下肢康复用并联式外骨骼膝关节的设计.pdf

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强的特点。
关键词外骨骼，平面并联机构，康复设备，膝关节

［，，］
引言地处理成单自由度的转动副结构。这种结构
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
图平面二自由度关联机构
机构，也有自由度的完全并联机构（#
）。虽然具有空间个自由度的平
台型完全并联机构能够满足膝关节对自由度的要该机构具有平面上的两个平移自由度，在两个主动
关节，的驱动下，机构位置可完全确定。与具
求，但是由于受到人体约束的影响，这种机构结构复
杂，重量较大，具有过多的冗余自由度，且难以实现。有固定转动中心的转动副不同，该并联机构在其工
因此应该选取一套简单可行的并联机构来模拟膝关作空间内可按任意指定路径运动（图中虚线为一
节的运动。条绕点转动的轨迹），因而具有模拟平面复杂运
人体膝关节由股骨内外髁、胫骨平台、髌骨、前动的能力。同时，其驱动器数仅为，活动构件数为
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总重量，是一种较为理想
骨做相对滑动和滚动，可将其视为平面上的运动，因的并联式外骨骼膝关节机构。该机构用以辅助膝关
此可选用具有平面运动能力的并联机构来实现，包节进行康复训练的实施方案如图所示。
在图中，根据人体步态计算主动件，的