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]
31卷5期中
国
生物
医学工程学报
V01.3lNo.52012年10月
C危inese.70urn耐o,日iDmedic口f
0ctober
2012
E,lgi穗eeri,Ig
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,北京100124)
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ADAMs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
中图分类号
R743;THl37
文献标志码
A
文章编号0258-8021(2012)05_0720_09
COnngurationDesignandAnalysisofthe
Human-Machine
KinematicaUyCompatible
TypeExoskeleton
Mechanism
forLower
LimbRehabnitationTraining
LIJian—Feng‘WUXi-YaoDENGChu—HuiMAChun—Min
FANJin—HongLIUDe-Zhong
(cozz昭e
o,肌c^Ⅱnic以E喈i,lee^噌d以A即£iedElectron虾5乳c^肋妇y,口e咖昭‰沁Ⅳ蚵o,‰^no如盯,曰e讲醒lOOl24,ch讥o)
Abstract:Theconfigurationdes逗n
ofhuman—machine
kinematicallycompatibletypeexoskeletonmechan沁mfoI
lDwerlimbrehabilitationtrainingisstudied.Accordingtothebiologicalskeletalmodelofhumanlowerlimband
t}|eknee
jointdes唔n
techniqueofarti“ciallowerlimb,therigid-bodyskeletaimodelwithapproximate
motionfunctionofhuman10werlimbwas
established.The
innuencesofthekinematic
property
difkrence
between
humanjointsandmachinejointsas
wen
as
thehuman—machineconnectingposturedeviationon
human-machine
kirtematiccompatib订itywereinvestigated.
Based
on
the
DOFanalysis
ofhuman—machineclosedchain
and
addingconnective
jointsinto
human—machinelinkingsub-chains,a
human—machinekinematicaUycompatible
type
mechanismconfigurationoflowerlimbexoskeletonwasproposed,andtheADAMSkinematicsimulations0fthe
skeIetal—mechanism
united
models
with
or
withouthuman—machine
connectingposture
deviationwere
presented.
Theresultsshowedthathuman—machinekinematicinted’erenceresultedfromthekinematicproperty
differencebetweenhumanjointsandmachinejointsas
well
as
thehuman—machineconnectingdeviationcan
be
avoided
through
addingconnective
jointsinto
human—machine1inking
sub—chains,
theIIeby
the
exoskeleton
mechanismandhuman10werlimbwerekinematicaUycompletecompatible.Key
words:
lower-limb
rehabilitation
training;
exoskeleton
mechanism;
human—machine
kinematic
compatibility;mechanismconfiguration;designandanalysis
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,
doi:10.3969/j.i83n,0258—8021.2012.05.0l
l
收稿日期:20u—12-20,录用日期:2012旬5-29
基金项目:北京市自然科学基金(3113026);北京市先进制造技术重点实验室开放基金(0010005466909)・通信作者。E・m8il:lijianfeng@bjut.e血.en
5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¨“1。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[11]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[12]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9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。1
1.1
范围较大的两个关节,它们的生物骨骼结构如图1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1骨骼模型。(a)囊关节:(b)膝关节
Fig.1
Skeletonmodel.(a)Hipjoint;IblKneejoint
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3个独立的转动自由度,可以实现绕图l(a)所示戈。、Y。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1(b)所示的石:轴(在人体下肢中z。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(Instant运动‘…。
1.2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2和图3所示为北京市假肢矫形技术中心设计的4P20A型四杆机构膝关节以及构件Z:和构件f4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
Centre
of
Rotation)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
5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12膝关节运动转换
Fig.12
Motionconversionofknee
joint
图13
四杆机构膝关节输入角位移曲线
Fig.13
Inputangle
displacement
euFve
offour・bar
mechanismkneejoint
连接模式1: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2: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O,一
…2
6
7]mm,且外骨骼机
构整体绕关节l的轴线顺时针旋转3。。
连接模式1对应的位移曲线、角位移曲线及角位移偏差曲线如图14~图20所示。其中,图14和图15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16和图17分别为移动副4的位移曲线和胡克铰5的角位移曲线,图18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19和图20分别为移动副6、7的位移曲线和球副8的角位移曲线。
由图14~图20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109左
●V
I.5
}.0
髓固巾I偏差
5
图15髋关节收/展角位移及角位移偏差曲线
Fig・15
Angle
displacement
and
angledisplacement
deflection
Curves
ofhip
joint
withab/adduction
1。
。5
喜00
趔
移ib副4
一。5一l。
00
25
O
5007S.01000
周期/%
图16移动副4的位移曲线
Fig.16
Displacement
curve
of4-slidingpair
lO
O5
蓍oo
一
、—,~
援
胡危铰:
.O5
—10
OO
25
O
5007501000
周期/%
图17胡克铰5的角位移曲线
Fig-17
Angle
displacement
curves
of5-hookehinge
中
国生物医学工程学报
~
f、
¥f
’l
趟li
l,
娥
|
『二、
j
周期/%
图18膝关节屈/伸角位移及角位移偏差曲线
Fig.18Angle
displacement
and
angle
displacement
deflection
curves
ofknee
joint
withflex/extention
一
移动副6
重
ll
静f
趟
j
|.
移功副
7
l’
1
/
L
1、
、.一又
k
图19移动副6和7的位移曲线
Fig.19
Displacement
curves
of6and7-slidingpairs
|习
:MJs!
%共t
闭
,
、
¥f毯t
,
1
一
L
摆
、
一
,
,
,
l
一
球iⅡ8绕
图20球副8的角位移曲线
Fig.20
Angle
displacement
curvesof
8-sphericalpair
右。此外,移动副4、胡克铰5和移动副7无运动输出,移动副6存在最大值为10.5mm的位移输出,球副8存在绕茹,轴且最大值为10.4。的转角输出。
连接模式2对应的位移曲线、角位移曲线及角位移偏差曲线如图21一图27所示。其中,图2l和图22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23和图24为移动副4的位移曲线和胡克铰5的角位移曲线,图25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26和图27为移动副6、7的位移曲线以及球副8的角位移
曲线。
‘V
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^
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t;
l
-
●
t
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l
一
00
250
500
750
1000
周期/%
图22
髋关节收/展角位移及角位移偏差曲线
Fig.22
Angle
displacementandangledisplacement
deflection
curvesofhip
joint
with
ab/adducfion
75
70
6・5
0
基6
毒5
5
碧5
o
45
4O
3f53O
25
002503007501000
周期/%
图23移动副4的位移曲线
Fig.23
Displacement
curve
of
4-slidingpair
由图2l一图27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4的最大位移波幅为4.5ITtm,胡克铰5绕两轴线转角位移的波动范围分别为[00,一0.27。]及[一
0.63。,一0.5o],移动副7的最大位移量为6.5mm,
球副8绕y:及z:轴的最大角位移分别为3.20和2.1。。此外,与连接模式1相比,移动副6的运动幅
728
中国生物医学工程学报
31卷
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作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):
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本文链接:.com.cn/Periodical_zgswyxgcxb201205011.aspx