穿戴式下肢負(fù)重外骨骼機器人設(shè)計

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1、 穿戴式下肢負(fù)重外骨骼機器人機構(gòu)設(shè)計與動力學(xué)仿真 摘要：穿戴式負(fù)重外骨骼機器人是輔助下肢有運動障礙的患者進行站立及行走活動的康復(fù)型機器人。隨著我國經(jīng)濟發(fā)展，對康復(fù)機器人的需求越來越多，而國內(nèi)研究剛剛起步，許多技術(shù)還不夠成熟，還需要不斷的深入研究。本論文對下肢外骨骼機器人進行了國內(nèi)外文獻的查閱和需求分析，針對機器人的機械總體結(jié)構(gòu)、外骨骼系統(tǒng)運動學(xué)仿真與動力學(xué)分析進行了設(shè)計。首先，由于外骨骼機器人需要適用于人體結(jié)構(gòu)，因此外骨骼機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計需要明確人體尺寸及下肢運動范圍。根據(jù)人體下肢結(jié)構(gòu)和運動特征確定機器人關(guān)節(jié)自由度，選擇合適的驅(qū)動方式并設(shè)計成可調(diào)節(jié)式。其次，在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，

2、對外骨骼機器人進行運動學(xué)和運動特性分析。運用拉格朗日方程建立動力學(xué)模型，為機器人控制奠定基礎(chǔ)。最后，本文采用Creo三維軟件對外骨骼機器人進行運動仿真。 關(guān)鍵詞：外骨骼機器人；可穿戴式；動力學(xué)  ABSTRACT Wearable exoskeleton robots are rehabilitation robots that assist patients with movement disorders in the lower limbs to perform standing and walking activities. With the economic develo

3、pment of our country, more and more demand for rehabilitation robots, and domestic research has just started, many technologies are not mature enough, but also need continuous in-depth research. In this paper, the literature on the exoskeleton of the exoskeleton of the lower extremities was reviewed

4、 and the demand analysis was carried out. The overall mechanical structure of the robot and the kinematic simulation and dynamic analysis of the exoskeleton system were designed. First of all, because the exoskeleton robot needs to be suitable for the human body structure, the mechanical structure d

5、esign of the exoskeleton robot needs to define the human body size and the range of motion of the lower extremities. According to the structure and motion characteristics of the lower limbs of the human body, the degree of freedom of the joints of the robot is determined, an appropriate driving mode

6、 is selected, and the adjustable mode is designed. Second, based on the design of the mechanical structure, the kinematics and kinematics of the exoskeletal robot are analyzed. Lagrange equations are used to establish dynamic models and lay the foundation for robot control. Finally, Creo three-dimen

7、sional software is used to simulate the exoskeleton robot. Keywords: exoskeleton robot; wearable; dynamics 目錄 摘要 ABSTRACT 第一章 緒論 1.1 研究背景及意義 1.2 外骨骼機器人概述 1.3外骨骼機器人的國內(nèi)外研究狀況 1.3.1 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 1.3.2 國外發(fā)展?fàn)顩r 1.4課題的研究內(nèi)容 第二章 穿戴式下肢外骨骼機器人設(shè)計理論及方案 2.1人體下肢骨骼生物學(xué)結(jié)構(gòu) 2.2人體正常步態(tài)分析 2.3外骨骼助力機器

8、人運動參數(shù)確定 2.4外骨骼機器人的自由度分配 2.5外骨骼機器人的總體方案設(shè)計 2.6本章小結(jié) 第三章 外骨骼機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1外骨骼機器人結(jié)構(gòu)組成 3.2髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.3膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.4踝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.5外骨骼機器人驅(qū)動方式選擇 3.6本章小結(jié) 第四章 外骨骼機器人Creo仿真分析 4.1 Creo仿真軟件概述 4.2運動仿真分析 4.3踝關(guān)節(jié)有限元分析 4.4 膝關(guān)節(jié)有限元分析 4.5本章小結(jié) 第五章 結(jié)論 參考文獻 致謝 附錄 III 第1章 緒論 1.1

9、研究背景及意義 隨著社會的發(fā)展，誕生了一種用于康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域的新型機械結(jié)構(gòu)，被稱為康復(fù)器械，對于康復(fù)醫(yī)療器械的研究被推向高潮，越來越多的單位加入了這個行列。這種康復(fù)醫(yī)療器械是一種讓人直接穿戴在身上的機械裝置，用來為肢體傷殘的患者提供動力，實現(xiàn)下肢的正常運動。 近年來，由于交通事故的頻頻發(fā)生，致使很多人肢體傷殘，同時，由于快節(jié)奏的生活，給更多人帶來了很大的壓力，人口老齡化的問題也越來越嚴(yán)重。針對這一現(xiàn)象，研究人員研發(fā)出一種醫(yī)療器械，這種醫(yī)療器械通過各種驅(qū)動方式為患者提供動力，幫助他們恢復(fù)肢體運動功能。美國等一些國家的實驗室和研究機構(gòu)研制出了穿戴式外骨骼機器人，這種機器人可以為使用者提供充分的動

10、力和耐力，從而使他們的耐力和負(fù)重能力得到加強，該機器人的應(yīng)用為許多下肢殘障患者提供了方便。 可穿戴式下肢外骨骼機器人是人機一體化系統(tǒng)，其主要作用是通過機械機構(gòu)為使用者提供動力，幫助他們恢復(fù)正常的運動能力?，F(xiàn)如今，在世界范圍內(nèi)，穿戴式下肢機器人的研究剛剛興起，還處于一個技術(shù)不成熟的階段，在這個全新的領(lǐng)域，還需要不斷的探索。 1.2 外骨骼機器人概述 外骨骼機器人是一種可穿戴的仿生機器人，是一種直接供使用者穿戴在體外的機械結(jié)構(gòu)，使用者可以通過該機器人獲得充分的動力，從而增強使用者的運動能力。穿戴式下肢外骨骼機器人不僅僅應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，在軍事方面也有著廣泛的應(yīng)用。穿戴式下肢外骨骼機器人是機器人

