下肢健身外骨骼的設(shè)計(jì)與分析
下肢健身外骨骼的設(shè)計(jì)與分析,下肢,健身,骨骼,設(shè)計(jì),分析
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)中期報(bào)告
題目：下肢健身外骨骼的設(shè)計(jì)與析
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論文框架
第一章 緒論
1、介紹下肢健身外骨骼應(yīng)用背景
2、主要介紹外國(guó)內(nèi)外下肢外骨骼研究現(xiàn)狀
第二章 下肢健身外骨骼關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)
1、對(duì)人體髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)進(jìn)行分析，確定下肢健身外骨骼髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)自由度及其形式
2、主要進(jìn)行下肢健身外骨骼髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)，并用proe進(jìn)行建模
第三章 下肢健身外骨骼長(zhǎng)度調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
參考成年人體國(guó)標(biāo)尺寸，完成下肢健身外骨骼的大腿、小腿長(zhǎng)度調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，，并用proe進(jìn)行建模。
第四章 下肢健身外骨骼主要零件有限元分析
利用proe自帶有限元分析軟件，對(duì)外骨骼主要零件進(jìn)行有限元分析，校核其強(qiáng)度以及形變。
總結(jié)與展望
對(duì)上述工作進(jìn)行總結(jié)與展望
學(xué)術(shù)構(gòu)想與思路：
主要研究?jī)?nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題（或技術(shù)）：
本論文主要研究?jī)?nèi)容如下：
根據(jù)已知參數(shù)即：下肢健身外骨骼總重：2.8kg；腿肢長(zhǎng)度范圍：965----1085mm；腿肢髖關(guān)節(jié)擺動(dòng)最大角度：40°；腿肢膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍：20°----85°；腿肢踝關(guān)節(jié)擺動(dòng)最大角度：40°；腿肢彈簧負(fù)載范圍：-75N----+75N；腿肢彈簧可調(diào)力范圍：0N----40N；適用身高范圍：155----180cm，確定下肢健身外骨骼模型的主要參數(shù)。主要包括下肢健身外骨骼的材料選擇、髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)、膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)、踝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)、大腿和小腿長(zhǎng)度調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及彈簧的選擇以及其安裝等內(nèi)容。
在模型建立完成之后，通過(guò)添加相應(yīng)約束，對(duì)模型進(jìn)行強(qiáng)度校核，校核其強(qiáng)度以及應(yīng)力變形是否在允許范圍之內(nèi)，是否符合要求。
需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題：
髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)；大腿、小腿長(zhǎng)度調(diào)整機(jī)構(gòu)；彈簧選擇；有限元分析。
擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實(shí)施方案及可行性分析：
1.髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)參考人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)機(jī)能進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)髖關(guān)節(jié)有兩個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)各采用一個(gè)自由度；
2.為適應(yīng)身高不同人穿戴，大腿、小腿應(yīng)具有長(zhǎng)度調(diào)整機(jī)構(gòu)，這里可采用圓管加圓柱桿的方法來(lái)解決；
3.用Proe三維軟件進(jìn)行裝配體建模，用Autocad二維軟件繪制重要零件的二維圖
4.對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析，校核其強(qiáng)度和形變。由于人體穿戴其進(jìn)行健身，所以必須保證設(shè)備的強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，防止對(duì)人體造成危害。本文采用Proe自帶有限元分析組件對(duì)模型重要部件進(jìn)行強(qiáng)度校核。
1.方案：
髖關(guān)節(jié)采用一個(gè)自由度，只能前后擺動(dòng)即只有伸前屈后自由度。其結(jié)構(gòu)形式可采用如圖所示。
膝關(guān)節(jié)同樣只采用一個(gè)自由度，同髖關(guān)節(jié)類(lèi)似，能夠屈伸。其結(jié)構(gòu)形式采用如圖所示。
踝關(guān)節(jié)這里采用關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行連接，可以實(shí)現(xiàn)伸前屈后以及旋內(nèi)旋外，使人體穿戴更加舒適。
大腿、小腿調(diào)整機(jī)構(gòu)可采用圓管套圓柱桿的方式，如圖所示。
2.存在問(wèn)題及解決措施：
未能確定使用哪個(gè)軟件進(jìn)行建模
解決措施：在老師的指導(dǎo)糾正下進(jìn)行了建模
3.后期安排工作：
第11-13周：確定數(shù)據(jù)，根據(jù)機(jī)械運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖計(jì)算數(shù)據(jù)
第14-15周：根據(jù)所有數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行建模以及運(yùn)動(dòng)仿真
第16周：進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié)，編寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，并作好答辯的準(zhǔn)備。
指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告
題目：下肢健身外骨骼的設(shè)計(jì)與析
開(kāi)題報(bào)告填寫(xiě)要求
1.開(kāi)題報(bào)告作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成。
2.開(kāi)題報(bào)告內(nèi)容必須按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁(yè)上下載）填寫(xiě)并打印（禁止打印在其它紙上后剪貼），完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師審閱。
3.開(kāi)題報(bào)告字?jǐn)?shù)應(yīng)在1500字以上，參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊(cè)，其中外文文獻(xiàn)至少3篇），文中引用參考文獻(xiàn)處應(yīng)標(biāo)出文獻(xiàn)序號(hào)，“參考文獻(xiàn)”應(yīng)按附件中《參考文獻(xiàn)“注釋格式”》的要求書(shū)寫(xiě)。
4.年、月、日的日期一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書(shū)寫(xiě)，例：“2008年11月26日”。
5.開(kāi)題報(bào)告增加封面，封面格式：題目：宋體，加粗，二號(hào)；系別等內(nèi)容格式：宋體，四號(hào)，居中。
1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）綜述（題目背景、研究意義及國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況）
1.1題目背景，研究意義：
能源是人類(lèi)社會(huì)賴(lài)以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)?？v觀人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的歷史，人類(lèi)文明的每一次重大進(jìn)步都伴隨著能源的改進(jìn)和更替。能源的開(kāi)發(fā)利用極大地推進(jìn)了世界經(jīng)濟(jì)和人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展。自2008年我國(guó)成功舉辦奧運(yùn)會(huì)后健身在我國(guó)越來(lái)越流行健身房如雨后春筍般在我國(guó)發(fā)展，這是我國(guó)健身行業(yè)發(fā)展最強(qiáng)有力的后盾。根據(jù)測(cè)算每一個(gè)成年人鍛煉一小時(shí)消耗能量0.2kw·h。那么如果一個(gè)健身房有30臺(tái)這樣的設(shè)備每臺(tái)每天工作5小時(shí)，相當(dāng)于為國(guó)家節(jié)約0.324噸標(biāo)準(zhǔn)煤。這對(duì)于有多個(gè)連鎖分店的健身企業(yè)來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)最為有效和最為簡(jiǎn)便的降低健身房的能源成本的方法。通過(guò)該設(shè)計(jì)旨在鍛煉學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法基本原理進(jìn)行設(shè)計(jì)和工程分析，使學(xué)生受到機(jī)械工程師基本訓(xùn)練。
1.2人體下肢外骨骼國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展?fàn)顩r
人體下肢外骨骼是由20世紀(jì)60年代開(kāi)始研制的全身外骨骼分支而來(lái), 由于全身外骨骼研究的難度及上、下肢外骨骼在研究目的、技術(shù)上存在較大的差異, 外骨骼分支分為上肢外骨骼與下肢外骨骼兩個(gè)研究方向。上肢外骨骼研究的進(jìn)程較快,很快有了成型產(chǎn)品并得到了應(yīng)用。
