畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-助力式下肢外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、 助力式下肢外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 作 者 姓 名： 指 導(dǎo) 教 師： 單 位 名 稱： 專 業(yè) 名 稱： Structural design and analysis of the lower limb exoskeleton robot 設(shè)計(jì)任務(wù)書 設(shè)計(jì)題目： 助力式下肢外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 基本內(nèi)容： 1. 針對設(shè)計(jì)內(nèi)容，查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)30篇以

2、上，其中外文文獻(xiàn)不少于30%； 2. 設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：機(jī)器人整體外形設(shè)計(jì)；各機(jī)構(gòu)的連接固定；減速器和電機(jī)的選用及計(jì)算； 3. 用繪圖軟件SolidWorks繪制三維模型，用CAXA繪制裝配圖、部裝圖和零件圖合A0圖紙4張以上，要求設(shè)計(jì)的內(nèi)容合理，圖紙規(guī)范； 4. 翻譯1篇與設(shè)計(jì)課題相關(guān)的英文文獻(xiàn)； 5. 撰寫設(shè)計(jì)說明書1份。 設(shè)計(jì)專題部分： 題目：　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 基本內(nèi)容： 學(xué)生接受設(shè)計(jì)題目日期 　　　　　　　　　　　　　第　1　周 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 ii

3、 摘要 摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，下肢外骨骼機(jī)器人作為一種典型的人機(jī)一體化助力裝置，在軍事領(lǐng)域和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了越來越多的重視，是智能機(jī)器人的又一重大突破。該研究融合了機(jī)器人學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、人機(jī)工程、控制理論以及福祉工程學(xué)等學(xué)科。外骨骼通過提取人的運(yùn)動信息控制機(jī)器腿，通過機(jī)器腿來完成依靠人的自身能力無法完成的負(fù)重、遠(yuǎn)行等任務(wù)。此外，下肢外骨骼機(jī)器人也可以用來檢測人體的運(yùn)動信息，通過深度學(xué)習(xí)輔助殘患人士行走，以達(dá)到康復(fù)治療的目的。 本文查閱了國內(nèi)外相關(guān)研究的文獻(xiàn)資料，了解了國內(nèi)、外相關(guān)研究的背景、研究進(jìn)展和未來的總體發(fā)展方向，總結(jié)了人體下肢骨骼模型和下肢骨骼的運(yùn)動機(jī)構(gòu)特征、步行運(yùn)動

4、的序列、步行過程中的關(guān)節(jié)功能等，建立了下肢外骨骼三維模型，并對外骨骼的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)等重點(diǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。外骨骼機(jī)器人在運(yùn)動過程中需要與人體正常運(yùn)動保持高度的一致性，因此考慮穿戴者的舒適性以及人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)了各關(guān)節(jié)的自由度以及桿長可調(diào)機(jī)制。通過介紹不同驅(qū)動方式的優(yōu)缺點(diǎn)最終確定電機(jī)以及減速器方案并通過分析所得驅(qū)動力矩和功率完成電機(jī)以及減速器的選型。為適應(yīng)不同的路況，在足底設(shè)計(jì)了緩沖避震裝置，以保證穿戴者在行走過程中的舒適性和平穩(wěn)性。 關(guān)鍵詞：下肢外骨骼；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；步態(tài)規(guī)劃；緩沖避震 iii Abstract Abstract With

5、the continuous development of science and technology, lower extremity exoskeleton robot as a typical man-machine integrated power plant, in the biomedical and military fields have been more and more attention, is a major breakthrough in intelligent robots.The study incorporates disciplines such as m

6、echanics, ergonomics, robotics, control theory, and welfare engineering. This kind of exoskeleton relies on human motion information to control the robot, through the robot to complete the ability to rely on their own can not be done alone load, travel and other tasks. In addition, exoskeleton robot

7、s can also be used to detect the movement information of the body, through the depth of learning to assist disabled people walking to achieve the purpose of rehabilitation. This paper reviews the literatures of relevant research at home and abroad, investigates the background, research progress and

8、 future development of domestic and foreign research. It summarizes the characteristics of the movement of the lower limb and the movement of the lower limb, the sequence of walking, The joint function of the process, the establishment of the lower limb skeleton three-dimensional model, and the exos