11、領(lǐng)域的一個新的分支，越來越多的單位加入到這個領(lǐng)域，也取得了很大的成就。穿戴式外骨骼機器人涵蓋了機械設(shè)計學(xué)、機器人學(xué)、仿生學(xué)、運動學(xué)等多學(xué)科的知識，同時涉及傳感器、控制、信息處理等技術(shù)[1]。 1.3外骨骼機器人的國內(nèi)外研究狀況 1.3.1 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 我國對外骨骼下肢助力機器人的研究開始于20世界初，目前正處于起步階段，還有很多技術(shù)不夠成熟，仍需繼續(xù)努力。目前有許多高校和科研院從事這項研究。我國從事這一方面的單位主要有中科院合肥智能機械研究所、浙江大學(xué)、上海大學(xué)等。 清華大學(xué)是我國最先展開外骨骼機器人研究的機構(gòu)之一，經(jīng)過不斷的實驗研究和探索，最終研發(fā)出多款外骨骼機器人。這些外骨骼機器

12、人可以幫助上下肢體有傷殘的人群正常的運動，其中截癱步行機適用于下肢功能殘障的患者[2]，其結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。 圖 1-1 清華大學(xué)截癱步行機 自2004年起，中科院合肥智能所機器人傳感實驗室大力發(fā)展對穿戴式下肢機器人的探索。采用理論分析、仿真分析、模型試驗相結(jié)合的研究方式，對可穿戴負(fù)重機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計、感知和控制方法等進行了闡述，取得了相應(yīng)的成果[3]。并研制出一款可穿戴型步行助力機器人原型樣機，如圖1-2所示，該設(shè)計可為使用者提供額外的動力，輔助使用者加強下肢運動的能力，從而能夠進行正常的下肢運動。 圖 1-2 中科院合肥所研制的外骨骼機器人 浙江大學(xué)楊燦軍教授等人在穿戴式

13、下肢外骨骼機器人方面進行了大量研究，并取得了相當(dāng)顯著的成果。其實驗室樣機如圖1-3所示，包含主動控制和被動控制兩種形式。在外骨骼主動形式下，提出了基于足底壓力信號來識別人體運動意圖的自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANFIS）理論[4]，運用此理論可以有效判斷使用者行動意圖，從而實現(xiàn)輔助人體行走的功能。 圖1-3 浙江大學(xué)下肢康復(fù)外骨骼原型 1.3.2 國外發(fā)展?fàn)顩r 據(jù)了解，國外在下肢外骨骼機器人這個領(lǐng)域的研究較早，早在20世界60年代末期，美國和前南斯拉夫就已經(jīng)進入了對這方面的研究。目前，世界上多個國家躋身于外骨骼機器人這個領(lǐng)域當(dāng)中，而研究相對成功的有美國、日本等國家。在這些國家

14、中，美國的研制水平是相對最高的。 在2000年，美國政府啟動了“外骨骼增強人體體能表現(xiàn)”計劃，該計劃共投資5000萬美元，從而資助了很多單位對穿戴式機器人的探索和研發(fā)，加快了許多單位在這個領(lǐng)域的研發(fā)，經(jīng)過不斷的探索，最終研發(fā)出了“XOS”系列負(fù)重機器人、BLEEX機器人、HULC機器人等。使用這些機器人可以有效地幫助人們減輕負(fù)重，同時未使用者提供了充分的動力，幫助他們正常行走。BLEEX機器人主要是由：驅(qū)動系統(tǒng)、機械機構(gòu)、控制系統(tǒng)及背包等部分組成，設(shè)計過程中采用擬人化設(shè)計，而且機器人的每條下肢具有7個自由度，可以完成人體下肢所能完成的動作，液壓缸為其提供動力。經(jīng)過不斷的改進，在BLEEX的基

15、礎(chǔ)上，伯克利又研制出第二代產(chǎn)品和。隨后，伯克利又與洛克希德馬丁公司合作于2009年推出第三代產(chǎn)品KULC，又被稱為人類負(fù)重外骨骼，結(jié)構(gòu)如圖所示。 2002年，在日本筑波大學(xué)實驗室HAL系列穿戴式助力機器人系統(tǒng)被研制出。其設(shè)計目的是輔助下肢殘障者能夠正常行走，利用這一系統(tǒng)，很多下肢有傷殘的患者都可以重新站起來。HAL機器人主要由外骨骼腿、電池、傳感器等部分組成。與BLEEX機器人不同的是，HAL機器人是通過穿戴者腿部電信號來預(yù)測其行走趨勢，從而實現(xiàn)輔助功能。 圖1-4伯克利下肢外骨骼BLEEX 圖1-5 人類負(fù)重外骨骼HULC 圖1-6 H