下肢外骨骼研究經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的沉寂之后, 于20世紀(jì)末也廣泛地開(kāi)展起來(lái)。比如密西根大學(xué)研制的用于輔助人行走的機(jī)器膝。Lokomat等人設(shè)計(jì)了用于病人腿部復(fù)原的下肢外骨骼; 美國(guó)猶他州Sacros公司研制的/ 外部骨架0等。由于技術(shù)等原因, 這些裝置都沒(méi)能被成功地應(yīng)用于實(shí)踐, 但他們提供的算法為外骨骼的進(jìn)一步研究、積累經(jīng)驗(yàn)和開(kāi)拓思路做出了巨大貢獻(xiàn)。21世紀(jì), 下肢外骨骼又重新得到世界各國(guó)的關(guān)注, 美國(guó)、日本、俄羅斯、以色列、新加坡及中國(guó)都積極地投入到研究中,而且取得了一些成果。下面分別介紹一些在下肢外骨骼方面比較成熟的研究成果。
HAL(Hybrid Assistive Limb)系列產(chǎn)品(HAL,HAL-3)是日本筑波大學(xué)研制的外骨骼裝置,HAL由外骨骼、驅(qū)動(dòng)器、控制器和傳感器等組成。它利用人在運(yùn)動(dòng)前肌肉會(huì)產(chǎn)生一種運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)(肌肉的收縮或擴(kuò)張) 的原理,通過(guò)測(cè)量外骨骼穿著者肌肉的肌電圖EMG(Myoelectricity)信號(hào)來(lái)獲得人類(lèi)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)信息作為最初的命令信號(hào), 信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理, 使驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力, 從而驅(qū)動(dòng)外骨骼膝或踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。HAL的研制是適應(yīng)日本社會(huì)老齡化的發(fā)展趨勢(shì), 主要是為老年人或行走失調(diào)者而制作的一個(gè)幫助他們站立、行走的下肢輔助外骨骼裝置, 但它不能承受巨大載荷。
美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校研制的人體下肢外骨骼(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton, BLEEX)由兩條金屬腿、計(jì)算機(jī)及能量控制單元, 以及后背架等組成。外骨骼上安裝的40多個(gè)傳感器不斷地分析、測(cè)量負(fù)重和人的空間方位信息, 將測(cè)得的信號(hào)傳給計(jì)算機(jī), 經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后發(fā)出控制信號(hào), 驅(qū)動(dòng)液壓傳動(dòng)裝置使外骨骼與人同步行走并保持外骨骼與人體的平衡。士兵穿著它身負(fù)28 kg 的背囊可以像背2kg物體那樣輕松。該裝置研制的目的是既可用于戰(zhàn)場(chǎng)的士兵背負(fù)重物行軍, 又可用于其他的負(fù)重長(zhǎng)途行走。與日本在下肢外骨骼研制方面不同的是, 它通過(guò)測(cè)量外骨骼本身的數(shù)據(jù)來(lái)控制下肢外骨骼而不是利用EMG信號(hào)。
新加坡南洋理工大學(xué)也致力于此方面的研究。他們?cè)O(shè)計(jì)的下肢外骨骼不能承受巨大載荷。韓國(guó)也在開(kāi)發(fā)研制為老年人擴(kuò)大活動(dòng)范圍和提高活動(dòng)能力的下肢外骨骼。俄羅斯則將承載下肢外骨骼裝置作為單兵系統(tǒng)的重要部分進(jìn)行研究。
在下肢外骨骼的研究方面, 美國(guó)處于領(lǐng)先水平, 但仍處在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究階段。其中許多關(guān)鍵技術(shù)還處于探索與研究之中, 最終目的是使人體下肢外骨骼實(shí)現(xiàn)有效的控制, 實(shí)現(xiàn)快速行走、跑、跳、蹲、跨步, 能夠人機(jī)有效的合一, 機(jī)器與人之間的柔順和諧。如何使得外骨骼材料輕便, 驅(qū)動(dòng)裝置體積小、能量大且無(wú)沖擊、讓人的感覺(jué)更舒適等問(wèn)題則仍舊是研究中需要攻克的難題。
2.本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施
2.1本課題研究的主要內(nèi)容
題目?jī)?nèi)容主要包括三個(gè)方面，下肢健身外骨骼的設(shè)計(jì)與分析：
A. 在設(shè)計(jì)方面要求依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)下肢健身外骨骼的方案，結(jié)構(gòu)。
B. 在建模方面要求建立下肢健身外骨骼的實(shí)體裝配模型。對(duì)實(shí)體裝配模型進(jìn)行工程簡(jiǎn)化。
C. 在工程分析方面要求合理確定約束條件，分析下肢健身外骨骼在運(yùn)動(dòng)中的變形量并對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行校核。
D. 下肢健身外骨骼總重：2.8kg；腿肢長(zhǎng)度范圍：965----1085 mm；腿肢髖關(guān)節(jié)擺動(dòng)最大角度：40°；腿肢膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍：20°----85°；腿肢踝關(guān)節(jié)擺動(dòng)最大角度：40°；腿肢彈簧負(fù)載范圍：-75N----+75N；腿肢彈簧可調(diào)力范圍：0N----40N；適用身高范圍：155----180cm。
2.2研究方案
外骨骼研究的關(guān)鍵性技術(shù)分析與研究
(1)步態(tài)分析
(2)步態(tài)穩(wěn)定性控制
(3)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
(4)同步行走控制
2.3 研究方法或措施
研究運(yùn)用需求和公共供求關(guān)系等基礎(chǔ)理論，通過(guò)理論分析與實(shí)證分析，系統(tǒng)分析與對(duì)比分析，文獻(xiàn)分析與數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法，對(duì)我國(guó)全民健身服務(wù)體系的基本理論進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)與現(xiàn)實(shí)考證。
為了實(shí)現(xiàn)人的智能與機(jī)械的力量之間的結(jié)合, 使人具備機(jī)械的力量、速度和耐力, 正在設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)負(fù)荷行走功能的下肢外骨骼。機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是下肢外骨骼系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。首先基于人體行走的生物學(xué)特征, 闡述了下肢外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。
3.本課題研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)，前期已開(kāi)展工作
本課題的重點(diǎn)是：了解人體下肢健身的全部肌肉群以及如何健身。
難點(diǎn)是：下肢外骨骼系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。首先基于人體行走的生物學(xué)特征, 闡述了下肢外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。
前期已開(kāi)展工作：了解下肢外骨骼是一種新型的具有可穿戴性能的機(jī)械裝置。它設(shè)計(jì)的基本思想是結(jié)合人的智能與機(jī)械的力量, 強(qiáng)調(diào)人機(jī)之間的交互與配合；并為進(jìn)一步周密的設(shè)計(jì)做好充分的準(zhǔn)備。
4.完成本課題的工作方案及進(jìn)度計(jì)劃（按周次填寫(xiě)）。
第1周：收集資料，借閱參考書(shū)，下載相關(guān)英文文獻(xiàn)。
第2--6周：要求依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)。
第6--11周：建立實(shí)體裝配模型。對(duì)實(shí)體裝配模型進(jìn)行工程簡(jiǎn)化。
第11--13周：要求合理確定約束條件，分析變形量并對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行校核。
第13--15周：分析結(jié)論撰寫(xiě)論文。
指導(dǎo)教師意見(jiàn)（對(duì)課題的深度、廣度及工作量的意見(jiàn)）
指導(dǎo)教師： 年 月 日
所在系審查意見(jiàn)：
系主管領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日
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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
題目：下肢健身外骨骼的設(shè)計(jì)與分析
下肢健身外骨骼的設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)的裝置。本文針對(duì)外骨骼的模型構(gòu)建及有限元分析展開(kāi)研究工作。本文主要進(jìn)行了如下研究。
對(duì)人體下肢解剖學(xué)、下肢關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究分析，明確人體下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)及其自由度情況。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一款擬人結(jié)構(gòu)的外骨骼機(jī)器人。
之后，采用有限元分析軟件對(duì)外骨骼重要零件進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證其應(yīng)力應(yīng)變?cè)谠S可范圍內(nèi)。
關(guān)鍵詞：外骨骼；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 3
1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 3
1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 11
