人体髋关节运动特点及髋关节外骨骼机器人机构设计

本章主要介绍了人体髋关节的运动特点及髋关节外骨骼机器人的机构设计。在人体建模中，将直立的人体划分为冠状面、矢状面和水平面，髋关节在这三个平面内均有运动自由度，分别为伸展和屈曲、外展和内收、外旋和内旋。髋关节的运动由这三个运动自由度组合而来并带动下肢其他关节完成人体的各种动作。髋关节外骨骼设计中主要对伸展和屈曲自由度进行助力同时还要设计相关机构，保证外骨骼在上述另外两个运动上不会干涉人体以达到外骨骼穿戴的可靠性和舒适性。

下面将在行走和弯腰搬运两个外骨骼应用的典型场景下分析髋关节的运动。

2.1.2 行走时髋关节的运动

行走是髋关节应用最多的场景，大部分的复杂动作也可以看做由基本的行走动作增加其他动作组合而来。人的行走是一种周期运动，其周期称为步行周期。完整的行走运动通过髋关节、膝关节和踝关节以及上肢控制重心相互配合完成。下图展示了人体行走过程中一个步行周期内下肢的运动情况，通过分析发现，髋关节在这一过程中的最大伸展角度为左右，最大屈曲角度为左右【引用】。这就要求髋关节外骨骼机器人的设计中，至少要在的范围内提供有效助力。

进一步的分析还可以得出，行走过程中髋关节的角速度不超过..，角加速度不超过..。其他研究表明。通过这一特征和后续在弯腰搬运部分的分析，可以确定助力电机的主要参数，如最大速度，最大扭矩等。

2.1.3 弯腰搬运时髋关节的运动

弯腰搬运时，髋关节由原本的直立姿态逐渐变为伸展姿态，到达极限位置时可将人体建模为一个串联的连杆机构。髋关节承受了人半躯干和重物的共同重力。搬运开始时，髋关节和腰部一起用力对上肢施加扭矩，拉动上肢和重物向上运动，髋关节也由伸展重新变为直立状态。

搬运起身的过程会经历加速-匀速-减速三个阶段。搬运起身瞬间的髋关节角加速度为..。在一般场景中，设所搬运的重物为20kg且其重心位于人手心位置，则可以计算出髋关节助力所需要的最小力矩。

设定J为上半躯干和重物相对髋关节所在轴的转动惯量。重物的转动惯量J1可由上节中搬运时人体建模图和平行轴定理得出：

人上半躯干的转动惯量可以在solidworks中进行建模后设定人体密度再导出，设定材料密度为..。从质量评估一栏中可以得到J2为..。

最后由刚体定轴转动定律得出髋关节所需要提供的助力力矩：

对单个髋关节而言：

至此可以依据计算出的髋关节自由度，最大角速度和力矩来设计机构以满足行走和搬运两种应用场景。

2.2 髋关节外骨骼机器人机构设计

2.2.1 可调节部分机构设计

为了保证髋关节外骨骼机器人穿戴的舒适性，需要设计出可调节的机构匹配不同穿戴者的身体大小，同时还需要在助力部分之外设计可以容纳髋关节内旋外旋自由度和外展内收自由度的机构。针对这两种要求，可以得出总体的机构运动简图。

由机构运动简图绘制出的solidworks机构设计方案如下图所示：

该设计的主体部分由中心板，支撑杆，电机和助力杆组成。中心板长宽高…，主要放置电池和腰部助力电机。中心板和穿戴部分连接，支撑杆是一直径为..mm的弯曲杆，其作用是连接电机和中心板。助力杆是主要的传力部件，直径为..mm。支撑杆前后都有可调节设计用以匹配不同穿戴者的体型差异。两个可调节部位分别对应机构运动简图中的移动副12，在调节完成后即被锁定，不参与后续的助力等应用。

助力杆上下两部分也具有可调节设计，能够调节助力杆的前后距离和相对大腿的左右距离。其对应的是机构运动简图中的移动副34

助力杆下部连接了一个腿部保护罩，其外围套加了一个弹性绑带，提高舒适型的同时能够为大腿提供支撑保护并传导助力的力矩到大腿上。

机构运动简图中的转动副123分别对应髋关节的伸展屈曲，内收外展和内旋外旋三个自由度，转动副2由电机的定子和转子组成，提供助力。所有螺纹装配连接后，助力杆的内收外展运动被限制在了180°。转动副1连接支撑杆和电机部分，由一个转动插销组成，提供了内旋外旋的自由度。这样在设计上，髋关节外骨骼机器人就能满足所有的运动需要。