16、AL外骨骼機器人 通過查閱相關(guān)資料，我們可以看出國外在穿戴式下肢外骨骼機器人的設(shè)計和動力學(xué)方面進行了大量的研究，并取得了相應(yīng)的成果。但是在我國，對于外骨骼機器人這個領(lǐng)域的研究還是較少，在一些技術(shù)上還是不夠成熟，與國外相比還是具有很大差距。 1.4課題的研究內(nèi)容 本課題的研究對象是穿戴式下肢負(fù)重外骨骼機器人，通過建立人體坐標(biāo)，對人體下肢在各個平面內(nèi)的運動進行分析以及人體下肢生理學(xué)結(jié)構(gòu)分析，從而進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。整個論文的主要工作有： 1. 外骨骼機器人總體方案設(shè)計 本文的重點是進行穿戴式外骨骼機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，首先要確定機器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，通過分析人體下肢的結(jié)構(gòu)特點和人體正常運動

17、的條件，確定機器人的自由度和結(jié)構(gòu)參數(shù)，選擇驅(qū)動方式。 2. 動力學(xué)分析與仿真 在動力學(xué)方面，我們將利用相關(guān)的軟件對所設(shè)計的穿戴式機器人的機械結(jié)構(gòu)進行一定了力學(xué)性能分析，保證機器人的穩(wěn)定性和安全性。利用Creo三維仿真軟件進行零件的裝配，并進行仿真分析。 第二章 穿戴式下肢外骨骼機器人設(shè)計理論及方案 2.1人體下肢骨骼生物學(xué)結(jié)構(gòu) 在研究人體運動學(xué)方面，首先要建立參考系，根據(jù)查閱的資料得知人體常用的三維坐標(biāo)系如圖2-1所示。人體解剖學(xué)中定義了三個相互正交的基本面，分別是：矢狀面、額狀面（冠狀面）、水平面（橫切面）[5]。矢狀面是將人體自上而下縱切分為左右兩部分的截面，額狀面（冠狀面）

18、是將人體自上而下縱切為前后兩部分的截面，水平面（橫切面）是將人體橫切分為上下兩部分的截面。這是人體的三個基本面，人體全身自由度多，所以可以完成復(fù)雜多樣的動作，如果要全部進行分析會非常困難，而本課題所研究的穿戴式下肢外骨骼機器人只需要分析人體下肢在矢狀面內(nèi)所完成的運動，這樣會使整個過程變得簡單，從而進行外骨骼機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計和力學(xué)分析。 人體解剖學(xué)中不僅定義了三個平面，還有三個基準(zhǔn)軸，分別是：額狀軸、矢狀軸和垂直軸。其中，額狀面與矢狀面相較的軸線稱為垂直軸，額狀面與水平面相交的軸線稱為額莊軸（冠狀軸），水平面與矢狀面相交的軸線稱為矢狀軸。這就是人體解剖學(xué)中的三面三軸，利用這些可以幫助我們更方便

19、的進行人體運動學(xué)分析。 圖2-1 人體基本軸與基本平面圖 一般人體下肢主要由骨、關(guān)節(jié)和骨骼肌三部分組成，而決定人體下肢運動狀況的主要關(guān)節(jié)包括：髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。人體下肢主要完成的運動有前進、后退和轉(zhuǎn)向，這些過程都是依靠下肢骨骼、骨骼肌和神經(jīng)系統(tǒng)來控制的。參與這些運動的主要關(guān)節(jié)就是髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，這三個關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)將會作為設(shè)計外骨骼機器人的依據(jù)，外骨骼機器人需要完成人體下肢所能完成的運動，所以必須要與人體下肢基本結(jié)構(gòu)相似，且具有相同的自由度。 髖關(guān)節(jié)位于腰部，連接著人體腰部和腿部。髖關(guān)節(jié)是由一個球形股骨頭與髖臼組成，屬于杵臼關(guān)節(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖2-2。髖關(guān)節(jié)內(nèi)脂肪較多，會隨著關(guān)

20、節(jié)內(nèi)部壓力的變化而被擠出或吸入，從而維持關(guān)節(jié)內(nèi)部壓力的平衡。髖關(guān)節(jié)是一個多軸性關(guān)節(jié)，可完成多方相的動作，髖關(guān)節(jié)可以實現(xiàn)屈伸、收斂和旋轉(zhuǎn)等多方向的運動，是全身位置最深的關(guān)節(jié)，具有重要的負(fù)重和活動功能。 圖2-2 髖關(guān)節(jié) 膝關(guān)節(jié)由股骨內(nèi)、外側(cè)踝和脛骨內(nèi)、外側(cè)踝及髕骨組成，是人體最大且結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的關(guān)節(jié)，屬于滑車關(guān)節(jié)。膝關(guān)節(jié)是連接大小腿的關(guān)節(jié)，這一關(guān)節(jié)處的韌帶較多，所以膝關(guān)節(jié)繞垂直軸的運動幅度小。伸直時，由于韌帶拉緊，故不能作旋轉(zhuǎn)運動。因此可認(rèn)為膝關(guān)節(jié)只有一個自由度，只做屈伸運動。 2-3 膝關(guān)節(jié) 踝關(guān)節(jié)由脛骨遠(yuǎn)側(cè)端關(guān)節(jié)面、腓骨遠(yuǎn)側(cè)端關(guān)節(jié)面和骨滑車關(guān)節(jié)面構(gòu)成，如圖2-4，踝關(guān)節(jié)的運

21、動范圍較小，可實現(xiàn)足部的伸屈和內(nèi)外翻的運動。 圖2-4 踝關(guān)節(jié) 2.2人體正常步態(tài)分析 人體的行走過程主要是髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)帶動整個身體來完成的，進行步態(tài)分析可以知道人體下肢的步態(tài)是否正常，有著十分重要的作用，也是進行穿戴式下肢外骨骼機器人設(shè)計的前提。 為了使設(shè)計的穿戴式下肢機器人能夠?qū)崿F(xiàn)輔助下肢殘障者正常運動，我們需要對人體下肢進行步態(tài)分析。人體正常的行走過程包括為兩個階段：支撐期和邁步期。詳細(xì)的步態(tài)周期過程如圖2-5所示，所謂的步態(tài)周期是指人體行走過程中一只腳腳跟著地到這只腳腳跟再次著地所經(jīng)歷的時間。每個步態(tài)周期人體下肢都經(jīng)歷了兩個階段，支