1.3 本文研究?jī)?nèi)容 13
2 基于人體生物力學(xué)的下肢健身外骨骼設(shè)計(jì) 15
2.1 人體下肢解剖學(xué)概述 15
2.2 下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究 16
2.3 下肢健身外骨骼設(shè)計(jì) 19
2.3.1外骨骼機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì) 20
2.3.2 外骨骼機(jī)器人各關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 21
2.3.3 外骨骼機(jī)器人其余部件設(shè)計(jì) 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(jī)模型及仿真 32
4.1 利用ADAMS對(duì)外骨骼的模型進(jìn)行仿真 32
5 結(jié)論 34
5.1 本文研究?jī)?nèi)容總結(jié) 34
5.2 工作展望 34
參考文獻(xiàn) 35
致謝 38
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明 39
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)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(jì)是一個(gè)注重創(chuàng)新的世紀(jì)，更是一個(gè)綠色環(huán)保的世紀(jì)。能源是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)?？v觀人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的歷史，人類(lèi)文明的每一次重大進(jìn)步都伴隨著能源的改進(jìn)和更替。能源的開(kāi)發(fā)利用極大地推進(jìn)了世界經(jīng)濟(jì)和人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展。自2008年我國(guó)在北京成功舉辦奧運(yùn)會(huì)之后,人們?cè)絹?lái)越注重身體鍛煉,越來(lái)越注重健身。因此，健身房如雨后春筍般在我國(guó)各地迅速發(fā)展壯大。而據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算一個(gè)正常的成年人健身一小時(shí)消耗的能量為0.2kw。那么一個(gè)健身房如果存在30臺(tái)這樣的設(shè)備且每天工作五個(gè)小時(shí)，那就需要消耗大約0.324噸標(biāo)準(zhǔn)煤來(lái)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(dòng)同時(shí)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(yùn)營(yíng)成本也可以為國(guó)家減少能源浪費(fèi)，減少環(huán)境污染。
傳統(tǒng)的健身設(shè)備例如跑步機(jī)等，都需要電能來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。人在健身的同時(shí)也是在消耗電能。隨著健身的人群越來(lái)越壯大，對(duì)能源的消耗也變得越來(lái)越大。這對(duì)環(huán)境的破壞和影響也越來(lái)越大。因此，設(shè)計(jì)一種不需要能源驅(qū)動(dòng)，同時(shí)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(kāi)的。通過(guò)查閱相關(guān)文資料，并對(duì)健身器材的研究分析，設(shè)計(jì)一款不需要能源驅(qū)動(dòng)，適宜人體穿戴的下肢健身外骨骼機(jī)器設(shè)備。
外骨骼技術(shù)來(lái)源于生物學(xué)中外骨骼。在生物學(xué)中，外骨骼是一種能夠?yàn)樯飪?nèi)部柔軟器官進(jìn)行構(gòu)型、建筑和保護(hù)的堅(jiān)硬外部結(jié)構(gòu)，例如蝦、蟹、昆蟲(chóng)等節(jié)肢動(dòng)物體表堅(jiān)韌的幾丁質(zhì)骨骼，主要起到保護(hù)和支持等作用。古代人類(lèi)在戰(zhàn)爭(zhēng)中使用的盔甲是最早應(yīng)用的外骨骼技術(shù)。外骨骼對(duì)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(jiān)硬的外骨骼具有一定的機(jī)械承載能力，并且能夠在生物各種活動(dòng)中如捕食承受劇烈運(yùn)動(dòng)的沖擊和負(fù)載等危害；其次外骨骼還有保護(hù)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(shí)，其堅(jiān)硬的外骨骼可以起到保護(hù)作用；最后外骨骼還起到感知外界環(huán)境的作用，其功能類(lèi)似于傳感器[1]。
生物外骨骼這些突出的特點(diǎn)，逐漸引起了學(xué)者們的關(guān)注。特別是二十世紀(jì)九十年
34
代以來(lái)，外骨骼技術(shù)發(fā)展迅猛，國(guó)內(nèi)外許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都在從事外骨骼技術(shù)的研究。外骨骼機(jī)器人是一種可穿戴式的機(jī)電智能系統(tǒng)，可以跟隨穿戴者一起運(yùn)動(dòng)。它可以感知穿戴者的動(dòng)作，從而獲取運(yùn)動(dòng)信息，通過(guò)其自身的動(dòng)力裝置起到增強(qiáng)穿戴者身體機(jī)能的作用。外骨骼機(jī)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(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。
在軍事方面，外骨骼機(jī)器人主要用來(lái)增強(qiáng)單兵負(fù)載能力。單兵在行軍或者執(zhí)行任務(wù)時(shí)需要背負(fù)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(jī)動(dòng)性以及作戰(zhàn)能力。而外骨骼機(jī)器人則大大增加了士兵的作戰(zhàn)能力，使其成為超級(jí)士兵。它可以作為單兵行軍或者攀爬復(fù)雜地形時(shí)的負(fù)重機(jī)構(gòu)，使士兵在背部負(fù)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(dòng)作。另外，對(duì)于機(jī)動(dòng)車(chē)輛無(wú)法到達(dá)的復(fù)雜地形，通常需要士兵搬運(yùn)物資，這往往消耗士兵大量體力。但是，穿戴外骨骼機(jī)器人之后，士兵不僅可以承受很大的負(fù)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(jī)動(dòng)性以及作戰(zhàn)能力。
在醫(yī)療領(lǐng)域，下肢外骨骼機(jī)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(wàn)的人因?yàn)槟X中風(fēng)而無(wú)法正常行走，必須進(jìn)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(fèi)大量的時(shí)間而且必須在理療師的全程監(jiān)護(hù)下才能夠進(jìn)行使用。而下肢外骨骼機(jī)器人可以在不需要理療師全程監(jiān)護(hù)的情況下，輔助腦中風(fēng)患者進(jìn)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(jìn)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(jī)器人進(jìn)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(duì)輪椅說(shuō)“再見(jiàn)”。
在民用領(lǐng)域，外骨骼機(jī)器人也有廣闊應(yīng)用前景。例如登山愛(ài)好者可以穿戴下肢外骨骼機(jī)器人來(lái)幫助承受背部負(fù)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(chǎng)，有些情況下，不便于機(jī)器進(jìn)入救援。這時(shí)救援人員可以穿戴外骨骼機(jī)器人進(jìn)入事故現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行緊急救援等。此外，裝有特定背部機(jī)構(gòu)的下肢外骨骼機(jī)器人能夠輕松實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)物資，減輕人體背部實(shí)際負(fù)載，從而保護(hù)人體背部。我國(guó)每年有很多體力勞動(dòng)者因?yàn)檠低怀龌蛘哐p傷等原因不能正常工作，這大多與他們背部長(zhǎng)時(shí)間承受過(guò)重載荷或者由于工作時(shí)姿勢(shì)不正確等原因造成的。而穿戴裝有背部減力機(jī)構(gòu)的外骨骼機(jī)器人可以很好的解決這類(lèi)問(wèn)題[3]。背部機(jī)構(gòu)通過(guò)下肢外骨骼將加在人體背部的載荷傳遞到地面，減少了對(duì)人背部的壓力，進(jìn)而減少了對(duì)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(jì)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(jī)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(dòng)作,而不借助于任何能源。之后，利用有限元分析軟件，對(duì)模型的主要部件進(jìn)行分析，主要是強(qiáng)度分析和應(yīng)變分析，確保主要部件應(yīng)力低于材料的強(qiáng)度極限，形變?cè)诳山邮芊秶鷥?nèi)，保證人體穿戴下肢健身外骨骼健身時(shí)絕對(duì)安全。
本論文設(shè)計(jì)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(guò)相應(yīng)的機(jī)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(shí)絕對(duì)安全。這種設(shè)備與一些傳統(tǒng)健身設(shè)備例如跑步機(jī)等相比，不需要任何能源輸入，只需要采用拉壓彈簧，實(shí)現(xiàn)健身功能。。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀
國(guó)外下肢外骨骼機(jī)器人研究起步較早。早在20世紀(jì)60年代末期，美國(guó)和前南斯拉夫就開(kāi)始進(jìn)行外骨骼技術(shù)的研究。1960年至1971年，美國(guó)通用公司進(jìn)行了Hardiman外骨骼系統(tǒng)的研制開(kāi)發(fā)，并計(jì)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(gè)應(yīng)用于脊髓損傷患者的氣缸驅(qū)動(dòng)下肢外骨骼。之后一段時(shí)間，外骨骼機(jī)器人的研究趨于沉寂，關(guān)于這方面的報(bào)道也鮮有。直到20世紀(jì)九十年代末，關(guān)于外骨骼機(jī)器人的研究又一次興起。
圖1.1 通用公司設(shè)計(jì)的 Hardiman
目前世界上許多國(guó)家在從事外骨骼技術(shù)方面的研究，而研究相對(duì)成功的有美國(guó)、日本等國(guó)家。特別是美國(guó)，其研制的外骨骼機(jī)器人代表了外骨骼機(jī)器人技術(shù)的最高水平。因此，主要對(duì)美國(guó)和日本外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展做了解。
1960年至1971年，通用公司最早開(kāi)始了外骨骼機(jī)器人研究。它計(jì)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(xiàng)目設(shè)計(jì)的初衷是為了緩解單兵長(zhǎng)時(shí)間行軍作戰(zhàn)時(shí)引起的疲勞，以及在航空母艦上快速地完成搬運(yùn)導(dǎo)彈等任務(wù)。但是，該項(xiàng)目由于伺服控制系統(tǒng)以及平衡等問(wèn)題沒(méi)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(kāi)始進(jìn)行穿戴式外骨骼機(jī)器人的研究，雖然進(jìn)展相對(duì)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(jī)器人（如圖1.2所示）能夠幫助減輕背部背負(fù)重物的負(fù)載。它可以直接將背部負(fù)載的重量大部分傳遞到地面，有效減少人體背部實(shí)際負(fù)載。通過(guò)對(duì)原型機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該外骨骼可以將80%-90%的負(fù)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(gè)問(wèn)題，目前其選擇的運(yùn)動(dòng)模式可能會(huì)干涉到人體正常運(yùn)動(dòng)步態(tài)[4]。雖然如此，其減輕負(fù)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(jī)器人
在2000年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DPRA）啟動(dòng)了“外骨骼增強(qiáng)人體體能表現(xiàn)”（Exoskeleton for Human Performance Augment）計(jì)劃。該計(jì)劃投資5000萬(wàn)美元，資助了多家單位進(jìn)行外骨骼機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)。其中，雷神公司（Raytheon Company）收購(gòu)的薩克斯(Sarcos)公司、加州大學(xué)伯克利分校(U.C Berkeley)、橡膠嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory）以及千年禧飛行器（Millennium Jet）公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)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(fù)責(zé)外骨骼動(dòng)力供應(yīng)設(shè)備的開(kāi)發(fā)研制[5]。四家單位進(jìn)行獨(dú)立研制，分別設(shè)計(jì)出了自己的外骨骼機(jī)器人。
首先介紹一下薩克斯公司研制的“XOS”系列負(fù)重機(jī)器人，如圖1.3所示。“XOS”外骨骼系統(tǒng)是Steve Jacobsen博士及其團(tuán)隊(duì)為了創(chuàng)造出超人士兵而研制的，并且由美國(guó)國(guó)防部高等研究計(jì)劃局(DARPA)提供了1000萬(wàn)美元的軍事研究預(yù)算，經(jīng)過(guò)7年秘密研發(fā)，成功設(shè)計(jì)的一款全身外骨骼系統(tǒng)。它代表了機(jī)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(dòng)作，輸出強(qiáng)大力量。當(dāng)穿上“XOS”，舉起200磅（90.7kg）重物時(shí)，人體實(shí)際只承受了20磅（9.07kg）力，而且連續(xù)舉50~500次沒(méi)有問(wèn)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(gè)重大缺陷，即它需要一根電纜來(lái)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(wèn)題，相信“XOS”很快就可以實(shí)用化了。2010年，雷神公司推出了第二款“XOS”外骨骼系統(tǒng)—“XOS 2”?！癤OS 2”在研制時(shí)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(qiáng)度鋁合金和鋼材料，既滿(mǎn)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(jī)器人
“XOS 2”可以使單兵工作速度加快，工作時(shí)間延長(zhǎng)，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(wú)需纜繩的系統(tǒng)也已開(kāi)始研制?！癤OS 2”可以輕松完成踢足球和擊打沙袋等靈巧動(dòng)作，而且右手的吊鉤可以擊穿墻壁。目前“XOS”系列外骨骼機(jī)器人有兩種型號(hào)，一種是后勤補(bǔ)給型的外骨骼機(jī)器人，它包括上肢和下肢以及背部機(jī)構(gòu)，主要進(jìn)行后勤補(bǔ)給,可以完成搬運(yùn)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(yùn)的負(fù)載約16000磅左右。穿戴“XOS”之后，單兵可以輕松完成這些負(fù)載搬運(yùn)工作且其完成的工作量與三個(gè)士兵相當(dāng)。另一種是戰(zhàn)斗型的外骨骼機(jī)器人，包括下肢及背部機(jī)構(gòu)，主要為單兵作戰(zhàn)時(shí)使用，用來(lái)協(xié)助單兵行軍并承載背部負(fù)載。
“XOS”系列外骨骼機(jī)器人的控制策略為利用傳感器檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)，通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)判斷人體下一個(gè)動(dòng)作，然后再?zèng)Q定施加在外骨骼需要的力，再通過(guò)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(guò)采用結(jié)構(gòu)傳感器、傳動(dòng)器和控制器，可對(duì)使用者的行動(dòng)做出響應(yīng)，無(wú)需使用操縱桿進(jìn)行控制。
加州大學(xué)伯克利分校在H.Kazerooni教授及其團(tuán)隊(duì)的努力下，也成功研制出了伯克利下肢外骨骼機(jī)器人（Berkeley Lower Extremity Exoskeleton 簡(jiǎn)稱(chēng)BLEEX）,如圖1.4所示。BLEEX下肢外骨骼采用擬人化設(shè)計(jì)思想，它由兩條擬人化的金屬仿生腿、
圖1.4 BLEEX
液壓驅(qū)動(dòng)單元、能源動(dòng)力裝置、控制裝置以及一個(gè)背包組成。BLEEX通過(guò)自身的支撐，可以承受絕大部分的負(fù)載，減輕人體的負(fù)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(gè)傳感器元件和8個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)器。其控制策略選用的是基于虛擬力矩的方法。通過(guò)利用外骨骼機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程來(lái)控制液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[7]。通過(guò)布置在其特定位置的傳感器感知裝置的當(dāng)前運(yùn)動(dòng)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(gè)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，穿戴BLEEX后，人體可以在負(fù)載重量75kg的情況下以0.9m/s的速度行進(jìn)，在無(wú)負(fù)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(fù)31.5kg的重物行走時(shí)，實(shí)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(jìn)行改進(jìn)，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(jī)器人具有更加簡(jiǎn)潔的機(jī)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?。↙ockheed Martin）公司聯(lián)合研制的一款外骨骼機(jī)器人，如圖1.5所示。在穿戴HULC并且負(fù)重的情況下，單兵可在水平地面以4千米/小時(shí)的速度行進(jìn)20千米，持續(xù)最大速度為11千米/小時(shí)，爆發(fā)時(shí)最大速度
圖1.5 HULC
