DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.02.001
杨灿军1,2，彭桢哲2，徐铃辉2，杨巍1,2
(1. 浙江大学宁波研究院，浙江 宁波 315100；2. 浙江大学 机械工程学院，浙江 杭州 310058)
摘 要：设计柔性可穿戴式膝关节保护外骨骼，用于实现人体运动过程中膝关节负载减重及行走助力功能. 根据人体生物力学特点，使用固体各向同性材料惩罚（SIMP ）模型与有限元分析设计柔性外骨骼膝关节，该柔性关节在行走运动支撑期具有刚性，能够减轻膝关节体重负载，在摆动期柔性较强，能适应人体生理关节运动特性，不对膝关节造成额外载荷. 在柔性可穿戴式膝关节外骨骼结构的基础上，配套设计行走助力模块，研究相应的助力控制方法可以实现步行助力. 性能测试实验表明，单侧膝关节保护外骨骼最大能减轻110 N 的膝关节负载，外骨骼结构自身质量为639 g ，减重比大；带行走助力模块的外骨骼系统质量为4.8 kg ，能实现步行运动的助力功能.关键词： 柔性外骨骼；穿戴式外骨骼；膝关节保护；减重支撑；行走助力 中图分类号： TP 242.6 文献标志码： A 文章编号： 1008−973X （2021）02−0213−09
Design of flexible knee-joint protection exoskeleton and
walking assistance method
YANG Can-jun 1,2, PENG Zhen-zhe 2, XU Ling-hui 2, YANG Wei 1,2
(1. Ningbo Research Institute , Zhejiang University , Ningbo 315100, China ;2. College of Mechanical Engineering , Zhejiang University , Hangzhou 310058, China )
Abstract: A wearable flexible knee-joint protection exoskeleton was designed, which is used for knee-joint load
reduction and force assistance during body motion. The flexible knee joint was designed using solid isotropic material with penalization (SIMP) model and finite element analysis based on biomechanics features of lower limbs.The exoskeleton joint is rigid during stance period to help reduce the body weight load on the knee joint, and it shows flexibility during swing period to adapt to physiological joint kinematic characteristics of body. Therefore no extra force is loaded on the body joint. The walking assistance module was designed and added on the basis of this wearable flexible knee-joint exoskeleton mechanism. The corresponding assisting force control method was researched to realize walking assistance. The performance tests show that the knee joint protection exoskeleton can reduce the knee joint load up to 110 N. The weight of the wearable e
xoskeleton is 639 g, therefore the weight loss ratio is significant. The exoskeleton system with walking assistance module weights 4.8 kg. The walking test proves that the system has the ability to assist walking.
Key words: flexible exoskeleton; wearable exoskeleton; knee-joint protection; weight reduction and support;walking assistance
膝关节是人体最易受损的关节[1]，降低膝关节载荷是防治膝关节病变的重要方法[2]. 在膝关节损伤后的康复锻炼过程中，减轻膝关节内力对康复过程有积极作用. 减轻膝关节内力的需求推动了膝关节外骨骼的研发与应用. 须设计一种外骨骼结构，能够显著减轻人体日常活动中的膝关
节负载，为使用者日常生活带来便利. 同时，由于日常活动中，大部分有膝关节参与的运动姿态为行走运动，希望外骨骼设备具有行走助力功能.
范渊杰[3]设计外骨骼下肢康复系统及硬件设备，针对患者需求提出递进式复合康复策略，能够实时准确识别使用者的运动意图. 史延雷等[4]
收稿日期：2020−10−11. 网址：www.zjujournals/eng/article/2021/1008-973X/202102001.shtml 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51805469)；浙江省食品药品监管系统科技计划资助项目(2020016).