22、撐期和擺動期。從腳趾著地到腳尖離地成為支撐期，約占整個步態(tài)周期60%。腳趾離地到腳跟再次著地為擺動期，約占整個步態(tài)周期40%。在正常人體行走過程中，有一時期雙腳都與地面接觸，其中一只腳蹬地，一只腳站立，這一時期稱為雙支撐期。 圖2-5 人體步態(tài)周期 2.3外骨骼助力機器人運動參數(shù)確定 穿戴式下肢機器人是應(yīng)用于各種人群，所以其結(jié)構(gòu)需要設(shè)計為可調(diào)式。通過查閱相關(guān)資料，我們能夠了解人體下肢基本結(jié)構(gòu)，而且能夠得到人體的具體尺寸數(shù)據(jù)，如表2-1，從而為機器人的設(shè)計提供參考。 表2-1 人體下肢部位基本尺寸 人體下肢部位 理論尺寸范圍 髖部寬 273～374 大腿 410～496 小

23、腿 328～407 足長 219～272 足寬 84～105 穿戴式下肢負(fù)重外骨骼機器人是應(yīng)用于不同身高的人群，所以機械結(jié)構(gòu)的大小腿連桿及腰部連桿需要設(shè)計成可調(diào)節(jié)式的，根據(jù)表2-1提供的數(shù)據(jù)，確定外骨骼機器人合理尺寸大致設(shè)定為： 大腿桿調(diào)節(jié)范圍為410至490mm,小腿桿調(diào)節(jié)范圍為310至390mm,腰部調(diào)節(jié)范圍：280至340mm 人體下肢所完成的各種運動均是由骨盆、大腿、小腿和足這四部分的運動組成，以髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)三個關(guān)節(jié)連接。下肢各關(guān)節(jié)的運動主要分為：屈/伸、外展/內(nèi)收、回旋,各個關(guān)節(jié)的運動都是在一定的范圍內(nèi)，從而保證人體的平衡。經(jīng)過整理可以得出各個關(guān)節(jié)相應(yīng)運動的

24、范圍，如表2-2。 表2-2 人體下肢各關(guān)節(jié)運動范圍 下肢關(guān)節(jié) 關(guān)節(jié)運動范圍 髖關(guān)節(jié) 屈/伸 -120～65 內(nèi)收/外展 -30～-40 旋內(nèi)/旋外 -15～-60 膝關(guān)節(jié) 屈/伸 -120～0 踝關(guān)節(jié) 背屈/趾屈 -14～20 內(nèi)翻/外翻 -30～20 2.4外骨骼機器人的自由度分配 人體在行走過程中，下肢的運動主要是在矢狀面內(nèi)產(chǎn)生，而下肢其他的運動及身體其他部位的運動都是用來保證人體平衡，所以在設(shè)計過程中，我們對這些動作不進行分析。 對于外骨骼機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，為了能實現(xiàn)在矢狀面內(nèi)各個關(guān)節(jié)的運動，我們采用

25、三個扭轉(zhuǎn)活動副，并分別安置在機器人的三個關(guān)節(jié)的相應(yīng)位置，用來模擬三個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動。外骨骼機器人的設(shè)計需要滿足人體下肢的正常運動，所以在其三個主要關(guān)節(jié)處要合理選取自由度。 髖關(guān)節(jié)主要是實現(xiàn)下肢的屈/伸運動，但為了保證下肢外骨骼機器人穿戴更加舒適，輔助治療效果更好，設(shè)計中在髖關(guān)節(jié)處設(shè)置了2個自由度。膝關(guān)節(jié)是人體結(jié)構(gòu)中較為復(fù)雜的一個關(guān)節(jié)，為了簡化分析，我們僅考慮膝關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的屈/伸運動，故設(shè)置1個自由度。踝關(guān)節(jié)是一個主要運動軸，繞額妝面做背屈趾/屈運動。由于腳掌關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而穿戴式下肢機器人設(shè)計中多作為單自由度分析，故設(shè)置1個自由度。 綜上分析，外骨骼機器人工具有8個自由度，髖關(guān)節(jié)2個，膝關(guān)

26、節(jié)1個，換關(guān)節(jié)1個。 2.5外骨骼機器人的總體方案設(shè)計 可穿戴式下肢負(fù)重外骨骼機器人主要是應(yīng)用于下肢殘障者，幫助他們正常運動的一種機械裝置。其結(jié)構(gòu)設(shè)計十分重要，我們應(yīng)該確?？纱┐魇较轮?fù)重外骨骼機器人的使用效果和安全性能。 在對可穿戴式下肢負(fù)重外骨骼機器人的設(shè)計時，應(yīng)遵循以下原則： 1. 可穿戴式下肢外骨骼機器人的設(shè)計必須保證各個關(guān)節(jié)處的自由度與人體下肢自由度一致，結(jié)構(gòu)相同，能夠?qū)崿F(xiàn)人體下肢所能實現(xiàn)的運動。 2. 可穿式外骨骼機器人是應(yīng)用于廣泛人群，所以其設(shè)計必須滿足廣大群眾的身高特點。由于人類的身高不同，所以可穿戴式下肢負(fù)重外骨骼機器人在尺寸結(jié)構(gòu)方面應(yīng)設(shè)計成可調(diào)節(jié)的，從而滿各種人群

