下肢健身外骨骼的設(shè)計

下肢健身外骨骼的設(shè)計,下肢,健身,骨骼,設(shè)計 本科畢業(yè)設(shè)計(論文) 題目：下肢健身外骨骼的設(shè)計與分析 下肢健身外骨骼的設(shè)計與分析 摘 要 下肢健身外骨骼是一種穿戴在人體身上，跟隨人體一起運動的裝置。本文針對外骨骼的模型構(gòu)建及有限元分析展開研究工作。本文主要進行了如下研究。 對人體下肢解剖學(xué)、下肢關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和運動進行研究分析，明確人體下肢關(guān)節(jié)運動副結(jié)構(gòu)及其自由度情況。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計一款擬人結(jié)構(gòu)的外骨骼機器人。 之后，采用有限元分析軟件對外骨骼重要零件進行仿真分析，優(yōu)化設(shè)計，保證其應(yīng)力應(yīng)變在許可范圍內(nèi)。 關(guān)鍵詞：外骨骼；結(jié)構(gòu)設(shè)計；擬人化；有限元分析 The Design and Anasysis of Lower Body building Exoskeleton Abstract Fitness of lower limb exoskeleton is a kind of wear on the body, follow the body movement of the device. This paper researches on the modeling and finite element analysis in view of the exoskeleton. This paper conducted the following research. Lower limbs to the human body anatomy, lower limb joints to study the structure and motion analysis, clear vice structure and degree of freedom of human lower limb joint movement. On this basis, design a personification of the structure of the exoskeleton robot. After foreign bone important parts by finite element analysis software simulation analysis, optimization design, ensure its stress and strain in the permission scope. Key Words: exoskeleton; structure design; anthropomorphic; the finite element analysis 目 錄 1緒論 1 1.1 本文研究背景、目的及意義 1 1.1.1 背景介紹 1 1.1.2 本文的研究目的及意義 3 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 3 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 3 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 11 1.3 本文研究內(nèi)容 13 2 基于人體生物力學(xué)的下肢健身外骨骼設(shè)計 15 2.1 人體下肢解剖學(xué)概述 15 2.2 下肢關(guān)節(jié)運動機理研究 16 2.3 下肢健身外骨骼設(shè)計 19 2.3.1外骨骼機器人構(gòu)型設(shè)計 20 2.3.2 外骨骼機器人各關(guān)節(jié)設(shè)計 21 2.3.3 外骨骼機器人其余部件設(shè)計 23 2.3.4 彈簧的選擇及安裝 26 2.4 本章小結(jié) 27 3 下肢健身外骨骼有限元分析 28 3.1 小腿重要零件的有限元分析 28 3.2 大腿重要零件的有限元分析 29 3.3 本章小結(jié) 31 4 基于ADAMS的外骨骼虛擬樣機模型及仿真 32 4.1 利用ADAMS對外骨骼的模型進行仿真 32 5 結(jié)論 34 5.1 本文研究內(nèi)容總結(jié) 34 5.2 工作展望 34 參考文獻 35 致謝 38 畢業(yè)設(shè)計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 39 畢業(yè)設(shè)計（論文）獨創(chuàng)性聲明 40 II 1 緒論 1.1 本文研究背景、目的及意義 1.1.1 背景介紹 21世紀是一個注重創(chuàng)新的世紀，更是一個綠色環(huán)保的世紀。能源是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)?？v觀人類社會發(fā)展的歷史，人類文明的每一次重大進步都伴隨著能源的改進和更替。能源的開發(fā)利用極大地推進了世界經(jīng)濟和人類社會的發(fā)展。自2008年我國在北京成功舉辦奧運會之后,人們越來越注重身體鍛煉,越來越注重健身。因此，健身房如雨后春筍般在我國各地迅速發(fā)展壯大。而據(jù)統(tǒng)計計算一個正常的成年人健身一小時消耗的能量為0.2kw。那么一個健身房如果存在30臺這樣的設(shè)備且每天工作五個小時，那就需要消耗大約0.324噸標(biāo)準(zhǔn)煤來產(chǎn)生設(shè)備需要的能量。如果我們采用一種不需要能量驅(qū)動同時又能起到鍛煉作用的設(shè)備，那么每天我們就可以節(jié)約0.324噸標(biāo)準(zhǔn)煤。這不僅可以為健身房降低運營成本也可以為國家減少能源浪費，減少環(huán)境污染。 傳統(tǒng)的健身設(shè)備例如跑步機等，都需要電能來進行驅(qū)動。人在健身的同時也是在消耗電能。隨著健身的人群越來越壯大，對能源的消耗也變得越來越大。這對環(huán)境的破壞和影響也越來越大。因此，設(shè)計一種不需要能源驅(qū)動，同時又能起到健身作用的健身設(shè)備是十分必要的。 本論文就是在這種背景條件下展開的。通過查閱相關(guān)文資料，并對健身器材的研究分析，設(shè)計一款不需要能源驅(qū)動，適宜人體穿戴的下肢健身外骨骼機器設(shè)備。 外骨骼技術(shù)來源于生物學(xué)中外骨骼。在生物學(xué)中，外骨骼是一種能夠為生物內(nèi)部柔軟器官進行構(gòu)型、建筑和保護的堅硬外部結(jié)構(gòu)，例如蝦、蟹、昆蟲等節(jié)肢動物體表堅韌的幾丁質(zhì)骨骼，主要起到保護和支持等作用。古代人類在戰(zhàn)爭中使用的盔甲是最早應(yīng)用的外骨骼技術(shù)。外骨骼對生物體具有非常重要的作用。首先它起到支撐生物身體的作用，其堅硬的外骨骼具有一定的機械承載能力，并且能夠在生物各種活動中如捕食承受劇烈運動的沖擊和負載等危害；其次外骨骼還有保護生物內(nèi)部重要器官的功能。當(dāng)生物受到意外攻擊或傷害時，其堅硬的外骨骼可以起到保護作用；最后外骨骼還起到感知外界環(huán)境的作用，其功能類似于傳感器[1]。 生物外骨骼這些突出的特點，逐漸引起了學(xué)者們的關(guān)注。特別是二十世紀九十年 34 代以來，外骨骼技術(shù)發(fā)展迅猛，國內(nèi)外許多大學(xué)和研究機構(gòu)都在從事外骨骼技術(shù)的研究。