為16千米/小時(shí)。HULC也采用了擬人形設(shè)計(jì)，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(jìn)行下蹲、匍伏以及上肢舉重。HULC系統(tǒng)不帶電池時(shí)重24公斤，可以攜帶91公斤的負(fù)載。其總體高度可以進(jìn)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(guò)系統(tǒng)內(nèi)裝的微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，無(wú)需外部控制機(jī)制。HULC可通過(guò)這種微型計(jì)算機(jī)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(jì)時(shí)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(shí)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(guò)封閉空間內(nèi)的柔性、可延伸單板微電子系統(tǒng)進(jìn)行支持。驅(qū)動(dòng)裝置可吸收微型計(jì)算機(jī)和其它電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量，無(wú)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(duì)HULC進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，包括生物機(jī)械試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)負(fù)重試驗(yàn)以及環(huán)境試驗(yàn)等。此外還通過(guò)沙塵、吹風(fēng)、淋雨、溫度、濕度等對(duì)系統(tǒng)的可維護(hù)性進(jìn)行了一系列測(cè)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(shí)間比較短。在之后的設(shè)計(jì)中，整個(gè)外骨骼系統(tǒng)以節(jié)能省電為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保在電池電量低的情況下可以承受很大負(fù)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(kāi)始研制供HULC專(zhuān)門(mén)使用的燃料電池供電系統(tǒng)，計(jì)劃將其單次供電時(shí)間增加到72小時(shí)。配備了可充電電池的HULC使士兵在長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行任務(wù)時(shí)攜帶的電池?cái)?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(jī)器人研究方面同樣成就斐然。伯克利分校仿生實(shí)驗(yàn)室在H.Kazerooni教授的帶領(lǐng)下設(shè)計(jì)了一款適合下肢癱瘓或者需要進(jìn)行步態(tài)矯正患者使用的外骨骼機(jī)器人——eLEGS（如圖1.6所示）。eLEGS是以HULC外骨骼系統(tǒng)為原型，進(jìn)行設(shè)計(jì)改造的。他們將HULC下肢外骨骼進(jìn)行了相應(yīng)改造設(shè)計(jì)，從而使eLEGS外骨骼穿戴使用更加方便。它由一個(gè)機(jī)械框架和拐杖組成，拐杖中有傳感器可以對(duì)機(jī)械框架進(jìn)行控制。當(dāng)拐杖中的傳感器感知到穿戴者向前移動(dòng)右拐杖時(shí)，eLEGS左腿隨之向前移動(dòng)，以此來(lái)協(xié)助患者完成行走等基本動(dòng)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(guò)6小時(shí)。
圖1.6 eLEGS
日本在機(jī)器人研制方面具有強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)他們對(duì)外骨骼機(jī)器人也進(jìn)行了很多研究。日本神奈川工科大學(xué)K.Yamamoto教授研制的“動(dòng)力輔助服”P(pán)AS（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(kāi)始設(shè)計(jì)可穿戴式助力服，在1991年完成了手臂設(shè)計(jì)，1994年開(kāi)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(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。PAS是專(zhuān)門(mén)為醫(yī)院護(hù)士研制的，用來(lái)幫助他們照料無(wú)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(lái)分析穿戴者當(dāng)前的狀態(tài)，進(jìn)而控制氣壓傳動(dòng)裝置來(lái)增加人的力量。每個(gè)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(kāi)發(fā)的直流驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。而執(zhí)行器是由鎳鎘電池驅(qū)動(dòng)的微型空氣泵來(lái)驅(qū)動(dòng)的。它的控制單元安裝在背部，與電池進(jìn)行連接。PAS由鋁合金制作而成，整個(gè)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(lèi)似于“XOS”的全身外骨骼機(jī)器人。筑波大學(xué)的山海嘉之教授研制的混合負(fù)重肢體外骨骼機(jī)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(kāi)始量產(chǎn)，年產(chǎn)量五百套左右。穿戴HAL時(shí)，HAL被綁在使用者身上，但是人體不會(huì)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(dòng)馬達(dá)，這些馬達(dá)可以充當(dāng)外骨骼服的肌肉，為穿戴者的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力支持。HAL主要采用航空飛機(jī)機(jī)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(fù)重能力。
HAL傳感器主要分為三部分，能夠檢測(cè)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(cè)穿戴者在行走過(guò)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(shí)，大腦會(huì)向相應(yīng)肌肉發(fā)電脈沖，當(dāng)電脈沖沿著肌肉纖維運(yùn)動(dòng)時(shí)相應(yīng)的肌膚表面就會(huì)產(chǎn)生微弱的生物電信號(hào)。當(dāng)生物電流感應(yīng)器感應(yīng)到這些電信號(hào)后，就可以通過(guò)控制器判斷人體的運(yùn)動(dòng)意圖。因此，HAL-5采用了兩種不同的控制策略。第一種類(lèi)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(jī)檢測(cè)微弱的生物電流來(lái)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(dòng)作特點(diǎn)，比如如果某條腿比較無(wú)力，HAL就會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)更加密切的配合使用者[5]。
圖1.9 Lokomat
另外，韓國(guó)、新加坡、瑞士、德國(guó)、法國(guó)等國(guó)家也在進(jìn)行外骨骼機(jī)器人研究。韓國(guó)西江大學(xué)研制的外骨骼機(jī)器人EXPOS，主要用來(lái)幫助行走不方便的老人，增加他們的活動(dòng)能力以及運(yùn)動(dòng)范圍。新加坡南洋理工大學(xué)Low Kin-Huat教授也在研究和開(kāi)發(fā)一種可以增強(qiáng)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(guó)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(dòng)醫(yī)療康復(fù)下肢外骨骼機(jī)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(shí)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(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)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(gè)自由度，分別有驅(qū)動(dòng)器控制直流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)傳感器測(cè)量關(guān)節(jié)角度、電機(jī)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(yùn)動(dòng)。如圖所示， Lokomat系統(tǒng)通過(guò)平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)與下面的跑步機(jī)以及懸掛系統(tǒng)相連接，整個(gè)系統(tǒng)十分穩(wěn)固。
1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
目前國(guó)內(nèi)許多大學(xué)以及研究機(jī)構(gòu)都在從事外骨骼機(jī)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(guó)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(jī)器人以及步態(tài)修復(fù)型外骨骼機(jī)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(jī)器人，如圖1.10所示，并且ELEBOT機(jī)械結(jié)構(gòu)平臺(tái)已經(jīng)搭建完成，控制系統(tǒng)以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也已搭建完成。通過(guò)相關(guān)調(diào)試和測(cè)試，ELEBOT型下肢外骨骼機(jī)器人具有一定的負(fù)重助力功能。