27、使用。 3. 可穿戴式下肢負(fù)重外骨骼機器人應(yīng)具有重量輕、體積小、易攜帶、堅固耐用等特點。 綜合以上理論分析，設(shè)計出可穿戴式下肢負(fù)重外骨骼機器人并利用Creo建立三維模型。如圖2-6所示。 圖2-6 外骨骼機器人整體建模 2.6本章小結(jié) 本章首先介紹了下肢外骨骼機器人仿生機理研究，包括建立人體下肢三個主要關(guān)節(jié)的機構(gòu)設(shè)計，分別是髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)。同時進行了正常人體步態(tài)分析和各個關(guān)節(jié)運動參數(shù)。確定了可穿戴式下肢負(fù)重外骨骼機器人的機構(gòu)自由度、桿長及各關(guān)節(jié)允許活動范圍，設(shè)計了下肢外骨骼機器人的總體結(jié)構(gòu)方案。 第三章 外骨骼機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1外骨骼機器人結(jié)構(gòu)組成 穿戴式下肢

28、外骨骼機器人主要功能是輔助下肢殘障患者能夠正常行走運動，所以在設(shè)計其機械結(jié)構(gòu)時應(yīng)該盡量擬人化。而人體下肢運動主要是由髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)三個主要的關(guān)節(jié)起到作用，所以外骨骼機器人主要由三大部分組成，分別是：踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和腰部連接，三個主要關(guān)節(jié)的設(shè)計主要是由人體下肢實際運動時的自由度來進行設(shè)計。設(shè)計的三部分機械結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，穿戴式機器人主要機械結(jié)構(gòu)就是這三部分，其余結(jié)構(gòu)都是為了輔助整個結(jié)構(gòu)的平衡和穩(wěn)定性。所以在后續(xù)的設(shè)計中，我們要著重這三個主要部分的設(shè)計，不僅在尺寸上要準(zhǔn)確，在結(jié)構(gòu)上也要做到簡單耐用。 a 腰部結(jié)構(gòu) b 足部結(jié)構(gòu) c 腿部

29、結(jié)構(gòu) 圖3-1 外骨骼機器人基本結(jié)構(gòu) 3.2髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 髖關(guān)節(jié)可以完成屈伸、收斂和旋轉(zhuǎn)等運動，具有三個自由度，但其主要運動是在矢狀面的屈伸運動，因此我們將髖關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)完成的運動視為主要運動，其他運動視為輔助運動。在整個設(shè)計過程中，需要對各個關(guān)節(jié)的運動進行限位，使其在一定范圍內(nèi)完成。 髖關(guān)節(jié)分為兩部分組成：可調(diào)節(jié)的腰部和背部負(fù)重，腰部基本尺寸為：長280mm，寬100mm。如圖3-2所示。在腰部零件的兩端設(shè)計了輔助調(diào)節(jié)寬度的兩個零件，如圖3-3。在設(shè)計過程中，我們將背部負(fù)重支撐的部分掏空，從而達到減輕重量的目的。同時將腰部的四個角設(shè)計為圓角，不僅減材而且美觀，更好地為使用者提供

30、幫助。 圖3-2 腰部零件 圖3-3 腰部調(diào)節(jié)零件 髖關(guān)節(jié)要連接腰部和腿部，而且需要滿足屈伸和內(nèi)翻/外翻兩個自由度，所以我們將采用如圖3-4所示的結(jié)構(gòu)，這樣就可以滿足兩個自由度，實現(xiàn)髖關(guān)節(jié)的伸屈和內(nèi)翻/外翻的運動。髖關(guān)節(jié)處的設(shè)計雖然保證了兩個自由度，實現(xiàn)下肢兩個自由度內(nèi)的運動，但是該設(shè)計還是存在一定的問題，不能精確地限制自由度的范圍，所以需要進一步優(yōu)化、改善。 3.3膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 在設(shè)計過程中，我們將膝關(guān)節(jié)部分進行了簡化，將其設(shè)計成單自由度結(jié)構(gòu)，只做屈伸運動，從而使整體結(jié)構(gòu)相對簡單。通過軸和軸承連接大腿和小腿，實現(xiàn)屈曲/伸展運動功能，結(jié)構(gòu)如圖3-5。 圖3-5

31、膝關(guān)節(jié) 膝關(guān)節(jié)主要是連接大小腿的關(guān)節(jié)，大小腿的設(shè)計如圖3-6所示。大小腿的設(shè)計是可調(diào)節(jié)的，小腿的調(diào)節(jié)范圍是：330至400mm，大腿的調(diào)節(jié)范圍是：410至490mm。 圖a 小腿零件圖 圖b 大腿零件圖 圖3-6 大、小腿零件圖 腿部的設(shè)計和腰部類似，由于可穿戴式下肢外骨骼機器人是應(yīng)用于廣泛人群，所以我們把腿部的設(shè)計分成兩部分，一部分是基本長度，另外一部分便是調(diào)節(jié)長度，這樣就可以是腿部在一定范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，從而在尺寸上能滿足更多患者使用。 3.4踝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 外骨骼負(fù)重機器人下肢運動時，雖然踝關(guān)節(jié)屈/伸的角度較小，但是踝關(guān)節(jié)會受到不斷變化的支撐反力，如

