下肢外骨骼康复机器人设计及其运动学分析

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1、第３８卷第４期华侨大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ．３８Ｎｏ．４２０１７年７月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｕａｑｉａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）Ｊｕｌ．２０１７犱狅犻：１０．１１８３０／ＩＳＳＮ．１０００５０１３．２０１７０４００３下肢外骨骼康复机器人设计及其运动学分析夏田，桓茜，陈宇，徐建林，韩瑞琪（陕西科技大学机电工程学院，陕西西安７１００２１）摘要：采用电机驱动方式，设计一种用于辅助行走和康复训练的人体下肢外骨骼康复装置．将下肢外骨骼简化为矢状面内的五杆机构，建立相应的Ｄ?Ｈ（Ｄｅｎ

2、ａｖｉｔ?Ｈａｒｔｅｎｂｅｒｇ）模型，推导出一个步态周期内髋关节、膝关节、踝关节和脚尖的坐标方程．在ＡＤＡＭＳ环境下，对下肢外骨骼进行运动学仿真分析，所得到的髋关节、膝关节和踝关节的坐标变化曲线表明：下肢外骨骼各关节在空间中具有连续的运动轨迹．关键词：下肢外骨骼；五杆机构；运动学方程；Ｄ?Ｈ模型；仿真分析；ＡＤＡＭＳ软件中图分类号：ＴＰ２４２文献标志码：Ａ文章编号：１０００?５０１３（２０１７）０４?０４５２?０５犇犲狊犻犵狀犪狀犱犓犻狀犲犿犪狋犻犮犃狀犪犾狔狊犻狊狅犳犔狅狑犲狉犔犻犿犫犈狓狅狊犽犲犾犲狋

3、狅狀犚犲犺犪犫犻犾犻狋犪狋犻狅狀犚狅犫狅狋ＸＩＡＴｉａｎ，ＨＵＡＮＸｉ，ＣＨＥＮＹｕ，ＸＵＪｉａｎｌｉｎ，ＨＡＮＲｕｉｑｉ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａａｎｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ′ａｎ７１００２１，Ｃｈｉｎａ）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ａｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｏｆｈｕｍａｎｌｏｗｅｒｌｉｍｂｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｗａｌｋｉｎｇａｉｄｓａｎｄｒｅｈａｂｉｌ

4、ｉｔａｔｉｏｎｔｒａｉｎｉｎｇｕｓｉｎｇｔｈｅｗａｙｏｆｍｏｔｏｒｄｒｉｖｅ．ＢｙｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇｔｈｅＤ?Ｈ（Ｄｅｎａｖｉｔ?Ｈａｒｔｅｎｂｅｒｇ）ｍｏｄｅｌｏｆｌｏｗｅｒｌｉｍｂｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ，ｔｈｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｅｑｕａｔｉｏｎｓｏｆｈｉｐｊｏｉｎｔ，ｋｎｅｅｊｏｉｎｔａｎｄａｎｋｌｅｊｏｉｎｔａｒｅｄｅｒｉｖｅｄ．ＴｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｌｏｗｅｒｌｉｍｂｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｉｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅＡＤＡＭＳｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ

5、．Ｔｈｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｃｕｒｖｅｓｏｆｈｉｐ，ｋｎｅｅａｎｄａｎｋｌｅｊｏｉｎｔｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｊｏｉｎｔｓｏｆｔｈｅｌｏｗｅｒｌｉｍｂｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｈａｖｅａｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｉｎｓｐａｃｅ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｌｏｗｅｒｌｉｍｂｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ；ｆｉｖｅ?ｂａｒｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｅｑｕａｔｉｏｎ；Ｄ?Ｈｍｏｄｅｌ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ；ＡＤＡＭＳｓｏｆｔｗａｒｅ２０１５

6、年底，我国６０岁以上的老年人口约占到总人口的１６％，呈现出老龄化趋势．老年人的行走运动障碍问题已经成为社会运作的一个巨大压力．用于辅助康复和治疗的机器人越来越多地被用来帮助老年人、残疾人和运动障碍患者进行辅助行走和康复训练，机器人辅助下肢康复的领域也得到了迅速地［１?４］发展．下肢外骨骼康复机器人是一种具有一定可穿戴性的机械系统装置，要求外骨骼装置与人体下肢高度地耦合以辅助人体下肢运动，即要求其工作原理应尽可能地满足人体下肢的运动机理，实现一种整体的协调运动．本文采用电机驱动方式，设计出一种下肢外骨骼机械

7、结构，建立了下肢外骨骼的Ｄ?Ｈ（Ｄｅｎａｖｉｔ?Ｈａｒｔｅｎｂｅｒｇ）运动学模型，并在ＡＤＡＭＳ环境下对其运动学方程进行了仿真分析．收稿日期：２０１６?１２?２７通信作者：夏田（１９６２?），女，教授，主要从事数控装备、机器人及ＡＶＧ小车等自动化设备的研究．Ｅ?ｍａｉｌ：４９２４８７３５２＠ｑｑ．ｃｏｍ．基金项目：陕西省科技计划资助项目（２０１３Ｋ０７?０８）第４期夏田，等：下肢外骨骼康复机器人设计及其运动学分析４５３１人体步态参数一个步态周期是指从一侧足跟着地到该足跟再次着地所经历的时间，如图１所示．以

8、右腿（图中黑色部分）为研究对象，将整个步态周期划分为３个典型的步态时相，包括单腿支撑相、双腿支撑相和摆动相．其中，支撑相表示足部和支撑面之间接［５］触，摆动相表示足部和支撑面之间离开．一个步态周期内，左侧腿和右侧腿上髋关节、膝关节和踝关节的屈／伸角度（α）图１人行走步态周期随着时间（狋）的关系曲线，如图２所示．由图Ｆｉｇ．１Ｈｕｍａｎｇａｉｔｃｙｃｌｅ２可知：髋关节屈／伸的活动度为－２．４０°～２９．００°；膝关节屈／伸的活动