ELEBOT包括兩條仿生金屬腿、腳底以及背部機(jī)構(gòu)三部分。髖關(guān)節(jié)處有三個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)有一個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)處有兩個(gè)自由度。驅(qū)動(dòng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，但是每條腿只有膝關(guān)節(jié)處采用了一個(gè)液壓缸來(lái)支撐，在髖關(guān)節(jié)處采用了一個(gè)氣動(dòng)彈簧反力矩裝置來(lái)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(shí)，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(wú)法向后伸展。當(dāng)下肢向后伸展時(shí)，氣彈簧的反力矩機(jī)構(gòu)阻止了外骨骼下肢的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)向后運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)將腰部向上頂起，從而將將負(fù)載和背架支撐起來(lái)，從而使人在雙腿支撐站立狀態(tài)時(shí)，減小了負(fù)載對(duì)人產(chǎn)生的作用力，使人穿戴起來(lái)更舒適[10]。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的外骨骼機(jī)器人主用于下肢康復(fù)性訓(xùn)練，屬于主動(dòng)的下肢康復(fù)醫(yī)療裝置。嚴(yán)格意義上講，它不屬于外骨骼的范疇。它主要是通過(guò)模擬正常人行走的步態(tài)和踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)帶動(dòng)患者按照正常步態(tài)行走，同時(shí)依靠裝置的重心控制系統(tǒng)來(lái)模擬控制正常人行走時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。該裝置主要采用的是被動(dòng)的控制策略，帶動(dòng)患者進(jìn)行被動(dòng)的步態(tài)訓(xùn)練最終達(dá)到康復(fù)的目的。
浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也一直從事下肢外骨骼機(jī)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(jī)器人原型
并且分別在2005和2009年成功研制出氣動(dòng)下肢步行柔性外骨骼系統(tǒng)和腦中風(fēng)患者下肢運(yùn)動(dòng)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(gè)自由度，每個(gè)關(guān)節(jié)由液壓線性執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)，它可以根據(jù)患者的病情進(jìn)行調(diào)節(jié)，帶動(dòng)患者進(jìn)行主動(dòng)、半主動(dòng)、被動(dòng)等多種康復(fù)訓(xùn)練[1]。
自2004年起，中科院合肥智能所機(jī)器人傳感實(shí)驗(yàn)室致力于開(kāi)展可穿戴智能助力機(jī)器人的研究。采用理論研究、仿真分析、模型試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)可穿戴步行助力機(jī)器人的構(gòu)型、感知和控制方法等進(jìn)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(jī)器人原型樣機(jī)，可為使用者提供額外動(dòng)力，幫助使用者增強(qiáng)其下肢運(yùn)動(dòng)能力，其原型機(jī)如圖1.13。
1.3 本文研究?jī)?nèi)容
外骨骼機(jī)器人技術(shù)是一項(xiàng)高度集成的高科技技術(shù)，它的實(shí)現(xiàn)和突破離不開(kāi)能源技術(shù)、材料技術(shù)、加工技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及控制技術(shù)的支撐和推動(dòng)。盡管目前國(guó)內(nèi)下肢外骨骼技術(shù)研究取得了很大進(jìn)步，但是距離實(shí)用階段和市場(chǎng)推廣階段仍然有很長(zhǎng)的路要走。本文旨在設(shè)計(jì)一款方便穿戴，與人體有良好適應(yīng)性的下肢外骨骼機(jī)器人。因此，本文主要圍繞下肢外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析展開(kāi)工作。具體工作如下：
1、采用proe建立下肢健身外骨骼機(jī)器人模型；
1)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)；
2)大腿、小腿長(zhǎng)度調(diào)整機(jī)構(gòu)；
3)彈簧選擇；
2、采用有限元分析軟件進(jìn)行強(qiáng)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(jì)
2.1 人體下肢解剖學(xué)概述
下肢外骨骼機(jī)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(shì)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(shì)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(gè)平面，而三個(gè)平面兩兩相交線又有三個(gè)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(gè)部分的縱切面，此縱切面與地平面垂直。此外，經(jīng)過(guò)人體正中的矢狀面為正中面，它將人體分為左右對(duì)稱(chēng)相等的兩個(gè)部分。冠狀面又稱(chēng)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(chēng)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(gè)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(chēng)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(yùn)動(dòng)形式與人體基本平面內(nèi)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)形式也有密切關(guān)系。人體運(yùn)動(dòng)主要來(lái)自于關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)形式和范圍也相應(yīng)決定了人體對(duì)應(yīng)部位的運(yùn)動(dòng)形式和范圍。人體下肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)主要為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，包括屈伸、外展內(nèi)收、旋內(nèi)旋外等方式。
屈伸運(yùn)動(dòng)是指在矢狀面內(nèi)，運(yùn)動(dòng)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(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，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(yùn)動(dòng)。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(shí)為膝關(guān)節(jié)的屈，反之為伸。在足部，足上抬，向小腿靠近時(shí)為踝關(guān)節(jié)的伸，又稱(chēng)作背屈；足尖下垂稱(chēng)作踝關(guān)節(jié)的屈，又稱(chēng)作跖屈。外展內(nèi)收運(yùn)動(dòng)是指運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)在額狀面內(nèi)繞矢狀軸運(yùn)動(dòng)，接近正中面的為內(nèi)收，遠(yuǎn)離正中面的為外展。旋內(nèi)旋外運(yùn)動(dòng)是運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，由后往前旋轉(zhuǎn)為旋外運(yùn)動(dòng)。如圖2.2所示。
圖2.2 人體下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)形式
2.2 下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)機(jī)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(yùn)動(dòng)，都是下肢各個(gè)關(guān)節(jié)之間相互運(yùn)動(dòng)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?chē)泻芏囗g帶來(lái)限制髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍。髂股韌帶，呈人字形，長(zhǎng)而堅(jiān)韌，主要限制大腿過(guò)度后擺，對(duì)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(guò)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(yùn)動(dòng)。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(gè)軸的運(yùn)動(dòng)受到一定限制[11]。
綜上所述，髖關(guān)節(jié)具有三個(gè)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?chē)g帶多而強(qiáng)，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(yùn)動(dòng)范圍很小，在伸直時(shí)，韌帶拉得更緊，不能做任何旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。所以通常情況下，一般認(rèn)為膝關(guān)節(jié)僅具有屈伸自由度，可以將其看做一個(gè)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(gè)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(gè)髁狀關(guān)節(jié)，如圖2.6所示。踝關(guān)節(jié)只有一個(gè)主要的運(yùn)動(dòng)軸，繞額狀軸可做屈足背、屈跖等動(dòng)作。同時(shí)，由于距骨的髁狀關(guān)節(jié)面前寬后窄，當(dāng)足屈時(shí)，髁狀關(guān)節(jié)面較窄的部分未能填滿(mǎn)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(yùn)動(dòng)。此外，踝關(guān)節(jié)還可以做小幅度內(nèi)收外展動(dòng)作[11]。
因此，通常情況下，認(rèn)為踝關(guān)節(jié)具有屈足背、屈跖以及外翻和內(nèi)翻兩個(gè)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(jiàn)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(wú)
外翻和內(nèi)翻
橫截面
旋內(nèi)旋外
無(wú)
無(wú)
接下來(lái)對(duì)人體下肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度作一下定義：