32、果不限位會造成一定的危險。因此在踝關(guān)節(jié)的設(shè)計方面需要增加一個緩沖裝置對運動進行緩沖，如圖3-6。 圖3-6 踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 圖3-7 踝關(guān)節(jié)簡化 在踝關(guān)節(jié)的設(shè)計上，為了保證踝關(guān)節(jié)不收到支撐反力的損壞，需要進行設(shè)計緩沖裝置，我們選取氣彈簧作為緩沖裝置，可將踝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡化為圖3-7，進行分析計算。設(shè)計中可測量得知L2、L3的長度，然后進行求解幾何，確定L1長度。計算公式如下： 公式3.1 式中L1表示氣彈簧的長度。L2表示足部連接中心到踝關(guān)節(jié)連接中心，L3表示氣彈簧上端到踝關(guān)節(jié)連接中心。

33、 氣彈簧的行程及長度可以經(jīng)過計算得出，其中踝關(guān)節(jié)的自由度限制范圍θ∈【-14， 20】，而L2、L3可經(jīng)過測量得知，θ0=120，經(jīng)過計算可得出L1的長度范圍90mm至110mm，總長度為110mm，采用球頭連安裝在踝關(guān)節(jié)上。有了緩沖裝置的設(shè)計，減少了踝關(guān)節(jié)在受到地面支撐反力而造成的損壞，更好的保護使用者的安全。 3.5外骨骼機器人驅(qū)動方式選擇 外骨骼機器人的驅(qū)動方式對其十分重要，驅(qū)動方式的選擇應(yīng)滿足動態(tài)性能好、響應(yīng)速度快。而且應(yīng)該具有高靈敏度、便于安裝、質(zhì)量輕、可靠性能高等特點。目前，機器人所使用的驅(qū)動方式主要是：電機驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和液壓驅(qū)動三種方式。 （1） 液壓驅(qū)動：液壓驅(qū)動系統(tǒng)

34、應(yīng)用靈活，可根據(jù)實際需要合理布置，液壓驅(qū)動最突出的特點是響應(yīng)速度快，重量輕，動態(tài)性能好，操縱控制方便等。但是液壓油易泄露，容易造成環(huán)境污染，而且維護不便。 （2） 氣壓驅(qū)動：氣壓驅(qū)動是以壓縮空氣為介質(zhì)，以氣源為動力的驅(qū)動形式，這種驅(qū)動方式具有：使用壽命長、環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡單、容易控制等優(yōu)勢。但是在使用過程中有較大的噪音，且驅(qū)動精度低，所以不將其應(yīng)用在外骨骼機器人。 （3） 電機驅(qū)動：電機驅(qū)動與前兩者相比更適合應(yīng)用在外骨骼機器人，因為電機驅(qū)動傳動效率高、便于維護、控制簡單。 綜上所述，選用電機驅(qū)動作為穿戴式下肢機器人的驅(qū)動方式，這樣便于控制，而且效率高。我們可采用集成電機、減速器及絲杠螺母機構(gòu)

35、的電動缸作為驅(qū)動執(zhí)行器。 3.6本章小結(jié) 本章分析了穿戴式下肢機器人各關(guān)節(jié)運動的實際情況，并以此為依據(jù)設(shè)計了外骨骼機器人的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)這三個部位的機械結(jié)構(gòu)，并對外骨骼機器人的驅(qū)動方式進行了分析和選擇。  第4章 外骨骼機器人Creo仿真分析 4.1 Creo仿真軟件概述 Creo一款三維設(shè)計軟件，可實現(xiàn)零件的三維建模、分析和可視化等功能，操作簡單，使用方便。本設(shè)計主要應(yīng)用這款軟件進行外骨骼機器人零部件的機械機構(gòu)設(shè)計及裝配，并利用其進行了機器人各個關(guān)節(jié)在力學(xué)方面的一些分析，從而保證外骨骼機器人在使用過程中的可靠性和安全性。 4.2運動仿真分析 為保證穿戴式下肢外骨骼

36、機器人機械結(jié)構(gòu)各個部分的安全性能，能更好的幫助下肢殘障患者使用，我們利用Creo三維軟件進行了相應(yīng)的分析。 我們用到了Creo三維軟件的Simulate這一功能，對部分零件進行了有限元分析，主要是分析腿部膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的形變、應(yīng)變、應(yīng)力等因素。利用三維軟件可以直觀的觀察出各部分零件在設(shè)計過程中存在的問題。有限元分析步驟如下： 1　 首先提取簡化的下肢外骨骼機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，選擇所有模型，設(shè)置零件的材料為鈦。 2　 對選取的模型進行約束和施加負(fù)荷。 3　 對該模型進行靜力學(xué)分析，主要包括應(yīng)變、應(yīng)力和剛度分析。 外骨骼機器人的結(jié)構(gòu)主要有三個部分，我們需要對這三個部分進行有限元分析，分析這

37、三個部分在受到一定載荷時的應(yīng)力、應(yīng)變和形變情況，從而分析所設(shè)計的結(jié)構(gòu)是否合理。利用有限元分析可以有效地保證外骨骼機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足強度要求，提高外骨骼機器人的安全性。 4.3踝關(guān)節(jié)有限元分析 為使穿戴式下肢機器人的踝關(guān)節(jié)機械結(jié)構(gòu)能滿足使用者的要求，具有較好的強度和安全性，我們對下肢骨骼機器人的踝關(guān)節(jié)進行了有限元分析。首先選取踝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計模型，在Creo三維軟件中選擇Simulate功能菜單，對踝關(guān)節(jié)進行材料設(shè)置，然后進行材料方向的選擇和載荷的設(shè)置，完成這幾步就可以建立靜態(tài)分析來查看結(jié)果。因為外骨骼機器人的驅(qū)動方式為電機驅(qū)動，機器人需要保證高強度。因此選擇材料為鈦合金，鈦合金具有高強度