外骨骼機器人是一種可穿戴式的機電智能系統(tǒng)，可以跟隨穿戴者一起運動。它可以感知穿戴者的動作，從而獲取運動信息，通過其自身的動力裝置起到增強穿戴者身體機能的作用。外骨骼機器人技術(shù)可以應(yīng)用在軍事、醫(yī)療、民用等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景和強勁的發(fā)展勢頭。 在軍事方面，外骨骼機器人主要用來增強單兵負載能力。單兵在行軍或者執(zhí)行任務(wù)時需要背負大量的武器彈藥、食品以及急救藥品，而這些物品重約30公斤甚至更高。這就大大降低了單兵的機動性以及作戰(zhàn)能力。而外骨骼機器人則大大增加了士兵的作戰(zhàn)能力，使其成為超級士兵。它可以作為單兵行軍或者攀爬復(fù)雜地形時的負重機構(gòu)，使士兵在背部負載很重的情況下仍然能夠完成快速行走，攀爬，跳躍等一系列動作。另外，對于機動車輛無法到達的復(fù)雜地形，通常需要士兵搬運物資，這往往消耗士兵大量體力。但是，穿戴外骨骼機器人之后，士兵不僅可以承受很大的負載而且還能夠?qū)崿F(xiàn)正常行走，奔跑等。這在很大程度上保存了士兵的體力，增加了士兵的機動性以及作戰(zhàn)能力。 在醫(yī)療領(lǐng)域，下肢外骨骼機器人可以應(yīng)用于腦中風(fēng)患者的步態(tài)康復(fù)。每年全球有數(shù)以千萬的人因為腦中風(fēng)而無法正常行走，必須進行步態(tài)康復(fù)之后才能夠正常行走。但是傳統(tǒng)的步態(tài)修復(fù)裝置需要耗費大量的時間而且必須在理療師的全程監(jiān)護下才能夠進行使用。而下肢外骨骼機器人可以在不需要理療師全程監(jiān)護的情況下，輔助腦中風(fēng)患者進行步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練，并且按照提前規(guī)劃好的健康步態(tài)引導(dǎo)腦中風(fēng)患者進行步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練[2]。此外，下肢癱瘓或者萎縮的病人也可以使用下肢外骨骼機器人進行康復(fù)訓(xùn)練，并且在拐杖的輔助下能夠?qū)崿F(xiàn)正常的行走，從而對輪椅說“再見”。 在民用領(lǐng)域，外骨骼機器人也有廣闊應(yīng)用前景。例如登山愛好者可以穿戴下肢外骨骼機器人來幫助承受背部負載，這樣就可以攜帶更多的食物藥品等。在事故發(fā)生現(xiàn)場，有些情況下，不便于機器進入救援。這時救援人員可以穿戴外骨骼機器人進入事故現(xiàn)場，進行緊急救援等。此外，裝有特定背部機構(gòu)的下肢外骨骼機器人能夠輕松實現(xiàn)搬運物資，減輕人體背部實際負載，從而保護人體背部。我國每年有很多體力勞動者因為腰椎突出或者腰肌損傷等原因不能正常工作，這大多與他們背部長時間承受過重載荷或者由于工作時姿勢不正確等原因造成的。而穿戴裝有背部減力機構(gòu)的外骨骼機器人可以很好的解決這類問題[3]。背部機構(gòu)通過下肢外骨骼將加在人體背部的載荷傳遞到地面，減少了對人背部的壓力，進而減少了對人體背部的損傷。 1.1.2 本文的研究目的及意義 本論文主要依據(jù)已知的設(shè)計參數(shù)完成下肢健身外骨骼的三維建模分析。該模型應(yīng)當(dāng)符合人機工程學(xué)原理,適宜人體在健身的情況下穿戴,并配合人體完成相應(yīng)的健身動作,而不借助于任何能源。之后，利用有限元分析軟件，對模型的主要部件進行分析，主要是強度分析和應(yīng)變分析，確保主要部件應(yīng)力低于材料的強度極限，形變在可接受范圍內(nèi)，保證人體穿戴下肢健身外骨骼健身時絕對安全。 本論文設(shè)計了一款不借助于任何能源的下肢健身外骨骼設(shè)備，并通過相應(yīng)的機械限位以及有限元分析等方法，確保人體在穿戴下肢健身外骨骼設(shè)備時絕對安全。這種設(shè)備與一些傳統(tǒng)健身設(shè)備例如跑步機等相比，不需要任何能源輸入，只需要采用拉壓彈簧，實現(xiàn)健身功能。。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 國外下肢外骨骼機器人研究起步較早。早在20世紀60年代末期，美國和前南斯拉夫就開始進行外骨骼技術(shù)的研究。1960年至1971年，美國通用公司進行了Hardiman外骨骼系統(tǒng)的研制開發(fā)，并計劃研制出一整套外骨骼裝備。由于技術(shù)限制，最后只成功研制了一只手臂。1971年，前南斯拉夫Vukobratovic教授成功研制出了第一個應(yīng)用于脊髓損傷患者的氣缸驅(qū)動下肢外骨骼。之后一段時間，外骨骼機器人的研究趨于沉寂，關(guān)于這方面的報道也鮮有。直到20世紀九十年代末，關(guān)于外骨骼機器人的研究又一次興起。 圖1.1 通用公司設(shè)計的 Hardiman 目前世界上許多國家在從事外骨骼技術(shù)方面的研究，而研究相對成功的有美國、日本等國家。特別是美國，其研制的外骨骼機器人代表了外骨骼機器人技術(shù)的最高水平。因此，主要對美國和日本外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀和進展做了解。 1960年至1971年，通用公司最早開始了外骨骼機器人研究。它計劃研制出一款可穿戴的單兵外骨骼裝備Hardiman(Human Augmentation Research and Development Investigation)。該項目設(shè)計的初衷是為了緩解單兵長時間行軍作戰(zhàn)時引起的疲勞，以及在航空母艦上快速地完成搬運導(dǎo)彈等任務(wù)。但是，該項目由于伺服控制系統(tǒng)以及平衡等問題沒有解決，最終只研究成功了一只手臂。 麻省理工學(xué)院于1978年開始進行穿戴式外骨骼機器人的研究，雖然進展相對緩慢，但是有一些值得借鑒的研究成果。2006年，MIT Media Lab's Biomechatronics Group研制的穿戴式下肢外骨骼機器人（如圖1.2所示）能夠幫助減輕背部背負重物的負載。它可以直接將背部負載的重量大部分傳遞到地面，有效減少人體背部實際負載。通過對原型機的實驗測試表明，該外骨骼可以將80%-90%的負載重量直接傳遞到地面，當(dāng)然具體傳遞的重量也與步態(tài)周期的不同階段有關(guān)系。但是它存在一個問題，目前其選擇的運動模式可能會干涉到人體正常運動步態(tài)[4]。雖然如此，其減輕負載重量的能力是非常值得學(xué)習(xí)和借鑒的。 圖1.2 MIT的穿戴式外骨骼機器人 在2000年，美國國防高級研究計劃局（DPRA）啟動了“外骨骼增強人體體能表現(xiàn)”（Exoskeleton for Human Performance Augment）計劃。該計劃投資5000萬美元，資助了多家單位進行外骨骼機器人的研究和開發(fā)。其中，雷神公司（Raytheon Company）收購的薩克斯(Sarcos)公司、加州大學(xué)伯克利分校(U.C Berkeley)、橡膠嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）以及千年禧飛行器（Millennium Jet）公司負責(zé)設(shè)計和研制整套的外骨骼系統(tǒng)，其他一些獲得資助單位則主要負責(zé)外骨骼動力供應(yīng)設(shè)備的開發(fā)研制[5]。