圖2.7 關(guān)節(jié)角度定義
首先對(duì)人體下肢關(guān)節(jié)角度以及轉(zhuǎn)矩的正負(fù)以及數(shù)值大小確定做如下說(shuō)明。當(dāng)人體雙腳水平站立時(shí)，各關(guān)節(jié)角度為0。行走時(shí)，關(guān)節(jié)角度方向從主動(dòng)近端關(guān)節(jié)到被動(dòng)遠(yuǎn)
端關(guān)節(jié)逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎嵌却笮橹鲃?dòng)近端關(guān)節(jié)與被動(dòng)遠(yuǎn)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(jì)
在完成對(duì)人體下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究之后，開(kāi)始進(jìn)行下肢健身外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。下肢健身外骨骼與穿戴者組成一個(gè)人機(jī)耦合系統(tǒng)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮如下因素：首先，下肢健身外骨骼在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮人機(jī)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(jī)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(jì)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(mǎn)足人體下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)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(jì)時(shí)，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(jì)。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(jiān)固耐用等特點(diǎn)。這就需要從材料選擇、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面加以保證。最后，也是最重要的一點(diǎn)，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(huì)對(duì)人體造成傷害。這就要從可靠性以及控制等方面進(jìn)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(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì)
以往外骨骼機(jī)器人的設(shè)計(jì)大致分為兩類(lèi)，一類(lèi)是非擬人化設(shè)計(jì)如Hardiman，另一類(lèi)為擬人化設(shè)計(jì)，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(diǎn)。
圖2.8 外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖
非擬人化設(shè)計(jì)是比較常見(jiàn)的，它在設(shè)計(jì)時(shí)不以人體為基礎(chǔ)，與人非同構(gòu)性，不反映人體運(yùn)動(dòng)特征，只考慮如何實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的，如自行車(chē)的設(shè)計(jì)。外骨骼機(jī)器人如果采用非擬人化設(shè)計(jì)的話，結(jié)構(gòu)會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)單，只需保證與人體不產(chǎn)生干涉就可以。由此帶來(lái)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(shí)可能會(huì)強(qiáng)制人體做出不需要的動(dòng)作，從而對(duì)人體造成傷害；不能很好的跟隨人體一起運(yùn)動(dòng)，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙。
擬人化設(shè)計(jì)也分為兩種：完全擬人化設(shè)計(jì)、半擬人化設(shè)計(jì)。完全擬人化設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)與人體結(jié)構(gòu)完全相同；半擬人化設(shè)計(jì)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(jì)。當(dāng)我們采用半擬人化設(shè)計(jì)時(shí)，外骨骼機(jī)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(mǎn)足人體下肢各關(guān)節(jié)各自由度運(yùn)動(dòng)范圍?；跀M人化設(shè)計(jì)的外骨骼系統(tǒng)，系統(tǒng)空間體積相對(duì)較小，能夠很好地跟隨人體運(yùn)動(dòng)；不容易與人體產(chǎn)生干涉；控制相對(duì)簡(jiǎn)單。
基于兩種方法優(yōu)缺點(diǎn)的綜合考慮，我們選擇擬人化設(shè)計(jì),系統(tǒng)三維模型如圖2.8所示。
2.3.2 外骨骼機(jī)器人各關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)
采用擬人化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)，包括背部機(jī)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(lèi)似，具體設(shè)計(jì)如下。
通過(guò)上述分析，我們可知髖關(guān)節(jié)為球窩關(guān)節(jié)，具有三個(gè)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(jī)械設(shè)計(jì)方面考慮，我們完全可以設(shè)計(jì)出類(lèi)似的球窩關(guān)節(jié)，但是考慮到關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，目前對(duì)球窩關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)還是比較困難的。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，我們做了如下變通，在結(jié)構(gòu)方面沒(méi)有模仿人體髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，而是在功能上進(jìn)行模仿即設(shè)計(jì)的外骨骼髖關(guān)節(jié)具有上述二個(gè)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(jì)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(shí)現(xiàn)
圖2.9（a） 外骨骼機(jī)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(dòng)角度為-40°-40°，可以外加機(jī)械限位機(jī)構(gòu)進(jìn)行限位用來(lái)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(jì)時(shí)綜合考慮了大腿長(zhǎng)度調(diào)整方式。內(nèi)套筒與大腿桿利用大腿桿上夾緊機(jī)構(gòu)夾緊，可進(jìn)行高度調(diào)整。轉(zhuǎn)動(dòng)件相對(duì)于大腿桿與內(nèi)套筒可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)旋內(nèi)旋外自由度設(shè)計(jì)。
人體膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)也是很復(fù)雜的，其主要運(yùn)動(dòng)為矢狀面內(nèi)屈伸運(yùn)動(dòng)，除此之外還可以做小幅度轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，我們可以認(rèn)為膝關(guān)節(jié)只有屈伸自由度，是一個(gè)鉸關(guān)節(jié)。所以，在機(jī)械設(shè)計(jì)方面，我們可以用一個(gè)鉸接轉(zhuǎn)動(dòng)副來(lái)代替膝關(guān)節(jié)。
圖2.10 外骨骼機(jī)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(jì)的外骨骼膝關(guān)節(jié)如圖2.10所示。在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到人體膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍為0~-65°，因此在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，必須對(duì)膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍加以限制，否則可能因?yàn)楣收蠈?duì)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(jìn)行外骨骼踝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)非常困難。因此，我們同樣只在功能上進(jìn)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(gè)自由度。由于其內(nèi)收外展范圍比較小，而且可以通過(guò)髖關(guān)節(jié)的內(nèi)收外展來(lái)間接實(shí)現(xiàn)。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，外骨骼踝關(guān)節(jié)只要滿(mǎn)足剩余兩個(gè)即可。
根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)屈足背、屈跖、外翻和內(nèi)翻兩個(gè)自由度。其關(guān)節(jié)屈伸自由度轉(zhuǎn)動(dòng)角度為
-40°~40°。
除了上述三個(gè)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(shí)，腳底并不是一個(gè)平面，而是隨著腳的起落，腳底面是會(huì)有屈曲。在設(shè)計(jì)時(shí)，外骨骼足部選用可變形的橡膠，與鞋子類(lèi)似，能夠跟隨人體足部完成屈曲動(dòng)作。