作者简介：杨灿军(1969—)，男，教授，博士，从事人机智能系统研究. /0000-0002-3712-0538. E-mail ：***********
通信联系人：杨巍，男，助理研究员，博士. /0000-0002-8177-1071. E-mail ：***************
第 55 卷第 2 期 2021 年 2 月
浙 江 大 学 学 报(工学版)
Journal of Zhejiang University (Engineering Science)
Vol.55 No.2Feb. 2021
提出由8个压缩弹簧协同组成的柔性输出机构并设计柔性关节，其抗冲击能力和柔性输出能力可以满足柔性关节型机器人的应用需求. 朱蒙等[5]设计制作的针对偏瘫患者的轻质下肢康复外骨骼具有质量轻、穿戴舒适的优点. Ikeuchi等[6]开发Bodyweight Support System，能够降低设备使用者的足底压力，为高龄使用者的生产、生活与工作提供帮助. Taketomi等[7]研发Hybrid Assistive Limb，设备基于肌电信号，感知人体的运动意图，为残疾人提供行走助力. Lee等[8]设计可穿戴式老年步行辅助装置S-Assist，为高龄使用者提供步态辅助，设备能够在衣服内侧穿戴，对髋关节与膝关节提供助力. Baser等[9]研发仿生柔顺性下肢外骨骼机器人BioComEx，可以用于负重与康复2种场合，能满足健康与瘫痪
用户的步行辅助需求.
上述研究通过设计支撑式结构，利用支撑式外骨骼跨过膝关节传递体重负载，实现减轻膝关节上载荷的目的.不过，对于刚性的外骨骼运动关节，若外骨骼关节转轴和人体关节的瞬时旋转中心没有严格对中，即使仅存在微小的误差时，人体关节上也会产生明显的额外载荷，关节受损与患病的风险将增大[10].尽管可以通过设计可调节式机构、增加关节自由度、设置多转轴解耦[11]等方法，解决人机关节旋转轴不对中的问题，但上述增加机构自由度的方法，使系统复杂度显著增大，给系统建模与控制策略的设计带来困难；同时，由于存在冗余自由度，外骨骼难以实现支持体重、减轻膝关节内力的功能.
针对上述外骨骼设备的不足之处，设计制作柔性可穿戴式膝关节保护外骨骼系统，并对其进行试验. 系统延续了支撑式结构的设计，具有膝关节保护功能，能有效减轻膝关节内力，即胫骨与股骨间的正压力，减轻膝关节的磨损；在行走运动时，在膝关节起支撑作用的时间段内负担人体部分体重，减轻膝关节内力；在膝关节屈/伸运动时贴合人体膝关节的运动轨迹，表现为具有较强的柔性. 由于下肢最主要的运动方式为步行运动，基于膝关节保护外骨骼，添加行走助力模块，使外骨骼系统具有步行助力功能.
1 人体运动分析
人体实现行走、奔跑、跳跃等运动主要依靠下肢，其中行走运动最为常见，其周期规律性也最强.下肢
自由度主要分布在髋关节、膝关节和踝关节上[12]，行走步态由关节角度确定；膝关节内力的大小也与人体步态紧密相关[13].
1.1 下肢运动范围
如图1（a）所示，标定人体3个互相垂直的基本面，即矢状面、额状面和水平面. 行走运动主要发生在矢状面，额状面和水平面的运动不甚显著.粗糙的模型可以忽略额状面和水平面的运动，但在分析实际运动时必须对三者进行综合分析. 如图1（b）、（c）所示为主导下肢运动的6个自由度，各自由度的运动范围如表1所示. 设计的外骨骼机构不能对人体自由运动造成干涉. 若外骨骼包含上述自由度，其运动极限应当大于上述关节运动范围.
水平面
膝关节
踝关节
髋关节
旋外
伸
蛋白修饰屈/伸
趾屈
外翻
外展内收
(a) 人体基本平面(b) 下肢关节骨骼下肢自由度分布
图 1 人体运动面与下肢自由度分布[13]
Fig.1 Human motion surface and distribution of lower limb freedom
表 1 下肢各关节的运动范围
Tab.1 Motion range of each lower limb joint
关节运动步行运动范围[14]运动极限[15]髋关节旋内/旋外 1.6°/13.2°50°/40°
髋关节屈/伸32.2°/22.5°120°/30°
髋关节外展/内收7.9°/6.4°20°/45°
膝关节屈/伸73.5°/0°150°/0°
踝关节背屈/趾屈14.1°/20.6°20°/40°
踝关节内/外翻16.5°/25.7°20°/35°
1.2 行走运动的周期性
行走运动的一个完整步态周期从足跟着地开始，到同一足跟再次着地为止[16]. 根据下肢在整个正常步态周期中的运动，将完整的一步划分为支撑期和摆动期，支撑期指从足跟着地到足尖离地，即足底与地面接触的阶段；摆动期指从足尖离地到足跟着地，即足部离开地面的阶段. 人体行走运动的关节角度和关节力矩变化具有周期性[14]，不同行走速度下的关节角度曲线周期不同而形状相似[17].
