主动柔顺膝关节助力机构设计

摘 要：为提高助力外骨骼的可穿戴性和柔顺性能，基于双椭圆模型提出了一种主动柔顺的膝关节助力机构，采用平面四连杆机构结合串联作动器的设计方法进行结构设计。与传统单铰链的刚性机构相比，该机构更匹配人体膝关节运动，克服了传统刚性结构容易导致人体运动受限，出现过强的约束力，舒适性不足，人机交互力波动明显的缺点。人机耦合计算结果表明机构与人体的能满足运动学匹配，人机交互波动小，具备较好的可穿戴性能。

关键词：膝关节；下肢外骨骼；主动；柔顺；机構设计

1.引言

膝关节在日常活动中一直受到高强度的载荷，容易疲劳老化，受到损伤。为了增强人体机能，提高人体的耐疲劳度，本文开展外骨骼膝关节助力机构设计。目前，膝关节助力以刚性结构为主，对于穿戴式助力这种“人在环”的特殊系统，刚性结构容易导致人体运动受限，出现过强的约束力，导致舒适性变差，人机交互力波动明显；而主动柔顺助力系统穿戴的主观感受好，对人体的运动范围影响很小，系统更具灵活性，在边防巡逻、城市作战等军事领域和助老助残领域具有很大的应用价值。

本文由膝关节运动机理出发，基于双椭圆模型，提出了柔顺化的膝关节助力机构，采用平面串联四连杆的方案的进行膝关节助力机构的设计，并进行人机耦合计算与分析。结果显示机构与人体运动更贴合，人机交互力波动较小，具备较好的可穿戴性能。

2.人体膝关节模型建立

人体膝关节运动模型是机构设计的重要依据。真实人体膝关节十分复杂，由小腿胫骨、大腿胫骨、韧带、肌肉等组成，胫骨之间的接触面并不规则，所以在膝关节屈伸时接触面之间并不是纯滚动，而是滚动中还夹杂着滑动。单铰链约束会导致膝关节实际运动轨迹不够贴合，会影响穿戴者的舒适度，还可能引起一定的运动干涉，甚至损伤人体。因此，为获取更符合人体膝关节实际运动的模型，对膝关节运动模型的研究很有必要。

近年来许多学者在研究利用简化模型来描述膝关节在矢状面的运动，应用比较广泛的3个模型，有双圆心模型，双椭圆模型，速度瞬心模型[1]。通过比较发现，双椭圆模型能较好模拟实际膝关节运动中转动与滑动的运动过程。由此本文选择以王东海等提出的双椭圆模型[2]为基础，进行更深入的研究。基于解析法选定参考系，根据实际尺寸参数，建立了双椭圆模型，并进行理论分析，推导出双椭圆相对运动关系。

膝关节的建模和分析在矢状面内进行，如图1所示。

该模型将人体膝关节的胫骨和股骨分别简化为椭圆B和椭圆D。以人体踝关节的转动中心O点为原点建立直角坐标系，矢状面内水平向膝关节后面为X轴正方向。B，D位于两椭圆的几何中心。OB为人体小腿的轴线，OD为人体的大腿轴线。E点为大腿上端端点。大腿与小腿轴线的夹角为膝关节的角度。人体平地行走时，膝关节由完全伸直到弯曲，角度从-5°变化到约120°。C点为两椭圆接触点。C点的起始接触点C0坐标由C0点到后胫骨中心线ITPC的距离d确定。初始位置d=23mm。两椭圆的相关参数[3]所示：

根据国家标准人体尺寸[4]，人体大小腿长度和身高H呈一定的比例关系。按照人体身高的百分数[3，取人体身高H=175cm。取小腿长，大腿长。OB的长度为小腿长度与椭圆B的小径之间的差值。同理，DE的长度为大腿长度与椭圆D的小径之间的差值，即。O点为坐标原点（0，0），B点坐标为（0，398.5），D点坐标为（-15.5，500），初始接触点C0点坐标为（-8，415.8），D点的坐标为（-15.5，445），E点坐标（-15.5，968）。膝关节滑转的示意图如图1右边所示。由于C点是上下椭圆的联接点，其存在既转又滑的问题。膝关节由完全伸直到弯曲120°的过程中，接触点C也随之变化C点在两椭圆弧的轨迹如图所示。