四家單位進行獨立研制，分別設(shè)計出了自己的外骨骼機器人。 首先介紹一下薩克斯公司研制的“XOS”系列負重機器人，如圖1.3所示?！癤OS”外骨骼系統(tǒng)是Steve Jacobsen博士及其團隊為了創(chuàng)造出超人士兵而研制的，并且由美國國防部高等研究計劃局(DARPA)提供了1000萬美元的軍事研究預(yù)算，經(jīng)過7年秘密研發(fā)，成功設(shè)計的一款全身外骨骼系統(tǒng)。它代表了機械外骨骼領(lǐng)域最尖端的技術(shù)。利用附在身體上的傳感器，“XOS”可以毫不延遲地反應(yīng)身體動作，輸出強大力量。當(dāng)穿上“XOS”，舉起200磅（90.7kg）重物時，人體實際只承受了20磅（9.07kg）力，而且連續(xù)舉50~500次沒有問題。此外它的金屬拳頭，可以很輕松地穿透目標(biāo)[6]。但“XOS”有一個重大缺陷，即它需要一根電纜來傳輸能量，利用自帶的電池只能使用40分鐘。如果解決了能源問題，相信“XOS”很快就可以實用化了。2010年，雷神公司推出了第二款“XOS”外骨骼系統(tǒng)—“XOS 2”。“XOS 2”在研制時注重減少系統(tǒng)能源消耗，其能源消耗僅相當(dāng)于“XOS 1”的50%?！癤OS 2”重約95kg，它采用高強度鋁合金和鋼材料，既滿足了系統(tǒng)的力學(xué)性能要求，還減輕了系統(tǒng)的整體重量。 圖1.3 “XOS” 外骨骼機器人 “XOS 2”可以使單兵工作速度加快，工作時間延長，工作能力提高了1到2倍。雖然目前的系統(tǒng)還需要纜繩供電，但無需纜繩的系統(tǒng)也已開始研制。“XOS 2”可以輕松完成踢足球和擊打沙袋等靈巧動作，而且右手的吊鉤可以擊穿墻壁。目前“XOS”系列外骨骼機器人有兩種型號，一種是后勤補給型的外骨骼機器人，它包括上肢和下肢以及背部機構(gòu)，主要進行后勤補給,可以完成搬運物資和掛彈等一系列任務(wù)。日常任務(wù)中，士兵每天需要搬運的負載約16000磅左右。穿戴“XOS”之后，單兵可以輕松完成這些負載搬運工作且其完成的工作量與三個士兵相當(dāng)。另一種是戰(zhàn)斗型的外骨骼機器人，包括下肢及背部機構(gòu)，主要為單兵作戰(zhàn)時使用，用來協(xié)助單兵行軍并承載背部負載。 “XOS”系列外骨骼機器人的控制策略為利用傳感器檢測系統(tǒng)信號，通過控制系統(tǒng)來判斷人體下一個動作，然后再決定施加在外骨骼需要的力，再通過控制液壓系統(tǒng)將需要的力傳遞給外骨骼系統(tǒng)。另外，系統(tǒng)通過采用結(jié)構(gòu)傳感器、傳動器和控制器，可對使用者的行動做出響應(yīng)，無需使用操縱桿進行控制。 加州大學(xué)伯克利分校在H.Kazerooni教授及其團隊的努力下，也成功研制出了伯克利下肢外骨骼機器人（Berkeley Lower Extremity Exoskeleton 簡稱BLEEX）,如圖1.4所示。BLEEX下肢外骨骼采用擬人化設(shè)計思想，它由兩條擬人化的金屬仿生腿、 圖1.4 BLEEX 液壓驅(qū)動單元、能源動力裝置、控制裝置以及一個背包組成。BLEEX通過自身的支撐，可以承受絕大部分的負載，減輕人體的負重，從而使人行走更加省力。為了保證外骨骼與人體的協(xié)同性，該下肢外骨骼系統(tǒng)包括40多個傳感器元件和8個液壓驅(qū)動器。其控制策略選用的是基于虛擬力矩的方法。通過利用外骨骼機器人的動力學(xué)方程來控制液壓驅(qū)動系統(tǒng)[7]。通過布置在其特定位置的傳感器感知裝置的當(dāng)前運動狀態(tài)，反饋到中心控制電腦，中心控制電腦在分析處理反饋數(shù)據(jù)后發(fā)出控制指令，控制系統(tǒng)做出下一個相應(yīng)的運動。通過實驗表明，穿戴BLEEX后，人體可以在負載重量75kg的情況下以0.9m/s的速度行進，在無負載的情況下可以以1.3m/s的速度行走。而且，當(dāng)穿戴者背負31.5kg的重物行走時，實際承受的重量只有2.5kg。除此之外，伯克利分校在BLEEX基礎(chǔ)上進行改進，研制成功了BLEEX的改良版Exo-Hiker和Exo-Climber等。這兩款下肢外骨骼機器人具有更加簡潔的機械結(jié)構(gòu)，穿戴、攜帶更加方便。 HULC是由伯克利分校與洛克希德馬丁（Lockheed Martin）公司聯(lián)合研制的一款外骨骼機器人，如圖1.5所示。在穿戴HULC并且負重的情況下，單兵可在水平地面以4千米/小時的速度行進20千米，持續(xù)最大速度為11千米/小時，爆發(fā)時最大速度 圖1.5 HULC 為16千米/小時。HULC也采用了擬人形設(shè)計，主要結(jié)構(gòu)使用鈦金屬材料。系統(tǒng)采用電池供電，使用者可靈活地進行下蹲、匍伏以及上肢舉重。HULC系統(tǒng)不帶電池時重24公斤，可以攜帶91公斤的負載。其總體高度可以進行調(diào)節(jié)，適用于身高約為1.62米至1.87米的人穿戴。該外骨骼裝備可通過系統(tǒng)內(nèi)裝的微型計算機進行控制，無需外部控制機制。HULC可通過這種微型計算機感知使用者的需求并作出相應(yīng)的調(diào)整。HULC系統(tǒng)穿戴方便，在設(shè)計時考慮到意外情況下能夠?qū)崿F(xiàn)快速解脫逃跑，因此穿戴者可以很快完成穿戴并且可在30秒時間內(nèi)脫下并打包。HULC系統(tǒng)具備可替換的模塊化部件，便于更換和維修。HULC通過封閉空間內(nèi)的柔性、可延伸單板微電子系統(tǒng)進行支持。驅(qū)動裝置可吸收微型計算機和其它電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量，無需使用風(fēng)扇。另外系統(tǒng)的高壓液壓系統(tǒng)使用的是標(biāo)準(zhǔn)液壓油。此外，系統(tǒng)具有多種任務(wù)附件，可攜帶裝甲、保暖、制冷和傳感器等集成系統(tǒng)。2010年10月，洛克希德馬丁公司在納提克士兵中心對HULC進行實驗室試驗，包括生物機械試驗、動態(tài)負重試驗以及環(huán)境試驗等。此外還通過沙塵、吹風(fēng)、淋雨、溫度、濕度等對系統(tǒng)的可維護性進行了一系列測試[8]。 在能源方面，HULC外骨骼裝備最初使用的是鋰聚合電池，工作時間比較短。在之后的設(shè)計中，整個外骨骼系統(tǒng)以節(jié)能省電為標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計，以確保在電池電量低的情況下可以承受很大負重。此外，在2010年1月，洛克希德馬丁公司與普羅通內(nèi)克斯技術(shù)公司簽訂了合同，開始研制供HULC專門使用的燃料電池供電系統(tǒng)，計劃將其單次供電時間增加到72小時。配備了可充電電池的HULC使士兵在長時間執(zhí)行任務(wù)時攜帶的電池數(shù)量減少。 伯克利分校除了在單兵使用軍用外骨骼研究成果顯著外，在醫(yī)療領(lǐng)域使用的下肢外骨骼機器人研究方面同樣成就斐然。伯克利分校仿生實驗室在H.Kazerooni教授的帶領(lǐng)下設(shè)計了一款適合下肢癱瘓或者需要進行步態(tài)矯正患者使用的外骨骼機器人——eLEGS（如圖1.6所示）。eLEGS是以HULC外骨骼系統(tǒng)為原型，進行設(shè)計改造的。他們將HULC下肢外骨骼進行了相應(yīng)改造設(shè)計，從而使eLEGS外骨骼穿戴使用更加方便。它由一個機械框架和拐杖組成，拐杖中有傳感器可以對機械框架進行控制。