214浙 江 大 学 学 报（工学版）第 55 卷
2 外骨骼结构设计
在行走运动期间，外骨骼的柔性膝关节在关节运动期间表现出柔性，在关节提供体重支撑时具有较强的刚性. 为了减轻外骨骼质量，减小外骨骼体积，便于外骨骼的携带与穿戴，放弃常见的与下肢等长、从臀部延伸至地面的长杆式外骨骼结构，选择使用固联环-柔性关节的绑腿结构. 外骨骼在人体自有的胫骨-膝关节-股骨体重支持和重力传递链上，并联了大腿-固联环-外骨骼关节-固联环-小腿的支撑传力链，一部分的体重负载经过外骨骼柔性关节，跨过人体膝关节作用在小腿上，减轻了膝关节内力，实现了膝关节保护功能.
µ=0.5固联环与皮肤接触产生压力，在人体膝关节支撑体重时，外骨骼关节上支持力的反力作用在固联环上，环与腿部皮肤产生静摩擦力. 摩擦力“推开”股骨与胫骨，减小关节内的正压力，实现减轻膝关节内力的目的. 故外骨骼膝关节对体重负载的减轻作用由柔性关节的支持力决定，与环上的压力正相关. 环作用在腿部的压力会阻碍血液循环，压力的上限影响外骨骼的关节保护性能的大小.认为支持力全部由正压力产生，令压力上限为200 N ，暂定摩擦系数[18]，则外骨骼的负载减轻作
用为不小于100 N ，相当于10 kg ，约为体重的18%.
设计外骨骼所需的人体物理参数
[19]
如表2所
示. 其中长度取10%~90%分度，体重取中位数. 为了提高外骨骼的穿戴性能，其结构应当尽可能贴合人体物理尺寸. 基于柔性与刚性需求，考虑材料特性与制造难度，使用聚乳酸（polylactide ，PLA ）与熔融沉积成型（fused deposition modelling ，FDM ）工艺制造外骨骼柔性关节及穿戴结构.
表 2 人体物理参数
Tab.2 Physical parameters of human body
大腿长/mm
大腿围/mm
小腿围/mm
体重/kg
452−29+30408−44
+51353−49
+49
56
2.1 柔性关节设计
使用固体各向同性材料惩罚（solid isotropic material with penalization ，SIMP ）模型方法设计关节[13]，其几何形状应当同时满足体重支持时的高刚性和关节屈曲时的高柔性需求，可以表述为
c ρ(x )0⩽
式中：为机构柔性；为广义材料密度，
D
ρ(x )d D ⩽V 0⩽ρ(x )⩽1.0D V f t u Γt t ，，为材料的设计区域，
为材料体积有效分布；为施加载荷；为作用在
计算区域上的力；为位移矢量；为作用力产生
的形变对应的位移曲线.
ρ(x )→1.0ρ(x )→
0计算结果如图2所示，即广义材料密度分布云图. 说明须保留材料以提供刚性，说明此处的材料无须承受较大的载荷，或应当
去除材料以满足柔性需求. 为了实现柔性需求，当关节发生旋转后，接触区域应当发生明显形变，适应人体膝关节滑移引入的瞬时转轴位移.