9、keleton of the hip, knee and ankle joint structure such as the focus of the design. The skeletal robots need to maintain a high degree of consistency with the normal movement of the human body during exercise. Therefore, considering the comfort of the wearer and the interpersonal engineering, the fr

10、eedom of each joint and the mechanism of adjusting the length of the joints are designed. Through the introduction of the advantages and disadvantages of different drive methods to determine the final motor and reducer program and through the analysis of the drive torque and power to complete the mo

11、tor and reducer selection. In order to adapt to different road conditions, in the foot of the design of the cushioning device to ensure that the wearer in the process of walking comfort and stability. Key words：Lower extremity exoskeleton；Structural design；Gait planning；Buffer shoc iv 目錄

12、目錄 設(shè)計(jì)任務(wù)書 i 摘 要 i Abstract i 第1章 緒論 1 1.1選題背景與研究意義 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài) 2 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài) 2 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài) 4 1.3 本課題的提出及論文結(jié)構(gòu) 5 1.3.1 主要內(nèi)容 5 1.3.2 論文結(jié)構(gòu) 6 第2章 人體下肢運(yùn)動機(jī)理分析 7 2.1 人體下肢解剖學(xué)概述 7 2.1.1 名詞術(shù)語解釋 7 2.1.2 下肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動特點(diǎn)分析 8 2.1.3 步態(tài)周期時相分析 11 2.2 負(fù)重行走對步態(tài)的影響 11 2.3 下肢外骨骼設(shè)計(jì)要求 12 第3章

13、 外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維建模 13 3.1 零件的三維模型 15 3.2 下肢外骨骼裝配 18 3.3 各個關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 20 3.3.1 髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 20 v 3.3.2 膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 21 3.3.3 踝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 22 3.3.4 限位裝置設(shè)計(jì) 24 3.4 腿桿設(shè)計(jì) 24 3.5 背部承物架設(shè)計(jì) 25 3.6 緩沖足底設(shè)計(jì) 26 3.6.1 概述 26 3.6.2 緩沖足底三維模型 27 3.6.3 腳跟設(shè)計(jì) 28 3.6.4 腳趾設(shè)計(jì) 29 3.7 外骨骼三維模型 30 第4章 減速器和電機(jī)的選擇 31 4.1 驅(qū)動系統(tǒng)的確定 31 4.2 驅(qū)動電

14、機(jī)、減速器的選擇計(jì)算 32 第5章 關(guān)鍵零部件的計(jì)算與校核 35 5.1 直齒圓錐齒輪的計(jì)算與校核 35 5.2 軸的計(jì)算與校核 38 5.3 軸承的校核 40 5.4 腿桿的校核 42 第6章 環(huán)保與經(jīng)濟(jì)性分析 45 第7章 總結(jié)與展望 46 7.1 總結(jié) 46 7.2 展望 46 參考文獻(xiàn) 47 vi 結(jié)束語 49 vii 第1章 緒論 第1章 緒論 1.1選題背景與研究意義 下肢骨骼是一種能夠?qū)ι?/p>

15、物柔軟器官提供進(jìn)行構(gòu)型、建筑和保護(hù)的外部框架結(jié)構(gòu)。下肢外骨骼機(jī)器人是一種可穿戴的仿生機(jī)器人，即穿戴在人身體外部的一種機(jī)械結(jié)構(gòu)，它可以為穿戴者提供支撐、保護(hù)和運(yùn)動增強(qiáng)的能力。傳統(tǒng)輪式交通工具是目前機(jī)器負(fù)重和遠(yuǎn)行的主要方式，而且其對路面環(huán)境要求較高。在很多領(lǐng)域無法成功完成預(yù)定目標(biāo)，例如在軍事行動、科學(xué)考察、消防營救等領(lǐng)域[1]。隨著研究的深入開展，人們發(fā)現(xiàn)受現(xiàn)有控制方法和環(huán)境感知的限制，類人型機(jī)器人有著嚴(yán)重的缺陷，包括決策和與人體的高度結(jié)合的能力[2]。因而將人的智慧與機(jī)器所具備的強(qiáng)大機(jī)械能量結(jié)合起來，組合成為一個封閉體，將會帶來前所未有的變化，而外骨骼機(jī)器人正是這樣一種綜合體[3]。研發(fā)助力式外

