型化、穿戴方便、快速可调的原则。设计中的关键问题如下。

(1)可穿戴性:下肢外骨骼康复机器人要有良好的可穿戴性。经过简单的训练即可非常容易顺利快速地穿脱。

(2)可调节性:下肢外骨骼康复机器人面向的患者群体年龄跨度大,外骨骼应能适应各种身高体重的患者,因此其在长度及宽度方向都应能调节以适应不同患者穿戴。

(3)结构轻巧:外骨骼机器人应尽量轻巧、简便。方便穿戴和驱动,节省能源。

(4)相互干扰性小:尽量减小人与外骨骼的直接接触面,减小人机相互干扰,从而减小对人体各方面的限制。

(5)柔顺、舒适性:下肢外骨骼机器人的运动与人体下肢的运动要具有很好的协调性。其结构、自由度的配置要与人体结构与自由度相匹配。使穿戴着感觉柔顺自然。

3 下肢外骨骼康复机器人机构设计 3.1 下肢外骨骼康复机器人结构组成

穿戴式下肢外骨骼康复机器人要实现带动患者模拟正常人行走动作的功能,从结构上讲,要包含以下几部分。

(1)具有驱动能力的髋关节、膝关节:为患者的模拟行走能力提供原始动力。

(2)实现支撑及与患者同步行走的两条金属腿。 (3)将患者体重传递到地面的脚。 (4)起辅助支撑作用的腰部结构。

其示意图如图2所示。

3.2 自由度配置

康复机器人要求体积小、重量轻,机构实现十分困难。在设计制造时,每增加一个自由度都会使机械的复杂度和成本成倍的增加。因此有必要根据实际需要,对下肢自由度进行必要的取舍,建立一个新的运动模型,使所设计的穿戴式下肢外骨骼康复机器人在满足功能的前提下,最大限度的减少自由度。

本文设计的穿戴式下肢外骨骼康复机器人主要用于截瘫、踝部以上部位下肢手术患者的康复治疗。而康复治疗的过程主要是模拟人正常行走的过程。如图3所示,人体行走时主要是依靠髋关节和膝关节在矢状面内,绕冠状轴的屈/伸运动来完成跨步功能的,而且实现这两个自由度的运动所需的能量较大,必须施加驱动力,因此这两个关节的自由度设置为主动自由度。上述患者康复治疗过程主要侧重矢状面的