當(dāng)拐杖中的傳感器感知到穿戴者向前移動右拐杖時，eLEGS左腿隨之向前移動，以此來協(xié)助患者完成行走等基本動作。整套外骨骼重量為45磅（約20公斤）。另外，該外骨骼系統(tǒng)自帶電池，電池使用壽命超過6小時。 圖1.6 eLEGS 日本在機器人研制方面具有強大優(yōu)勢，近年來他們對外骨骼機器人也進行了很多研究。日本神奈川工科大學(xué)K.Yamamoto教授研制的“動力輔助服”PAS（如圖1.7所示）能夠使人體多承受0.5~1倍自身體重的重量。他們于1990年開始設(shè)計可穿戴式助力服，在1991年完成了手臂設(shè)計，1994年開發(fā)出了配套使用的供電模塊、腰部結(jié)構(gòu)以及下肢供電的腿部結(jié)構(gòu)，最終于2002年完成了整個系統(tǒng)設(shè)計工作。PAS是專門為醫(yī)院護士研制的，用來幫助他們照料無法行走的病人或者體重比較大的病人。它由便攜式鎳鎘電池、微型氣泵、嵌入式微處理器以及許多傳感器組成。它使用肌肉壓力傳感器來分析穿戴者當(dāng)前的狀態(tài)，進而控制氣壓傳動裝置來增加人的力量。每個關(guān)節(jié)都有雙軸線，從而可以使得手臂、腰部、腿能夠彎曲。肘、腰和膝蓋的關(guān)節(jié)都是利用新開發(fā)的直流驅(qū)動執(zhí)行器。而執(zhí)行器是由鎳鎘電池驅(qū)動的微型空氣泵來驅(qū)動的。它的控制單元安裝在背部，與電池進行連接。PAS由鋁合金制作而成，整個系統(tǒng)重量大約為30公斤[9]。 日本筑波大學(xué)也成功研制了類似于“XOS”的全身外骨骼機器人。筑波大學(xué)的山海嘉之教授研制的混合負重肢體外骨骼機器人——HAL（Hybrid Assistive Limb）。 圖1.8 HAL-5 圖1.7 PAS外骨骼服 現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到第五代——HAL-5(如圖1.8所示)，并且從2008年10月開始量產(chǎn)，年產(chǎn)量五百套左右。穿戴HAL時，HAL被綁在使用者身上，但是人體不會感到沉。另外肩部、肘、髖部和膝蓋等部位安裝有一些小型的直流電動馬達，這些馬達可以充當(dāng)外骨骼服的肌肉，為穿戴者的運動提供動力支持。HAL主要采用航空飛機機翼使用的硬鋁合金材料，重約23公斤。穿戴HAL-5以后，可以幫助人體增加40kg左右的負重能力。 HAL傳感器主要分為三部分，能夠檢測到外骨骼服和穿戴者的情況：一部分是安裝在各關(guān)節(jié)的傳感器，能夠提供各關(guān)節(jié)的角度；另一部分是安裝在腳底的傳感器，能夠檢測穿戴者在行走過程中與地面的相互作用力；最后一部分是緊貼在穿戴者皮膚上的生物電流感應(yīng)器，它被安裝在肩、肘、髖、膝蓋等部位。生物電流感應(yīng)器主要利用了人體在行走時，大腦會向相應(yīng)肌肉發(fā)電脈沖，當(dāng)電脈沖沿著肌肉纖維運動時相應(yīng)的肌膚表面就會產(chǎn)生微弱的生物電信號。當(dāng)生物電流感應(yīng)器感應(yīng)到這些電信號后，就可以通過控制器判斷人體的運動意圖。因此，HAL-5采用了兩種不同的控制策略。第一種類似于PAS，但與PAS又不完全相同。它靠貼附在人體皮膚表面的電機檢測微弱的生物電流來判斷穿戴著想要的出力方式。第二種控制策略是靠控制系統(tǒng)記憶穿戴者的動作特點，比如如果某條腿比較無力，HAL就會自動調(diào)節(jié)更加密切的配合使用者[5]。 圖1.9 Lokomat 另外，韓國、新加坡、瑞士、德國、法國等國家也在進行外骨骼機器人研究。韓國西江大學(xué)研制的外骨骼機器人EXPOS，主要用來幫助行走不方便的老人，增加他們的活動能力以及運動范圍。新加坡南洋理工大學(xué)Low Kin-Huat教授也在研究和開發(fā)一種可以增強人體速度、力量和耐力的下肢增力型柔性外骨骼系統(tǒng)。瑞士Hocoma AG公司和德國的神經(jīng)康復(fù)中心分別研制了卒中、截肢患者下肢康復(fù)訓(xùn)練外骨骼系統(tǒng)Lokomat(如圖1.9所示)和Hapticwalker。 在主動醫(yī)療康復(fù)下肢外骨骼機器人系統(tǒng)中性能最好的當(dāng)屬Lokomat，而且現(xiàn)在它已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。現(xiàn)在，世界上許多治療腦中風(fēng)的研究機構(gòu)已經(jīng)開始使用該設(shè)備。Lokomat每條腿只有髖關(guān)節(jié)屈伸和踝關(guān)節(jié)屈伸兩個自由度，分別有驅(qū)動器控制直流伺服電機運動。通過傳感器測量關(guān)節(jié)角度、電機輸出力矩以及患者與外骨骼之間的接觸力等，傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)分析后發(fā)出控制命令控制裝置運動。如圖所示， Lokomat系統(tǒng)通過平行四邊形連桿機構(gòu)與下面的跑步機以及懸掛系統(tǒng)相連接，整個系統(tǒng)十分穩(wěn)固。 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 目前國內(nèi)許多大學(xué)以及研究機構(gòu)都在從事外骨骼機器人的研究，如浙江大學(xué)、上海大學(xué)、北京林業(yè)大學(xué)、中科院合肥研究所、華東理工大學(xué)、南京理工大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等。其中研究助力型下肢外骨骼的主要有華東理工大學(xué)、中科院合肥研究所、南京理工大學(xué)等，而浙江大學(xué)主要從事助力型外骨骼機器人以及步態(tài)修復(fù)型外骨骼機器人領(lǐng)域的研究并取得了一些階段性成果。 圖1.11 髖關(guān)節(jié)反力矩裝置 圖1.10 ELEBOT 目前華東理工大學(xué)已經(jīng)研制出第三代ELEBOT型下肢外骨骼機器人，如圖1.10所示，并且ELEBOT機械結(jié)構(gòu)平臺已經(jīng)搭建完成，控制系統(tǒng)以及驅(qū)動系統(tǒng)也已搭建完成。通過相關(guān)調(diào)試和測試，ELEBOT型下肢外骨骼機器人具有一定的負重助力功能。 ELEBOT包括兩條仿生金屬腿、腳底以及背部機構(gòu)三部分。髖關(guān)節(jié)處有三個自由度，膝關(guān)節(jié)有一個自由度，踝關(guān)節(jié)處有兩個自由度。驅(qū)動采用液壓驅(qū)動，但是每條腿只有膝關(guān)節(jié)處采用了一個液壓缸來支撐，在髖關(guān)節(jié)處采用了一個氣動彈簧反力矩裝置來抵消或者減少重物產(chǎn)生的力矩，如圖1.11所示。氣彈簧的主要作用如下為：當(dāng)人雙腿支撐站立狀態(tài)時，氣彈簧能夠在一定程度上限制外骨骼下肢的屈、伸自由度，使其無法向后伸展。當(dāng)下肢向后伸展時，氣彈簧的反力矩機構(gòu)阻止了外骨骼下肢的運動，同時向后運動的趨勢將腰部向上頂起，從而將將負載和背架支撐起來，從而使人在雙腿支撐站立狀態(tài)時，減小了負載對人產(chǎn)生的作用力，使人穿戴起來更舒適[10]。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的外骨骼機器人主用于下肢康復(fù)性訓(xùn)練，屬于主動的下肢康復(fù)醫(yī)療裝置。嚴格意義上講，它不屬于外骨骼的范疇。