16、骨骼機(jī)器人為穿戴者提供強(qiáng)大的力量和耐力來加強(qiáng)長距離行走和負(fù)重能力，從而完成一些特殊任務(wù)。助力式下肢外骨骼機(jī)器人由于其自身的商業(yè)和軍事應(yīng)用價值，近年來已成為國內(nèi)外科學(xué)工作者的一個重點(diǎn)研究領(lǐng)域。 在軍事上，單兵裝備越來越先進(jìn)，隨之產(chǎn)生的問題就是裝備體積和負(fù)重的增加。通過穿戴外骨骼，士兵的裝備負(fù)重可以經(jīng)過下肢外骨骼結(jié)構(gòu)直接傳遞給地面，這讓士兵背負(fù)重物靈活行走成為現(xiàn)實(shí)。通過穿戴下肢外骨骼，士兵可毫不費(fèi)力的完成裝填炮彈、運(yùn)送傷員和長距離奔襲等緊急任務(wù)，在這過程中基本不會消耗士兵體能，從而使士兵的戰(zhàn)斗力大量增加，真正成為戰(zhàn)場上斃敵制勝的核心力量。此外，隨著社會發(fā)展，我國已經(jīng)成為世界上老年人口最多的國家。

17、據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計(jì)，到本世紀(jì)中期我國超過60歲的人口有近5億，隨著年齡增長，老年人各種生理功能衰退和交通事故不斷增加，中風(fēng)、偏癱、截癱等患者也不斷增加，致使這類人群下肢運(yùn)動功能出現(xiàn)障礙，生活質(zhì)量急劇下降，使家庭和社會的負(fù)擔(dān)越來越重。此時如果有下肢外骨骼機(jī)器人的輔助，幫助此類人群行走、上下樓梯和適當(dāng)負(fù)重等，其一方面可以提高老年人的生活質(zhì)量。另一方面可減少護(hù)理人員很大一部分工作量，從而緩解社會勞動力不足的壓力。 因此本文設(shè)計(jì)的是一種可穿戴的助力式下肢外骨骼仿生機(jī)械腿，它可以把人體下肢和機(jī)械腿有機(jī)的結(jié)合起來，以人為中心，根據(jù)穿戴者的意愿來控制機(jī)器的行走，同時提高穿戴者搬運(yùn)重物和行走的能力。本文設(shè)計(jì)的外骨

18、骼，可以根據(jù)使用者自身的身體情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài) 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài) 下肢外骨骼機(jī)器人在歐美和日本等發(fā)達(dá)國家得到了醫(yī)療機(jī)構(gòu)和科研工作者的高度重視，如： 2002年，日本筑波大學(xué)Cybemics實(shí)驗(yàn)室成功研制了HAL（Hybrid Assistive Limb）外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)，HAL是一種混合輔助下肢體系列的可穿戴型外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)，如圖1.1所示。HAL由腿部、背包、電池、一系列的傳感器和可攜帶的計(jì)算機(jī)共同組成。這種裝置可以讓穿戴者以1.1m/s的速度行走，它集合了多種信號傳感器包括肌電信號傳感器、角度傳感器、地面接觸力傳感器等。HAL可以

19、通過收集腿部肌肉的肌電信號來判斷穿戴者將要發(fā)生的運(yùn)動。然后便攜計(jì)算機(jī)組對驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出指令使驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動。此后筑波大學(xué)又相繼研制成功了各種HAL系列機(jī)器人。HAL-3可以輔助穿戴者完成生活中的基本動作，例如行走、爬坡等。2004年世界博覽會上筑波大學(xué)展出了HAL-4和HAL-5系列機(jī)器人，這些外骨骼機(jī)器人不僅能幫助穿戴者行走，而且機(jī)構(gòu)的上半部分還可輔助穿戴者的手臂完成簡單動作。HAL-5幾乎可以幫助穿戴者完成生活中的一切活動。HAL-3的質(zhì)量為22kg，HAL-4的質(zhì)量為17kg，HAL-5的質(zhì)量為15kg[4，5]，此外HAL系列機(jī)器人的腳踝部分能夠吸收大部分的重量。 圖1.1