在助力杆和腿部保护罩之间还有一个转动副4用以在运动过程中对由于电机和髋关节不在同一轴线造成的运动偏移进行补偿，保证了穿戴和运动的舒适性。

考虑到外骨骼设备必须满足轻便的要求，在材料方面选择了ABS刚性树脂作为主要的结构材料。ABS全称为丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，这种材料成本低且易于打印，ABS刚性树脂的性能如表所示【文献】。以这种材料制作的外骨骼样机总重..kg。后文将进一步对关键零部件进行有限元分析以验证该材料满足静力学要求。

2.2.2 助力部分机构设计

外骨骼拟采用电驱动的方式提供助力。相比气动和液压传动，电动助力具有体积小，无噪音和易于设计等优势。只需要选用精度较高的电机就能实现很好的柔顺控制效果。

要满足外骨骼机器人的助力要求，首先要选用合适的助力电机，根据2.1中计算得出的最大角速度和力矩，选用型号为AK80-64的伺服电机。该电机的额定扭矩为48Nm，额定转速23rpm，质量为0.89kg，满足轻便的要求。其他的关键参数如下表所示。

电机后部与一个保护罩相连，保护罩分别连接穿戴部分，转动副1和助力杆。与穿戴部分的连接可以防止电机因自重导致的脱落，同时减轻后部支撑杆的负担。

2.2.3 与腰部助力外骨骼机器人的结合

为实现外骨骼机器人的协同配合，该设计还可以与腰部助力外骨骼机器人进行装配，髋关节外骨骼机器人的中心板充当腰部助力外骨骼机器人的电机支撑板。他们共同的控制模块放置在背部的板件上，腰关节电机通过拉动绳索实现对人体腰部的支撑和助力。装配完成后的髋关节与腰部助力外骨骼机器人如图所示。

腰部外骨骼单元长..m。与穿戴背心直接相连

2.3 关键部件的有限元分析

2.3.1 支撑杆的有限元分析

支撑杆在该设备中主要承受电机的自重重力，其另一端与中心板连接。由于中心板相对人体静止，所以支撑杆的中心板一端可以视为固定端面。支撑杆直径为..mm，是设备中最细的杆件，因此需要对其进行有限元静力学分析来校核其强度。

使用ANSYS软件可以方便的对零部件的强度进行校核，首先在ANSYS中设置好构件的材料为ABS刚性树脂，密度..，弹性模量..，泊松比..。

然后打开mechanical分析软件向ANSYS中导入建好的支撑杆solidworks模型。本文分析的零件结构较为简单，可以将网格划分的细一些。设定缓慢过度和跨度角为精细划分网格，。划分网格的结果如图所示。

由上一节所分析的固定端面，在ANSYS中设置两个螺纹连接孔和端面为固定支撑，另一端受到电机及其附带部件的自重重力，电机自重为..kg，考虑到实际的误差，可以将该重力设定稍大一些，在ANSYS中定义另一端受到一个向下10N的力。

解算可以得到支撑杆最大主应力和总变形的云图如下所示。可以看到最大主应力出现在固定端面不远处，值为1.878e7Pa小于材料的弯曲强度70MPa。最大变形出现在电机支撑的端面位置，值为0.00015m，完全处于可以接受的范围内。

2.3.2 助力杆的有限元分析

与分析支撑杆类似，对助力杆也需要进行有限元静力学分析。首先仍然以ABS材料设置分析环境，然后以缓慢过度和精细跨度角划分网格。

当突然受到电机扭矩作用时，由于人腿的转动惯量相对较大，刚开始的瞬间可以近似为一个固定不动的刚体。助力杆下部连接在大腿上可以认为是一个固定支撑，上部与电机连接部分承受一个扭矩，通常情况下电机以额定扭矩工作，扭矩值为40Nm。以此为依据可以在ANSYS中设置好固定支撑和力矩。

进行解算，得到了助力杆的最大主应力出现在电机连接处，其值为..Mpa，依然满足材料的弯曲强度要求，最大变形出现在相同位置，变形值..m，满足使用要求。

支撑杆和助力杆均满足了设计需要，其余直径更大且受力较小的部件也可满足。说明了该设计和材料可以让髋关节外骨骼机器人平稳安全的工作。