设计柔性关节如图3（a ）所示. 对其施加200 N 对心载荷，得到如图4（a ）所示的应力云图，左、右图分别对应运动状态为支撑体正对齐和错开. 在柔性关节上应力处于许用强度范围内，能够满足刚性需求. 考虑实际穿戴场合，由于使用固联环结构，柔性关节支杆难以与腿骨严格平行，应当考虑柔性外骨骼关节受到载荷方向偏离几何圆心的情况. 使用有限元分析（finite element analysis ，FEA ）方法，在一对完整的内外环上施加方向对准或偏离几何圆心的载荷，其应力云图如图4（b ）所示，其中左图中内外圆盘对心，右图中内外圆盘偏心角度选为20°，柔性关节摆角处于柔性与刚性需
1.0
5×105×100.90.80.70.60.50.40.30.20.11.0
0.90.80.70.60.50.40.30.20.120°
主结构
次结构
边界载荷(a) 外环(b) 内环
点载荷那一课
次结构
固定约束
ρ
ρ
图 2 柔性关节广义材料密度云图[13]
Fig.2 Generalized material density nephogram of flexible joint
第 2 期
杨灿军, 等：柔性膝关节保护外骨骼及其行走助力方法设计[J]. 浙江大学学报：工学版,
2021, 55(2): 213–221.
215
求的过渡区，且仍须具有较强的刚性. 受到对心压力时的仿真结果与SIMP方法得到的应力云图相似，但当受到偏心压力时，以加载20°偏心载荷为例，云图上应力较大的区域对应如图3（a）所示的镂空结构，说明设计存在缺陷. 因此优化支撑体结构，得到如图3（b）所示的柔性关节. 使用FEA
方法得到柔性关节不同摆角下受到对心载荷的应力σ或形变ε云图，如图4所示. 柔性关节保有符合设计需求的刚性，对其在不同摆角下的受力进行仿真，仿真结果如图5所示. 图中，C e为外骨骼关节形变率. 当摆角为45°时，在受100 N载荷条件下，其载荷主要作用在次结构上使得外骨骼柔性增大，如图5（e）所示；当摆角达到60°时，受20 N 载荷即可产生较大形变，如图5（f）所示. 上述仿真结果证明该柔性关节方案满足设计要求.
2.2 膝关节穿戴结构设计
在自由行走时，由于小腿具有自然弧度，小腿中段较膝关节外缘更向外一段距离. 为了利用这段距离，同时获得更大的空间便于排布助力结构，将柔性关节置于身体的外侧（即左膝左侧、右膝右侧）.
利用下肢肌肉曲线，固联环分别“顶住”大腿肚与小腿肚，增大支持力.
内环
(a) SIMP 法柔性关节结构(b) 优化设计
图 3 柔性外骨骼关节设计图
Fig.3 Design sketch of flexible exoskeleton joint
14.98
5.000
4.375
3.750
3.125
2.500
1.875
1.250
0.625
2.880 5×10−7
11.570
5.000
4.375
3.750
3.125
汽车板材
2.500
1.875
1.250
0.625
7.989 2×10−6
(a) 基于SIMP 法设计的柔性关节
(b) 内外圆盘加载应力分析
1.974 5 1.755 40 1.536 30 1.317 20 1.098 10 0.879 01 0.659 91 0.440 81 0.221 71 0.002 60417.723 15.755 13.787 11.819 9.851 1 7.883 0 5.914 9 3.946 8 1.978 7 0.010 599
σ/MPaσ/MPa
σ/MPaσ/MPa
图 4 SIMP法的设计与验证
Fig.4 Simulation and verification of SIMP method
13.114
5.000
4.375
3.750
3.125
2.500
1.875
1.250
0.625
1.467 3×10−7
11.152
5.000
4.375
3.750
3.125
2.500
1.875
1.250
0.625
5.734 1×10−6
(a) 内外环支撑体对心, 500 N 载荷(b) 摆角 10°, 200 N 载荷
(d) 30°, 100 N 载荷
(c) 摆角 20°, 200 N 载荷
(f) 摆角 60°, 20 N 载荷
(e) 摆角 45°, 100 N 载荷
15.313
3.000 00
2.625 00
葛守江
2.250 00
1.875 00
1.500 00
1.125 00
0.750 01
0.375 01
kidd血型
1.414 4×10−5
0.575 25
0.511 34
0.447 42
0.383 50
0.319 58
一切如新0.255 67
0.191 75
0.127 83
0.063 917
3.146 40
2.796 80
2.447 20
2.097 60
1.748 00
1.398 40
1.048 80
0.699 21
0.349 60
20.605
5.000
4.375
3.750
3.125
2.500
1.875
1.250
0.625
2.747 9×10−6
σ/MPaσ/MPa
σ/MPaε/mm
σ/MPaε/mm
图 5 优化后的应力与形变云图
Fig.5 Stress and deformation nephogram after optimization
216浙 江 大 学 学 报（工学版）第 55 卷
在柔性关节上添加支杆与固联环联接. 结合穿戴需求与可调性要求，利用如图6（a ）所示的原理设计柔性关节连接件与固联环. 完成的装配体如图6（b ）所示. 小腿环内侧周长为345~387 mm ，大腿环内侧周长为413~471 mm ，因为须预留一定的厚度，以添加增大摩擦力所需的内衬，上述方案符合设计需求.