它主要是通過模擬正常人行走的步態(tài)和踝關(guān)節(jié)運動的姿態(tài)帶動患者按照正常步態(tài)行走，同時依靠裝置的重心控制系統(tǒng)來模擬控制正常人行走時的運動規(guī)律。該裝置主要采用的是被動的控制策略，帶動患者進行被動的步態(tài)訓(xùn)練最終達到康復(fù)的目的。 浙江大學(xué)流體傳動及控制國家重點實驗室也一直從事下肢外骨骼機器人的研究， 圖1.12 浙江大學(xué)研制的下肢康復(fù)訓(xùn)練外骨骼系統(tǒng) 圖1.13 中科院助力機器人原型 并且分別在2005和2009年成功研制出氣動下肢步行柔性外骨骼系統(tǒng)和腦中風(fēng)患者下肢運動康復(fù)訓(xùn)練柔性下肢外骨骼系統(tǒng)（如圖1.12所示）。其中腦中風(fēng)患者柔性下肢外骨骼系統(tǒng)具有四個自由度，每個關(guān)節(jié)由液壓線性執(zhí)行器驅(qū)動，它可以根據(jù)患者的病情進行調(diào)節(jié)，帶動患者進行主動、半主動、被動等多種康復(fù)訓(xùn)練[1]。 自2004年起，中科院合肥智能所機器人傳感實驗室致力于開展可穿戴智能助力機器人的研究。采用理論研究、仿真分析、模型試驗研究相結(jié)合的方法，對可穿戴步行助力機器人的構(gòu)型、感知和控制方法等進行了分析，取得了一定的研究成果，并研制出一款可穿戴型步行助力機器人原型樣機，可為使用者提供額外動力，幫助使用者增強其下肢運動能力，其原型機如圖1.13。 1.3 本文研究內(nèi)容 外骨骼機器人技術(shù)是一項高度集成的高科技技術(shù)，它的實現(xiàn)和突破離不開能源技術(shù)、材料技術(shù)、加工技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)以及控制技術(shù)的支撐和推動。盡管目前國內(nèi)下肢外骨骼技術(shù)研究取得了很大進步，但是距離實用階段和市場推廣階段仍然有很長的路要走。本文旨在設(shè)計一款方便穿戴，與人體有良好適應(yīng)性的下肢外骨骼機器人。因此，本文主要圍繞下肢外骨骼機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析展開工作。具體工作如下： 1、采用proe建立下肢健身外骨骼機器人模型； 1)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)設(shè)計； 2)大腿、小腿長度調(diào)整機構(gòu)； 3)彈簧選擇； 2、采用有限元分析軟件進行強度應(yīng)力校核。 2 基于人體生物力學(xué)的下肢健身外骨骼設(shè)計 2.1 人體下肢解剖學(xué)概述 下肢外骨骼機器人是穿戴在人體上的，因此其與人體解剖學(xué)具有密切聯(lián)系。 解剖學(xué)上定義了人體基本平面和基本軸。人體解剖學(xué)姿勢均以身體直立，面向前方，兩眼平視前方，兩足并攏，足尖朝前，上肢下垂于軀干的兩側(cè)，掌心向前的姿勢為標(biāo)準(zhǔn)[1]。為了方便，將人體分為矢狀面、冠狀面和水平面三個平面，而三個平面兩兩相交線又有三個基本軸即矢狀軸、冠狀軸、水平軸，如圖2.1所示。 圖2.1 人體的基本平面和基本軸 矢狀面指向前后方向，將人體分為左、右兩個部分的縱切面，此縱切面與地平面垂直。此外，經(jīng)過人體正中的矢狀面為正中面，它將人體分為左右對稱相等的兩個部分。冠狀面又稱為額狀面沿著左右方向，將人體分為前后兩部分的縱切面，它與水平面和矢狀面相互垂直。水平面又稱作橫切面它將人體分為上、下兩部分并與地面平行，與其余兩個面兩兩垂直。 矢狀軸是矢狀面與水平面的交線，在矢狀面內(nèi)并且垂直于額狀面；冠狀軸又稱為額狀軸是冠狀面與水平面的交線，在額狀面內(nèi)并且垂直于矢狀面；垂直軸是額狀面與 矢狀面的交線，垂直于水平面[1]。 由于外骨骼是穿戴在人體上的，因此外骨骼運動形式與人體基本平面內(nèi)關(guān)節(jié)運動形式也有密切關(guān)系。人體運動主要來自于關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)的運動形式和范圍也相應(yīng)決定了人體對應(yīng)部位的運動形式和范圍。人體下肢關(guān)節(jié)的運動主要為旋轉(zhuǎn)運動，包括屈伸、外展內(nèi)收、旋內(nèi)旋外等方式。 屈伸運動是指在矢狀面內(nèi)，運動環(huán)節(jié)是相鄰兩關(guān)節(jié)中心之間的部分，繞著額狀軸轉(zhuǎn)動。一般來說，關(guān)節(jié)的屈指向腹側(cè)面成角，伸則相反，如髖關(guān)節(jié)的屈伸運動。但是膝關(guān)節(jié)則剛好相反，當(dāng)小腿向后貼近大腿側(cè)時為膝關(guān)節(jié)的屈，反之為伸。在足部，足上抬，向小腿靠近時為踝關(guān)節(jié)的伸，又稱作背屈；足尖下垂稱作踝關(guān)節(jié)的屈，又稱作跖屈。外展內(nèi)收運動是指運動環(huán)節(jié)在額狀面內(nèi)繞矢狀軸運動，接近正中面的為內(nèi)收，遠離正中面的為外展。旋內(nèi)旋外運動是運動環(huán)節(jié)在水平面內(nèi)繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，由前往后旋轉(zhuǎn)為旋內(nèi)運動，由后往前旋轉(zhuǎn)為旋外運動。如圖2.2所示。 圖2.2 人體下肢關(guān)節(jié)運動形式 2.2 下肢關(guān)節(jié)運動機理研究 人體下肢包括骨帶盆以及下肢骨，主要有髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等關(guān)節(jié)組成。人體下肢做出的各種運動，都是下肢各個關(guān)節(jié)之間相互運動產(chǎn)生的。圖2.3為人體下肢關(guān)節(jié)圖。 髖關(guān)節(jié)由髖骨的髖臼和股骨頭組成，屬于典型的球窩關(guān)節(jié)，如圖2.4所示。在髖臼的邊緣有關(guān)節(jié)盂附著，增加了關(guān)節(jié)窩的厚度。髖關(guān)節(jié)周圍有很多韌帶來限制髖關(guān)節(jié)運動范圍。髂股韌帶，呈人字形，長而堅韌，主要限制大腿過度后擺，對維持站立姿態(tài)具有非常重要的意義。恥骨韌帶位于關(guān)節(jié)囊下部，起到限制大腿過度外展和旋外的作用。坐骨囊韌帶位于關(guān)節(jié)囊后部，有限制大腿旋內(nèi)的作用。髖關(guān)節(jié)為多軸性關(guān)節(jié)，能夠完成旋內(nèi)旋外、內(nèi)收外展、屈伸等運動。但是由于股骨頭深入髖臼較深，加 圖2.3 人體下肢關(guān)節(jié) 之關(guān)節(jié)囊比較厚以及關(guān)節(jié)韌帶的原因使得髖關(guān)節(jié)沿各個軸的運動受到一定限制[11]。 綜上所述，髖關(guān)節(jié)具有三個自由度，分別是矢狀面屈伸自由度、額狀面外展內(nèi)收自由度以及水平面旋內(nèi)旋外自由度。 圖2.4 髖關(guān)節(jié)解剖圖 圖2.5 膝關(guān)節(jié)剖面圖 膝關(guān)節(jié)主要由股骨、脛骨以及髕骨之間的關(guān)節(jié)面構(gòu)成，具體包括股骨內(nèi)外側(cè)的髁關(guān)節(jié)面、髕面、脛骨的內(nèi)外側(cè)髁關(guān)節(jié)面和髕骨的后面。膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)面為橢圓形，周圍韌帶多而強，特別是膝關(guān)節(jié)內(nèi)交叉的兩條韌帶。前交叉韌帶附著于脛骨髁間前窩，斜向后外上方，止于股骨外側(cè)髁內(nèi)面的后端，主要限制脛骨前移。后交叉韌帶位于前交叉韌帶的后內(nèi)側(cè)，較前交叉韌帶短，起自脛骨髁間后窩及外側(cè)半月板的后端，斜向前上內(nèi)方，附于股骨內(nèi)側(cè)髁外面的前份，主要限制脛骨后移[11]。 因此，膝關(guān)節(jié)繞垂直軸運動范圍很小，在伸直時，韌帶拉得更緊，不能做任何旋轉(zhuǎn)運動。所以通常情況下，一般認為膝關(guān)節(jié)僅具有屈伸自由度，可以將其看做一個鉸關(guān)節(jié)。 圖2.6 踝關(guān)節(jié)解剖圖 踝關(guān)節(jié)主要由脛骨下關(guān)節(jié)面、內(nèi)踝關(guān)節(jié)面與外踝關(guān)節(jié)面共同形成的一個叉狀關(guān)節(jié)窩和以距骨上方的髁狀關(guān)節(jié)面為管接頭而連接形成的一個髁狀關(guān)節(jié)，如圖2.6所示。踝關(guān)節(jié)只有一個主要的運動軸，繞額狀軸可做屈足背、屈跖等動作。同時，由于距骨的髁狀關(guān)節(jié)面前寬后窄，當(dāng)足屈時，髁狀關(guān)節(jié)面較窄的部分未能填滿關(guān)節(jié)窩，這使得踝關(guān)節(jié)可繞矢狀軸做微小的外翻和內(nèi)翻運動。此外，踝關(guān)節(jié)還可以做小幅度內(nèi)收外展動作[11]。 因此，通常情況下，認為踝關(guān)節(jié)具有屈足背、屈跖以及外翻和內(nèi)翻兩個自由度。 綜上所述，可以得知髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的自由度情況，見表2.1所示。 表2.1 人體下肢各關(guān)節(jié)自由度情況 參考面 關(guān)節(jié) 髖關(guān)節(jié) 膝關(guān)節(jié) 踝關(guān)節(jié) 矢狀面 屈伸 屈伸 屈足背、屈跖 冠狀面 外展內(nèi)收 無 外翻和內(nèi)翻 橫截面 旋內(nèi)旋外 無 無 接下來對人體下肢各關(guān)節(jié)運動角度作一下定義： 圖2.7 關(guān)節(jié)角度定義 首先對人體下肢關(guān)節(jié)角度以及轉(zhuǎn)矩的正負以及數(shù)值大小確定做如下說明。當(dāng)人體雙腳水平站立時，各關(guān)節(jié)角度為0。行走時，關(guān)節(jié)角度方向從主動近端關(guān)節(jié)到被動遠 端關(guān)節(jié)逆時針方向為正，角度大小為主動近端關(guān)節(jié)與被動遠端關(guān)節(jié)軸線之間夾角。力矩的定義相同，如圖2.7所示。 2.3 下肢健身外骨骼設(shè)計 在完成對人體下肢關(guān)節(jié)運動機理研究之后，開始進行下肢健身外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計。下肢健身外骨骼與穿戴者組成一個人機耦合系統(tǒng)，因此在設(shè)計時應(yīng)考慮如下因素：首先，下肢健身外骨骼在設(shè)計時應(yīng)當(dāng)考慮人機作用方式，即下肢健身外骨骼與穿戴者的作用方式。在充分考慮人機工程學(xué)以及仿生學(xué)的基礎(chǔ)上，應(yīng)該盡可能采用擬人化的設(shè)計方法。具體體現(xiàn)在，下肢健身外骨骼關(guān)節(jié)位置以及關(guān)節(jié)自由度需盡可能與人體匹配，以滿足人體下肢關(guān)節(jié)運動范圍的要求。其次，下肢健身外骨骼應(yīng)具有良好的適應(yīng)性。由于不同人身高體重的不同，其下肢的幾何尺寸也是不同的。因此，在設(shè)計時，下肢健身外骨骼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)當(dāng)在一定范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，以適應(yīng)更多的人穿戴。這就需要參考人體相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)加以設(shè)計。然后，下肢健身外骨骼系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有輕便、快速穿戴及解脫、便攜、堅固耐用等特點。這就需要從材料選擇、機構(gòu)設(shè)計方面加以保證。最后，也是最重要的一點，就是下肢健身外骨骼系統(tǒng)必須足夠安全，不管是在正常工作還是在故障條件下，系統(tǒng)都不會對人體造成傷害。這就要從可靠性以及控制等方面進行規(guī)劃加以保證。此外，系統(tǒng)還應(yīng)考慮的因素包括系統(tǒng)散熱性能、噪音性能等。 2.3.1外骨骼機器人構(gòu)型設(shè)計 以往外骨骼機器人的設(shè)計大致分為兩類，一類是非擬人化設(shè)計如Hardiman，另一類為擬人化設(shè)計，最典型的為伯克利的BLEEX。下面分別介紹一下這兩種方式的優(yōu)缺點。 圖2.8 外骨骼機器人結(jié)構(gòu)圖 非擬人化設(shè)計是比較常見的，它在設(shè)計時不以人體為基礎(chǔ)，與人非同構(gòu)性，不反映人體運動特征，只考慮如何實現(xiàn)設(shè)計目的，如自行車的設(shè)計。外骨骼機器人如果采用非擬人化設(shè)計的話，結(jié)構(gòu)會相對簡單，只需保證與人體不產(chǎn)生干涉就可以。由此帶來的后果是系統(tǒng)所需空間大，比較笨重；不能保證人體的安全，在行走時可能會強制人體做出不需要的動作，從而對人體造成傷害；不能很好的跟隨人體一起運動，對人體運動產(chǎn)生阻礙。 擬人化設(shè)計也分為兩種：完全擬人化設(shè)計、半擬人化設(shè)計。完全擬人化設(shè)計要求系統(tǒng)與人體結(jié)構(gòu)完全相同；半擬人化設(shè)計則要求系統(tǒng)關(guān)鍵部分與人體結(jié)構(gòu)相同即可。人體下肢關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，基于目前技術(shù)限制，完全模仿是不可能的，我們只能做到半擬人化設(shè)計。當(dāng)我們采用半擬人化設(shè)計時，外骨骼機器人結(jié)構(gòu)與人體下肢結(jié)構(gòu)基本相同。系統(tǒng)模仿人體下肢主要關(guān)節(jié)，滿足人體下肢各關(guān)節(jié)各自由度運動范圍?；跀M人化設(shè)計的外骨骼系統(tǒng)，系統(tǒng)空間體積相對較小，能夠很好地跟隨人體運動；不容易與人體產(chǎn)生干涉；控制相對簡單。 基于兩種方法優(yōu)缺點的綜合考慮，我們選擇擬人化設(shè)計,系統(tǒng)三維模型如圖2.8所示。 2.3.2 外骨骼機器人各關(guān)節(jié)設(shè)計 采用擬人化設(shè)計方法設(shè)計的外骨骼機器人系統(tǒng)，包括背部機構(gòu)和仿生腿，如圖2.9所示。系統(tǒng)下肢各關(guān)節(jié)與人體下肢關(guān)節(jié)類似，具體設(shè)計如下。 通過上述分析，我們可知髖關(guān)節(jié)為球窩關(guān)節(jié)，具有三個自由度，分別是矢狀面屈伸自由度、額狀面外展內(nèi)收自由度以及水平面旋內(nèi)旋外自由度。