膝关节行走中的滑转，可以由各参数点坐标在上、下椭圆的轨迹随膝关节角度θ的变化来描述。为求出膝关节角度θ与C点的关系，下面引入椭圆极坐标下的圆心角和向径来描述。

3.机构设计

外骨骼的可穿戴性要求它需要合理的机构设计。良好的机构设计方案和布局可以提高穿戴舒适度，减少人机交互力，同时也便于动力单元，传感单元等的布置，使结构更加紧凑轻巧，便于穿戴。

目前外骨骼机构有单铰链结构和多连杆结构，包括四连杆，五连杆结构等。单铰链结构形式简单，驱动以及控制方便，但是单自由度铰链限制了膝关节既转又滑的运动，机械刚性过大不够柔顺，易造成人机运动不匹配，甚至损伤人体。人-机使用过程中的并联过约束特性也是刚性机构的硬伤，需要花费巨大的精力和心血去解决过约束外骨骼结构，应具有比较容易的随形特征，尽可能避免复杂的机械结构，体积、形状、重量等指标应以小、柔、轻为设计目标。所以，过于集中的复杂结构、平面的多连杆结构等非为上选。这些结构能够依据膝关节的相关运动学特性，实现某些运动特性的模拟或复现，但是，并不能完全涵盖全部的运动特征和范围，针对于非健全人的康复医疗束和并联运动的奇异点问题。

本文选择平面四连杆机构的方案以实现柔顺化。采用平面四连杆的意义主要体现在：首先，待开发的膝关节的外在形式对不同于传统的刚性来说也许是有很大的意义的，可针对有行动能力且需要增强其运动机能减轻人体负担的外骨骼应用群体来说，是达不到应用需求的。众多的结构杆件或者集中稍显过重的设计对携带简便性即拿即用性来说也是负担，造成不方便。因此，研发具备运动范围暴露能力的串联式四连杆膝关节机构是有必要的且可行的。

本节分析膝关节助力机构的各个构件的设计，利用CAD等软件进行了三维建模完成各杆件和零件的三维设计。

膝关节助力机构主要由大小腿连接杆，上下转换杆，钢丝，滚轮等其他零件组成。膝关节助力机构示意图如下图所示。

具体的组成为：主要组成结构有1大腿连接杆；2滑轮；3导轮，固定环，钢丝锁扣；5.钢丝绳；8上转换杆；9下转换杆；12小腿连接杆；13弹簧。其余零件还有各个杆件之间的连接铰，支撑垫片，内外侧轴套等。在设计结构时为了保证质量轻便、结构简洁，尽可能少使用紧固件和机械零件。

4.人机耦合建模与分析

图3所示为人体穿戴四连杆机构的人机耦合模型。约定人体用大写字母标识，四连杆机构采用双字母表示，右一个字母为E。AE、EE分别为小腿与大腿处的人机绑缚点，通过绑带将机构固定在人体肢体上。机构穿戴到人体身上以后，OE至O点的竖直距离为YE至O点的水平距离为XE，AE与OB的夹角为。OA长度为l1。

于是AE点坐标可以表示为：

如图所示，红线为上肢杆绑缚点处的受力，蓝线为下肢杆绑缚点处的受力。在支撑相初期，钢丝绳通过拉力驱动杆件，带动人体行走。此时机构受人体的阻力最大，约为-300N。随着步行进入中后期，人机交互力由负转为零。而后进入摆动相时期，系统不再提供助力，由交互力带动四连杆运动，交互力为正值且逐渐增大。在整个支撑相步态中人机交互力均值较小，且无明显波动。

5.结论

膝关节是人体中结构最复杂的关节之一，运动形式也比较复杂。有学者提出双椭圆模型来描述膝关节矢状面内既转又滑的运动。笔者采用解析法建立一个膝关节运动学模型，求出膝关节运动轨迹，以此为设计输入进行柔顺化膝关节助力机构的设计。建立人机耦合模型，进行运动学分动力学计算分析，求出了人机运动轨迹变化规律和人机交互力的变化规律。人机耦合计算结果表明四连杆机构机构与人体的能满足运动学匹配，人机交互波动小，具备较好的可穿戴性能。

参考文献

[1]李剑锋等.膝关节康复外骨骼外骨骼构型综合与结构设计[J] Journal of Harbin Engineering University，2017第38卷第四期

[2]王东海.基于行走步态的被动式重力支撑柔性下肢外骨骼系统[D].杭州：浙江大学，2017

[3]Kok-Meng Lee，Jiajie Guo.Kinematic and dynamic analysis of an anatomically based knee joint.[J] Journal of Biomechanics，2010 1231-1236

[4]GB/T 17245-2004

（作者单位：西北机电工程研究所）

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