38、、耐熱性、質(zhì)量輕等優(yōu)點，下表是鈦合金和常用的45號鋼性能參數(shù)的對比。 表4-1 鈦合金和45鋼性能參數(shù) 性能 鈦合金 45鋼 密度 4.51g/cm^3 7.85g/cm^3 抗拉強度 441Mpa 600Mpa 屈服強度 373Mpa 355Mpa 泊松比 0.3 0.27 由表可知，鈦合金的質(zhì)量大概為45鋼的一半，重量上比45鋼更適合作為踝關(guān)節(jié)的加工材料，在屈服強度這一性能上鈦合金比45鋼高，所以我們選取鈦合金作為穿戴式下肢機器人零部件的加工材料。以此保障穿戴式機器人的強度和安全性，更好輔助下肢殘障患者進行正常運動。 圖a 形變圖

39、 圖b 應(yīng)力圖 圖c 應(yīng)變圖 圖4-1 踝關(guān)節(jié)有限元分析 如圖4-1是踝關(guān)節(jié)有限元分析的結(jié)果，從圖中可以看出在踝關(guān)節(jié)連接部位的設(shè)計基本合格，但如果承受載荷過大會使其發(fā)生形變，可能會影響到外骨骼機器人的整體結(jié)構(gòu)，所以需要進行優(yōu)化，使其在結(jié)構(gòu)上能承受更大的載荷。但是踝關(guān)節(jié)的應(yīng)力、應(yīng)變均滿足要求，所以踝關(guān)節(jié)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計需要進一步改善，從而達到設(shè)計的目的。 4.4 膝關(guān)節(jié)有限元分析 踝關(guān)節(jié)對下肢外骨骼機器人的結(jié)構(gòu)很重要，但是另外兩部也不能忽視，所以在進行了踝關(guān)節(jié)的有限元分析，我們需要對另外的部分進行分析，從而能更好的保護使用者安全。 應(yīng)用同樣的方法，我們將進行對膝

40、關(guān)節(jié)的有限元分析，雖然膝關(guān)節(jié)只做屈伸運動，但其在結(jié)構(gòu)上也必須具有較好的強度，這樣才能更好的將大腿和小腿兩部分連接在一起。分析結(jié)果如圖所示，從圖中我們可以看出膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變都在正常范圍內(nèi)，所以設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)部分滿足可靠性的要求。通過有限元分析，我們確定了外骨骼機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計基本可行，但是部分地方需要進行優(yōu)化改進，是整體設(shè)計能更加方便、實用。 圖a 形變圖 圖b 應(yīng)力圖 圖c 應(yīng)變圖 圖4-2 膝關(guān)節(jié)有限元分析 以上就是對腿部膝關(guān)節(jié)的有限元分析，從結(jié)果來看，設(shè)計還是可行的，但是我們?nèi)孕枰粩嗟呐W(xué)習(xí)，完善自己設(shè)計，使今后設(shè)計出來

41、的外骨骼機器人可以造福更多的人。 4.5本章小結(jié) 本章主要應(yīng)用Creo三維軟件對穿戴式下肢外骨骼機器人的機械結(jié)構(gòu)進行了有限元分析，驗證了下肢外骨骼機器人的強度和剛度。 第5章 結(jié)論 本課題主要是設(shè)計一種可穿戴式下肢負(fù)重外骨骼機器人來幫助那些下肢殘障的患者進行康復(fù)治療，有助于他們能正常行走。論文中提出了穿戴式下肢機器人的整體設(shè)計方案和思路，分析了人體下肢在運動過程中的自由度和運動特征，從而設(shè)計了下肢外骨骼機器人的三大關(guān)節(jié)：髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，并對其進行了動力學(xué)建模和運動學(xué)分析，利用Creo三維軟件對其進行了運動仿真。主要研究成果如下： （1） 通過查閱資料，了解了國內(nèi)外在外骨

42、骼機器人方面的研究，并提出了下肢外骨骼機器人的設(shè)計方案，考慮到穿戴式下肢機器人應(yīng)用于廣泛人群，故將其設(shè)計為可調(diào)節(jié)式的，為了確保外骨骼機器人的安全性和可行性，我們對其運動范圍進行了相關(guān)約束。 （2） 在動力學(xué)分析方面，主要采用三維軟件對穿戴式下肢外骨骼機器人的三個主要關(guān)節(jié)進行了相應(yīng)力學(xué)性能的有限元分析，保證了機器人整體的力學(xué)性能，提高整體的安全性。 參考文獻 [1] 張佳帆，陳鷹，楊燦軍. 柔性外骨骼人機智能系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2011，64-76. [2] 楊曉紅. 可穿戴的機器人——外骨骼機器人最新發(fā)展[J].輕武器，2009（8）. [3] 張志成. 外骨骼下肢助力機

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46、[19] 殷際英,何廣平.關(guān)節(jié)型機器人[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2003 [20] 柯顯信,陳玉亮,唐文彬.人體下肢外骨骼機器人的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用,2009. 致謝 本次論文能夠順利完成，首先要感謝我的指導(dǎo)老師吳神麗老師，在她的悉心指導(dǎo)下，我的論文才能順利進行，在論文撰寫的各個階段吳老師都給了我很多建議和指點，并進行多次修改，這才使我的論文順利完成。非常感謝吳老師在此過程中對我的幫助和教導(dǎo)，值此論文完成之際，向尊敬的吳老師表示衷心的感謝和崇高的敬意。 也十分感謝在論文完成過程中對我有過幫助的老師和同學(xué)們，感謝你們在學(xué)習(xí)和生活上對我的幫助，讓我能堅持到最后