從機械設(shè)計方面考慮，我們完全可以設(shè)計出類似的球窩關(guān)節(jié)，但是考慮到關(guān)節(jié)驅(qū)動問題，目前對球窩關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)進行驅(qū)動還是比較困難的。因此在設(shè)計時，我們做了如下變通，在結(jié)構(gòu)方面沒有模仿人體髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，而是在功能上進行模仿即設(shè)計的外骨骼髖關(guān)節(jié)具有上述二個自由度，即屈伸自由度、旋內(nèi)旋外自由度。 根據(jù)上述分析，設(shè)計的外骨骼髖關(guān)節(jié)如圖2.9所示。 圖2.9（b） 旋內(nèi)旋外自由度實現(xiàn) 圖2.9（a） 外骨骼機器人髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 圖2.9(b)為髖關(guān)節(jié)旋內(nèi)旋外自由度，轉(zhuǎn)動角度為-40°-40°，可以外加機械限位機構(gòu)進行限位用來保證人體安全。圖2.9(b)為髖關(guān)節(jié)旋內(nèi)旋外自由度，在設(shè)計時綜合考慮了大腿長度調(diào)整方式。內(nèi)套筒與大腿桿利用大腿桿上夾緊機構(gòu)夾緊，可進行高度調(diào)整。轉(zhuǎn)動件相對于大腿桿與內(nèi)套筒可以自由轉(zhuǎn)動，進而實現(xiàn)髖關(guān)節(jié)旋內(nèi)旋外自由度設(shè)計。 人體膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)也是很復(fù)雜的，其主要運動為矢狀面內(nèi)屈伸運動，除此之外還可以做小幅度轉(zhuǎn)動。因此，在設(shè)計時，我們可以認為膝關(guān)節(jié)只有屈伸自由度，是一個鉸關(guān)節(jié)。所以，在機械設(shè)計方面，我們可以用一個鉸接轉(zhuǎn)動副來代替膝關(guān)節(jié)。 圖2.10 外骨骼機器人膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 圖2.11 外骨骼踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 根據(jù)上述分析，設(shè)計的外骨骼膝關(guān)節(jié)如圖2.10所示。在設(shè)計時考慮到人體膝關(guān)節(jié)運動范圍為0~-65°，因此在機械結(jié)構(gòu)方面，必須對膝關(guān)節(jié)的運動范圍加以限制，否則可能因為故障對人體造成傷害。 人體踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，完全模仿進行外骨骼踝關(guān)節(jié)設(shè)計非常困難。因此，我們同樣只在功能上進行模仿。人體踝關(guān)節(jié)具有屈足背、屈跖、外翻和內(nèi)翻以及內(nèi)收外展三個自由度。由于其內(nèi)收外展范圍比較小，而且可以通過髖關(guān)節(jié)的內(nèi)收外展來間接實現(xiàn)。因此，在設(shè)計時，外骨骼踝關(guān)節(jié)只要滿足剩余兩個即可。 根據(jù)上述分析，設(shè)計的外骨骼踝關(guān)節(jié)如圖2.11所示。外骨骼踝關(guān)節(jié)采用桿端關(guān)節(jié)軸承來實現(xiàn)屈足背、屈跖、外翻和內(nèi)翻兩個自由度。其關(guān)節(jié)屈伸自由度轉(zhuǎn)動角度為 -40°~40°。 除了上述三個主要關(guān)節(jié)外，人體足部還有腳趾跖趾關(guān)節(jié)。人體在行走時，腳底并不是一個平面，而是隨著腳的起落，腳底面是會有屈曲。在設(shè)計時，外骨骼足部選用可變形的橡膠，與鞋子類似，能夠跟隨人體足部完成屈曲動作。 圖2.12 人體各部分與身高比例 2.3.3 外骨骼機器人其余部件設(shè)計 外骨骼機器人要具有良好的適應(yīng)性，因此其大腿、小腿以及髖部長度都是可以調(diào)整的。本文設(shè)計的外骨骼機器人也充分考慮到這一要求，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時參考了中國成年人人體尺寸國標(biāo)（GB/T 10000-88）。它提供了七個類別共計47項人體尺寸數(shù)據(jù)，按照性別分別給出了人體主要尺寸、立姿人體尺寸、坐姿人體尺寸以及人體手部、足部尺寸等。該標(biāo)準(zhǔn)于1988年12月制定，在1989年7月實施，尺寸偏小。因此在設(shè)計時還參考了美國弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)測繪的人體各個部分相對于人體比例，如圖2.12所示。 本文設(shè)計的外骨骼系統(tǒng)適于165cm~185cm成年人使用。按照圖2.12所示人體各個部位相對于身高比例，我們可以大致計算出外骨骼系統(tǒng)各個部分尺寸范圍，如表2.2所示。 表2.2 人體部分結(jié)構(gòu)尺寸 人體身高 155cm（mm） 170cm（mm） 180cm（mm） 踝關(guān)節(jié)高度 60.45 66.3 70.2 小腿高度 381.3 418.2 442.8 大腿高度 379.75 416. 5 441 下肢總高度 821.5 901 954 腰部寬度 296.05 324.7 343.8 根據(jù)表2.2，我們可以看出，踝關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)范圍非常小，大約8mm。在設(shè)計時，可以將其高度定位72mm，再加上人體鞋子高度，總高度定為100mm即可。因此，不需要再設(shè)計高度調(diào)節(jié)機構(gòu)，簡化了系統(tǒng)復(fù)雜度。 人體小腿的長度范圍為405.9mm~455.1mm，可調(diào)整高度大約為50mm。在實際設(shè)計中，我們將小腿長范圍定為406mm~456mm，調(diào)整高度為50mm。本文我們采用如圖2.13所示的結(jié)構(gòu)。 圖2.13 小腿長度調(diào)節(jié)機構(gòu) 圖中小腿桿為薄壁硬鋁合金圓筒，長度調(diào)整桿也為薄壁硬鋁合金圓筒。采用此結(jié)構(gòu)有如下好處，既可以減輕系統(tǒng)總體重量，又可以走傳感器連接線等。 人體大腿長度范圍為404.25mm~453.25mm，長度調(diào)整范圍為49mm。在實際設(shè)計中，我們將外骨骼大腿長度定為404mm~454mm，長度調(diào)整范圍為50mm。本文設(shè)計的大腿長度調(diào)整機構(gòu)如圖2.14所示。 圖2.14 外骨骼大腿長度調(diào)節(jié)機構(gòu) 圖中大腿桿以及長度調(diào)整桿采用的都是薄壁硬鋁合金圓筒，同樣起到減輕外骨骼系統(tǒng)重量以及走線的作用。 人體腰部長度范圍為315.15mm~353.35mm，長度調(diào)整范圍為38.2mm。在實際設(shè)計中，我們將腰部長度定為315mm~355mm，長度調(diào)整范圍為40mm。本文設(shè)計的腰部調(diào)整機構(gòu)如圖2.15所示。 