前侧固联环
柔性关节连接件
后侧固联环
R1R
(a) 固联环的设计原理
大腿固联环
小腿固联环
柔性关节(b) 膝关节保护外骨骼装配体结构设计图与爆炸视图
图 6 可穿戴式外骨骼结构设计
Fig.6 Structure design of wearable exoskeleton
2.3 髋关节助力机构设计
为上述机构添加行走助力模块，为髋关节前摆和膝关节后摆提供助动力矩. 传统外骨骼设备将质量较大的电机与减速机构布置在肢端，在设备运动时表现出较大的惯性，穿戴设备后的行走步态会产生明显畸变，同时较大的额外质量也为设计控制系统带来困难. 为了使设备便于穿戴、减少
肢端运动惯性，设计将助行模块置于背包中，使用牵引绳拉动下肢实现行走助力. 在双侧固联环上设计受力点.
γT 在使用牵引绳助力时，布置发力点与穿戴者腰部同高，外骨骼结构确定了助力作用受力点的位置. 如图7（a ）所示，定义牵引角为助力髋关节前
摆的牵引绳上拉力方向与下肢瞬时速度方向之
γT T 1γ¯γ
hip ≈76.9T ≈T 1≈间的夹角. 越大，在髋关节上正压力的分力越
大，髋关节更易磨损. 根据几何关系计算随时间
的变化，得到髋关节牵引角对时间的平均值，牵引角较大. 当牵引绳提供8 N·m 的转矩
时，使用功率关系计算200 N ，195 N ，对人
体髋关节造成了额外的载荷.
αF cos αF sin α为了消除这一载荷，设计凸轮结构助力髋关节前摆. 凸轮受电机-牵引绳助力系统驱动，驱动转矩恒定；助力力臂恒定，其大小由穿戴在髋关节下侧的腿环上滑轮轴承与髋关节运动转轴的距离确定. 因此机构输出的助力大小由压力角唯
一确定. 垂直于股骨的分量助力行走运动，
平行于股骨的分量沿股骨向下，减轻髋关
节的关节内力，在一定程度上保护髋关节. 穿戴膝关节保护模块与髋关节助力模块的人体下肢受
力情况如图7（b ）所示.
φh 使用反转法设计凸轮. 根据髋关节屈/伸摆动角度随时间变化关系[14]，设计凸轮摆动从动件摆角随时间变化曲线，如图7（c ）所示. 图中，为摆
动从动件摆角，s 为时间序列. 临床步态分析（clinical gait analysis ，CGA ）数据库将一步平均划分为51个时间间隔，间隔长短决定单步时长. 依据CGA 的步态时间划分方法标记时序绘制从动件摆角变
化曲线. 基于摆角随时间变化关系绘制凸轮滚子
T hip T knee
V γ
T 1
膝关节小腿
V
T 1
T knee
T hip γ
大腿
小腿
膝关节(a) 膝关节绳牵引外骨骼
受力分析(b) 髋关节绳牵引外骨骼
受力分析
40图 7 髋关节助力机构设计Fig.7 Design of hip-joint assist mechanism
第 2 期
杨灿军, 等：柔性膝关节保护外骨骼及其行走助力方法设计[J]. 浙江大学学报：工学版,
2021, 55(2): 213–221.
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