47、，順利完成論文的撰寫。 最后感謝我的家人在這段時間內(nèi)對我的支持和鼓勵，讓我在這個過程中不會感到孤單。  附錄A 英文文獻 Journal of Bionic Engineering 14 (2017) 272–283 Development and Analysis of an Electrically Actuated Lower Extremity Assistive Exoskeleton Yi Long1, Zhijiang Du1, Chaofeng Chen1, Weidong Wang1, Long He2, Xiwang Mao2, Guo

48、qiang Xu2, Guangyu Zhao2, Xiaoqi Li2, Wei Dong1 1. State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology (HIT), Harbin 150001, China 2. Weapon Equipment Research Institute, China South Industries Group Corporation, Beijing 102202, China Abstract An electrically ac

49、tuated lower extremity exoskeleton is developed, in which only the knee joint is actuated actively while other joints linked by elastic elements are actuated passively. This paper describes the critical design criteria and presents the process of design and calculation of the actuation system. A fle

50、xible physical Human-Robot-Interaction (pHRI) measurement device is designed and applied to detect the human movement, which comprises two force sensors and two gasbags attached to the inner surface of the connection cuff. An online adaptive pHRI minimization control strategy is proposed and impleme

51、nted to drive the robotic exoskeleton system to follow the motion trajectory of human limb. The measured pHRI information is fused by the Variance Weighted Average (VWA) method. The Mean Square Values (MSV) of pHRI and control torque are utilized to evaluate the performance of the exoskeleton. To im

52、prove the comfort level and reduce energy consumption, the gravity compensation is taken into consideration when the control law is designed. Finally, practical experiments are performed on healthy users. Experimental results show that the proposed system can assist people to walk and the outlined c

53、ontrol strategy is valid and effective. Keywords: exoskeleton, pHRI measurement, data fusion, pHRI minimization, adaptive control 1 Introduction A lower extremity exoskeleton is an automatic device worn by human users to improve strength and en-durance. In recent decades, many advances an

54、d progress have been made in the development of wearable exoskeletons. The Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX) was designed to assist people to carry heavy loads, which could walk at the speed of 0.9 ms–1 while carrying 34 kg payload[1]. A single robot leg has four actuators which leads to

55、the complexity and heaviness of the whole system[2]. The developed exoskeletons latter, i.e., ExoHiker, ExoClimber and HULC, simplify the mechanical structure and reduce the number of active Degrees of Freedoms (DoFs). Those DoFs of joints with the highest power consumption during gait cycles should

56、 be actuated while the rest DoFs are passively connected with elastic elements to simplify the system[3]. Generally, the lower extremity exoskeleton leg is composed of serial or serial-parallel leg segment. A cam-mechanism is implemented in the design of ankle joint of the exoskeleton[4]. A novel se

57、rial-parallel mechanism is designed in a lower extremity exoskeleton to augment load-carrying for walking[5,6]. However, parallel mechanism will increase the complexity of mechanism and decrease its portability. Compact serial-link mechanisms are utilized in many advanced exoskeletons, e.g., Ekso[7]

58、 and ReWalk[8]. The actuation system design and development is a significant aspect for the exoskeleton. There are several popular actuation system modes that have been applied in lower extremity exoskeleton, including hydraulic actuators, electrical motors, serial elastic actuators and pneumatic

59、 muscle actuators. Torque-mass ratio, velocity, range of motion and control ability are significant specifications when choosing actuators for exoskeletons[9]. Hydraulic actuators and electrical motors are utilized frequently due to their high torque-mass rates[10].Comprehensively, electrical motors

60、 are suitable for exoskeletons due to its wide range of motion, ease of control and maintenance, and simplicity of the system. Normally, the electrical motors are placed parallel with the joint of mechanical legs, which causes increment of structure complexity. Different from the traditional electri

61、cal actuators, a novel electrical actuator consisting of DC motor, gear pair and ball screw is developed, which has a more compact mechanical structure com-pared with the traditional actuator. pHRI-based human motion intent estimation is a critical step for the exoskeleton control. It is essential

62、to get an accurate measurement of the pHRI for the robotic exoskeleton control and the assessment of the assistance grade[11]. The connection cuff is a widely-used device to fasten the human limb to the exoskeleton, which affects the wearing comfort and the walking performance. A flexible connection

63、 cuff is a suitable device to interact with the human user. A flexible sensor technique is developed to measure the pHRI pressure, where the sensory system is composed of several optical-electronic sensors[12]. The system has at least six sensors on the surface of the cuff. The pHRI force can be mea

64、sured by a strain gauge, where a circle sensor is utilized[13]. How-ever, the structure of the interaction cuff is complex and has multiple sensors. In this work, a flexible pHRI measurement device is designed and applied in the robotic exoskeleton control, which is composed of two gasbags and one f

65、orce sensor connected to each gasbag. The gasbag can enlarge the interaction area and guarantee that the pHRI can be measured easily. In addition, the usage of gasbag can increase the wearing comfort and adapt to different human users. The control strategy design is the core issue for the exoskelet

66、on. Control strategies can be divided into three categories according to methods of estimating human motion intent, i.e., approaches based on signals measured from the human body, approaches based on inter-action force measurement and approaches based on signals measured from exoskeletons[14]. In order to guarantee the natural gait of human users, sensitivity amplification control, model-based control and hybrid assistive strategy are suitable for load-carrying task[15].However, se