圖2.15 外骨骼腰部長度調(diào)節(jié)機構(gòu) 腰部結(jié)構(gòu)在實際設(shè)計中考慮到人體身高以及胖瘦不同，在兩個方向都可以進行長度調(diào)節(jié)，以適應(yīng)更廣泛的群體能夠穿戴外骨骼機器人。 之后便是外骨骼足部的設(shè)計。足部于非常主要的位置。首先，外骨骼足部與穿戴者腳是固定在一起運動的。足部必須有一個自由度即腳趾跖趾關(guān)節(jié)屈曲自由度。因此，在設(shè)計中，采用的是可以產(chǎn)生彈性變形的橡膠作為主要材料。具體設(shè)計如圖2.16所示。 圖2.16 外骨骼足部結(jié)構(gòu) 綜上所述，下肢健身外骨骼的長度在965-1085mm范圍內(nèi)是可以進行調(diào)節(jié)的，符合設(shè)計要求。 2.3.4 彈簧的選擇及安裝 下肢健身外骨骼要求腿肢彈簧負載范圍為-75N-+75N。因此參考機械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，選擇偏心圓鉤類型的拉伸彈簧。其具體參數(shù)如下： 簧絲直徑：2mm； 彈簧中徑：28mm 彈簧剛度：7.20N/mm； 彈簧初始長度：100mm； 彈簧最大拉伸長度：130mm； 綜上所述，可以得知彈簧的拉力可調(diào)值在0-216N，可以滿足-75N-+75N的調(diào)節(jié)范圍和要求。 2.4 本章小結(jié) （1）對人體下肢解剖學(xué)及下肢關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進行了研究分析，得到了人體下肢關(guān)節(jié)的運動副結(jié)構(gòu)特征及其自由度情況。 （2）采用擬人化設(shè)計方法，利用Proe設(shè)計了一款下肢健身外骨骼。 （3）選擇了適合該下肢健身外骨骼的彈簧，以滿足穿戴者的健身要求。 3 下肢健身外骨骼有限元分析 下肢健身外骨骼是穿戴在人體上的，隨著人體一起進行運動。因此，必須要保證穿戴者的人身安全。本文除了在機械設(shè)計過程中采用相應(yīng)的機械限位方式，保證穿戴者的安全之外，還必須通過工程計算分析，保證結(jié)構(gòu)的強度和變形范圍在可以接受的范圍之內(nèi)，且不至于過大，防止對人體產(chǎn)生不必要的傷害。因此，本章利用有限元分析軟件對下肢健身外骨骼的重要零部件進行強度分析校核，進而優(yōu)化設(shè)計。 有限元分析軟件有很多，比如ANSYS、ABAQUS以及solidworks、catia、proe等軟件自帶的有限元分析軟件等。鑒于本文模型的結(jié)構(gòu)形式，本文選擇catia自帶的有限元分析軟件進行重要零部件的強度分析和校核。 3.1 小腿重要零件的有限元分析 小腿部件主要包括小腿外桿和小腿內(nèi)桿，但是最要承受力的是小腿外桿。因此，下面主要對進行小腿外桿進行有限元分析。 小腿外桿受力最大處在兩個極限位置，即人體完全站立時以及膝關(guān)節(jié)屈曲最大處，這兩處受力大小一致但方向相反。因此，我們可以只分析其中一種情況，即膝關(guān)節(jié)屈曲最大處時，小腿外桿的受力情況。 3.1 小腿外桿網(wǎng)格劃分以及約束添加 圖3.1所示為小腿桿網(wǎng)格劃分以及約束添加情況，在連接彈簧處施加100N小腿桿軸向的向下的力，下端內(nèi)壁采用固定的約束方式。分析結(jié)果如圖3.2所示： 1 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)（論文） 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)（論文） 4 基于ADANS的外骨骼虛擬樣機模型及仿真 圖3.2（a）小腿外桿應(yīng)力分析 圖3.2（b）小腿外桿變形位移分析 分析結(jié)果如下： 最大應(yīng)力為：5.31MP＜7075鋁合金強度極限 最大變形位移：0.00271mm 綜上可知，小腿外桿應(yīng)力變形都較小，符合要求，是安全的。 3.2 大腿重要零件的有限元分析 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)（論文） 大腿部件主要包括大腿外桿和大腿內(nèi)桿，但是最要承受力的是大腿外桿。因此，下面主要對進行大腿外桿進行有限元分析。 大腿外桿受力最大處也在兩個極限位置，即人體完全站立時以及膝關(guān)節(jié)屈曲最大處，這兩處受力大小一致但方向相反。因此，我們可以只分析其中一種情況，即人體完全站立時，大腿外桿的受力情況。 圖3.3 模型簡化 在分析之前，為了方便網(wǎng)格劃分，需要對其模型進行相應(yīng)的簡化處理，如圖3.3所示。 圖3.4所示為大腿桿網(wǎng)格劃分以及約束添加情況，在連接彈簧處施加100N小腿桿軸向的向下的力，下端采用固定的約束方式。分析結(jié)果如圖3.5所示： 圖3.4 大腿桿網(wǎng)格劃分以及約束添加 圖3.5（a）大腿外桿應(yīng)力圖 圖3.5（b）大腿外桿位移變形圖 分析結(jié)果如下： 最大應(yīng)力為：3.96MP＜7075鋁合金強度極限 最大變形位移：0.0537mm 綜上可知，大腿外桿應(yīng)力變形都較小，符合要求，是安全的。 通過有限元分析，可以得知下肢健身外骨骼應(yīng)力和變形都比較小，都在許可范圍內(nèi)，滿足使用要求。 3.3 本章小結(jié) 本章利用有限元分析軟件對下肢健身外骨骼進行有限元分析，分析結(jié)果表明外骨骼應(yīng)力應(yīng)變都較小，在許可范圍內(nèi)，滿足使用要求。 4 基于ADAMS的外骨骼虛擬樣機模型及仿真 4.1 利用ADAMS對外骨骼的模型進行仿真 一般利用ADAMS/View 提供的建模構(gòu)件工具可以直接建立模型, 但對于復(fù)雜的機械模型, 一般采用的方法利用其它專業(yè)的CAD軟件建立模型, 然后通過ADAMS提供的CAD模型數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入CAD軟件中的模型后進行仿真。具體仿真過程如下: 1)在CAD軟件SolidWork中繪制外骨骼模型, 保存格式為Parasolid。 2)模型通過數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入到ADAMS中, 首先編輯構(gòu)件屬性, 然后添加約束和驅(qū)動, 最后設(shè)置環(huán)境接觸。 3)設(shè)置仿真參數(shù), 仿真完畢進入后處理模塊分析。外骨骼長度和質(zhì)量參數(shù)設(shè)置如表1。 表1 外骨骼參數(shù)設(shè)置 軀干 大腿 小腿 足部 長度( m ) 0.46 0.42 0.34 0.26 質(zhì)量( kg) 8.62 7.67 4.59 1.63 為降低仿真的復(fù)雜程度, 約束外骨骼在縱向平面內(nèi)運動。根據(jù)外骨骼足部與地面的關(guān)系, 外骨骼行走過程分為幾種不同的狀態(tài), 包括雙支撐狀態(tài)、單支撐狀態(tài)、冗余單支撐狀態(tài)等。圖4.1為外骨骼從初始站立到一腳抬起, 再到右腳著地的仿真。從圖中可以看出, 該結(jié)構(gòu)與BLEEX 的液壓驅(qū)動方式不同, 采用電機驅(qū)動方式, 利用髖、膝和踝關(guān)節(jié)安裝的力矩電機為關(guān)節(jié)運動提供力矩。其中, 外骨骼的關(guān)節(jié)設(shè)定為旋轉(zhuǎn)約束, 兩個足底腳尖和腳跟分別安裝傳感器測量足底壓力。 5 結(jié)論 圖4.1