圖2.12 人體各部分與身高比例
2.3.3 外骨骼機(jī)器人其余部件設(shè)計(jì)
外骨骼機(jī)器人要具有良好的適應(yīng)性，因此其大腿、小腿以及髖部長(zhǎng)度都是可以調(diào)整的。本文設(shè)計(jì)的外骨骼機(jī)器人也充分考慮到這一要求，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)參考了中國(guó)成年人人體尺寸國(guó)標(biāo)（GB/T 10000-88）。它提供了七個(gè)類(lèi)別共計(jì)47項(xiàng)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(shí)施，尺寸偏小。因此在設(shè)計(jì)時(shí)還參考了美國(guó)弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)測(cè)繪的人體各個(gè)部分相對(duì)于人體比例，如圖2.12所示。
本文設(shè)計(jì)的外骨骼系統(tǒng)適于165cm~185cm成年人使用。按照?qǐng)D2.12所示人體各個(gè)部位相對(duì)于身高比例，我們可以大致計(jì)算出外骨骼系統(tǒng)各個(gè)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(jì)時(shí)，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(jì)高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)復(fù)雜度。
人體小腿的長(zhǎng)度范圍為405.9mm~455.1mm，可調(diào)整高度大約為50mm。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們將小腿長(zhǎng)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(zhǎng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)
圖中小腿桿為薄壁硬鋁合金圓筒，長(zhǎng)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(zhǎng)度范圍為404.25mm~453.25mm，長(zhǎng)度調(diào)整范圍為49mm。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們將外骨骼大腿長(zhǎng)度定為404mm~454mm，長(zhǎng)度調(diào)整范圍為50mm。本文設(shè)計(jì)的大腿長(zhǎng)度調(diào)整機(jī)構(gòu)如圖2.14所示。
圖2.14 外骨骼大腿長(zhǎng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)
圖中大腿桿以及長(zhǎng)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(zhǎng)度范圍為315.15mm~353.35mm，長(zhǎng)度調(diào)整范圍為38.2mm。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們將腰部長(zhǎng)度定為315mm~355mm，長(zhǎng)度調(diào)整范圍為40mm。本文設(shè)計(jì)的腰部調(diào)整機(jī)構(gòu)如圖2.15所示。
圖2.15 外骨骼腰部長(zhǎng)度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)
腰部結(jié)構(gòu)在實(shí)際設(shè)計(jì)中考慮到人體身高以及胖瘦不同，在兩個(gè)方向都可以進(jìn)行長(zhǎng)度調(diào)節(jié)，以適應(yīng)更廣泛的群體能夠穿戴外骨骼機(jī)器人。
之后便是外骨骼足部的設(shè)計(jì)。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(yùn)動(dòng)的。足部必須有一個(gè)自由度即腳趾跖趾關(guān)節(jié)屈曲自由度。因此，在設(shè)計(jì)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(jì)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(zhǎng)度在965-1085mm范圍內(nèi)是可以進(jìn)行調(diào)節(jié)的，符合設(shè)計(jì)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(fù)載范圍為-75N-+75N。因此參考機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，選擇偏心圓鉤類(lèi)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(zhǎng)度：100mm；
彈簧最大拉伸長(zhǎng)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(mǎn)足-75N-+75N的調(diào)節(jié)范圍和要求。
2.4 本章小結(jié)
（1）對(duì)人體下肢解剖學(xué)及下肢關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究分析，得到了人體下肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)特征及其自由度情況。
（2）采用擬人化設(shè)計(jì)方法，利用Proe設(shè)計(jì)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(mǎn)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(jìn)行運(yùn)動(dòng)。因此，必須要保證穿戴者的人身安全。本文除了在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中采用相應(yīng)的機(jī)械限位方式，保證穿戴者的安全之外，還必須通過(guò)工程計(jì)算分析，保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形范圍在可以接受的范圍之內(nèi)，且不至于過(guò)大，防止對(duì)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(duì)下肢健身外骨骼的重要零部件進(jìn)行強(qiáng)度分析校核，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)。
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(jìn)行重要零部件的強(qiáng)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(duì)進(jìn)行小腿外桿進(jìn)行有限元分析。
小腿外桿受力最大處在兩個(gè)極限位置，即人體完全站立時(shí)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(shí)，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(jī)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(qiáng)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(duì)進(jìn)行大腿外桿進(jìn)行有限元分析。
大腿外桿受力最大處也在兩個(gè)極限位置，即人體完全站立時(shí)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(shí)，大腿外桿的受力情況。
圖3.3 模型簡(jiǎn)化
在分析之前，為了方便網(wǎng)格劃分，需要對(duì)其模型進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)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(qiáng)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(guò)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(mǎn)足使用要求。
3.3 本章小結(jié)
本章利用有限元分析軟件對(duì)下肢健身外骨骼進(jìn)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(mǎn)足使用要求。
4 基于ADAMS的外骨骼虛擬樣機(jī)模型及仿真
4.1 利用ADAMS對(duì)外骨骼的模型進(jìn)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(duì)于復(fù)雜的機(jī)械模型, 一般采用的方法利用其它專(zhuān)業(yè)的CAD軟件建立模型, 然后通過(guò)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(jìn)行仿真。具體仿真過(guò)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(guò)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(dòng), 最后設(shè)置環(huán)境接觸。
3)設(shè)置仿真參數(shù), 仿真完畢進(jìn)入后處理模塊分析。外骨骼長(zhǎng)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(zhǎng)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(yùn)動(dòng)。根據(jù)外骨骼足部與地面的關(guān)系, 外骨骼行走過(guò)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(dòng)方式不同, 采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式, 利用髖、膝和踝關(guān)節(jié)安裝的力矩電機(jī)為關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)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(gè)足底腳尖和腳跟分別安裝傳感器測(cè)量足底壓力。
5 結(jié)論
圖4.1
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