下肢康复用并联式外骨骼膝关节的设计.pdf

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1、高技术通讯年第卷第期：：下肢康复用并联式外骨骼膝关节的设计!印松!殷跃红（上海交通大学机器人研究所上海）摘要提出了下肢瘫痪病人康复用并联式外骨骼膝关节的设计方法。通过分析传统单自由度转动副和多连杆机构的不足，采用平面二自由度并联机构对膝关节外骨骼化，以提高外骨骼膝关节的仿生性和通用性，并提出了该机构辅助人体膝关节进行康复训练的实施方案。在运动学分析的基础上，以满足人体正常行走时膝关节的运动范围要求和提高机构运动学性能为目标进行了结构参数优化设计。初步分析表明，该机构用于下肢瘫痪病人康复训练时具有仿生性高和通用性

2、强的特点。关键词外骨骼，平面并联机构，康复设备，膝关节地处理成单自由度的转动副结构［，，］。这种结构引言的膝关节的转动中心固定，仿生性较差，难以提供一外骨骼机器人（）是一种可穿戴个自然的人机交互界面。王斌锐等人提出一种由四机器人，用以增强人的体能、实现瘫痪病人的康复训连杆机构组成，采用智能阻尼器控制的多轴仿练以及辅助人进行各种操作等。近年来，各国科研生膝关节机构［］。由于该机构能在运动时改变其瞬人员对外骨骼机器人进行了广泛研究，以期能在增时转动中心，与膝关节运动相仿，因此具有较高的仿强人的体能和耐久力以及瘫痪病

3、人的康复训练等方生性。但该机构结构固定，针对不同个体不能实现面得到应用。等人开发的外骨骼机方便调节，通用性较差。器人能够辅助人体在负载的情况下攀爬楼梯［］。伯从关节运动的原理来看，肌肉群共同作用牵引克利机器人实验室开发了一种称为的外骨骨骼产生运动，因此采用并联结构式的外骨骼关节骼机器人，它能够全面增强人体机能，保障士兵在重具有一定的仿生意义。目前，针对并联式外骨骼机负载下的正常行走［］。南洋理工大学的罗教授等人器人的研究很少。德国教授所在研究小组开发了一套具有内、外两层结构的下肢外骨骼机器尝试采用并联机构对髋关

4、节外骨骼化，以期用更加人实验样机，并以此为基础开展了一系列的研究工紧凑可行的方式实现髋关节的多自由度运动［，］。作［］。第一款商业化外骨骼机器人是日本筑波大但是这种机构结构非常复杂，工程上难以实现。本学开发的机器人，它能够帮助老年人和伤残人文通过机构的结构选型及参数优化设计为人体下肢士进行正常行走和攀爬楼梯［］。同样投入市场应用康复训练用外骨骼机器人设计了一套简单的并联式的有瑞士公司研制的，它基于踏膝关节机构，以提高外骨骼膝关节的仿生性和能用步机实现，并通过重力匹配系统平衡掉一部分人体性。重量［］。机构选型膝关

5、节是人体下肢重要且结构复杂的关节系统。一方面人体膝关节参考点的位置随着弯曲角度传统的外骨骼膝关节大多采用图所示的单自的变化而变化，另一方面，不同的个体，其膝关节的由度转动副，这种关节虽然结构简单，但是其仿生性尺寸也不相同，这就要求外骨骼膝关节的转动中心较差，不能充分反映膝关节的运动情况。具有可变能实时改变位置，并能方便调节以适应不同尺寸个瞬心的多连杆机构虽然具有很好的仿生性，但是它体的需求。已有外骨骼机器人的膝关节大都被简单不能够实现调节以满足不同尺寸个体的需要，因此"计划（）资助项目。!男，年生，博士；研究方

6、向：并联机器人理论；联系人，：（收稿日期：）——高技术通讯年月第卷第期通用性较差。本文提出采用具有多个自由度的并联杂，驱动件及其它构件较多，因而不利于减小设备的机构来实现膝关节的外骨骼化，以提高其仿生性和体积和重量，且设计和驱动也有一定难度。通用性。考虑图所示的包括个活动构件和个低副的平面机构。根据平面机构的自由度计算公式图!单自由度转动副式外骨骼膝关节并联机构种类繁多，既有自由度的平面并联机构，也有自由度的完全并联机构（图#平面二自由度关联机构）。虽然具有空间个自由度的平该机构具有平面上的两个平移自由度，在两

7、个主动台型完全并联机构能够满足膝关节对自由度的要求，但是由于受到人体约束的影响，这种机构结构复关节，的驱动下，机构位置可完全确定。与具有固定转动中心的转动副不同，该并联机构在其工杂，重量较大，具有过多的冗余自由度，且难以实现。作空间内可按任意指定路径运动（图中虚线为一因此应该选取一套简单可行的并联机构来模拟膝关条绕点转动的轨迹），因而具有模拟平面复杂运节的运动。动的能力。同时，其驱动器数仅为，活动构件数为人体膝关节由股骨内外髁、胫骨平台、髌骨、前后交叉的十字韧带等组成。人体行走时，股骨与胫，因此有利于减轻设备的

8、总重量，是一种较为理想的并联式外骨骼膝关节机构。该机构用以辅助膝关骨做相对滑动和滚动，可将其视为平面上的运动，因节进行康复训练的实施方案如图所示。此可选用具有平面运动能力的并联机构来实现，包括平面二自由度和平面三自由度并联机构。典型的在图中，根据人体步态计算主动件，的平面三自由度并联机构如图所示。该机构可以实位置信息，在，的驱动下，小腿上的点沿小腿屈伸时的轨迹运动，带动膝关节产生相应动