20、 HAL助力外骨骼 美國國防部高級研究項(xiàng)目局（Defense Advanced Reserch Projects Agency，DARPA）在2000年投資5000萬美元用于資助對能夠增強(qiáng)人體體能的外骨骼（Exoskeleton for Human Performance Augmentation，EHPA）的研究與開發(fā)工作[6]，準(zhǔn)備研制一款可穿戴的能與穿戴者相適應(yīng)的下肢外骨骼系統(tǒng)。士兵在穿戴外骨骼后，可以背負(fù)約180kg的軍用裝備連續(xù)行走4個小時，且行軍速度有明顯提升。在戰(zhàn)爭中下肢外骨骼可以大大增強(qiáng)士兵的作戰(zhàn)能力，同時能在士兵受傷情況下幫助士兵以正常速度行走。有研究表明，士兵穿戴重量為4

21、5kg的外骨骼，同時負(fù)重35kg的重物行走，穿戴者感覺到的重量只有3kg。美國國防部高級研究項(xiàng)目局共資助了多家科研機(jī)構(gòu)，其中四家研究機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)完整的外骨骼系統(tǒng)，這四家機(jī)構(gòu)分別是Millennium Jet公司、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）、SARCOS機(jī)器人公司和加州大學(xué)伯克利分校的人體工程實(shí)驗(yàn)室（HEL），其他一些研究機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)研究開發(fā)適應(yīng)外骨骼的動力驅(qū)動系統(tǒng)和供電設(shè)備。加州大學(xué)伯克利分校首先在2004年推出了BLEEX（Berkeley Lower Extremity Exoskeleton）下肢外骨骼系統(tǒng)[7]，如圖1.2所示。該外骨骼系統(tǒng)包括兩條外骨骼仿生機(jī)械腿、一個動力驅(qū)動系統(tǒng)和

22、用于負(fù)重的背包等。BLEEX使用混合動力，即電池組對隨身攜帶的控制組件供能，同時液壓缸驅(qū)動雙腿行走。整個外骨骼系統(tǒng)上配備有40多個傳感器和4個液壓驅(qū)動裝置，這些共同構(gòu)成了一個封閉體系，傳感器向計(jì)算機(jī)控制組件提供信息，控制器則根據(jù)這些信息掌握穿戴者當(dāng)前的狀態(tài)，并進(jìn)行實(shí)時調(diào)整。 圖1.2 BLEEX下肢外骨骼機(jī)器人 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài) 國內(nèi)對下肢外骨骼機(jī)器人的研究起步較晚，科研機(jī)構(gòu)有限，相對于國外而言，在這方面仍處于初期階段。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和市場需求的增加，下肢外骨骼機(jī)器人的研究在國內(nèi)也得到了越來越廣泛的重視，如中國科技大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、浙江大學(xué)等，并取得

23、了一些有價值的科研成果。 中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所于2004年開始了對下肢外骨骼機(jī)器人的研究開發(fā)工作[8，9]，現(xiàn)今已研制出了外骨骼樣機(jī)。該外骨骼結(jié)構(gòu)共設(shè)計(jì)了12個自由度，其中單腿髖關(guān)節(jié)有3個自由度，膝關(guān)節(jié)1有個自由度，踝關(guān)節(jié)有1個自由度以及足底關(guān)節(jié)1有個自由度。在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動處添加了電機(jī)驅(qū)動裝置，這樣整個外骨骼系統(tǒng)由4個電機(jī)驅(qū)動。外骨骼系統(tǒng)的傳感系統(tǒng)主要由足底關(guān)節(jié)的3個一維傳感器、髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的光電編碼器以及2個肌電信號傳感器組成。其控制思想是傳感器通過把采集腳底壓力的信號傳遞給控制器，控制器再結(jié)合外骨骼關(guān)節(jié)位姿信息判斷外骨骼當(dāng)前位姿，對外骨骼進(jìn)行實(shí)時控制。

24、 圖1.3 浙江大學(xué)下肢外骨骼行走機(jī)器人 浙江大學(xué)所屬機(jī)電研究所開發(fā)的一款下肢外骨骼機(jī)器人，設(shè)計(jì)的目標(biāo)人群是針對中風(fēng)病人幫助其進(jìn)行恢復(fù)治療，即可以預(yù)防病人的肌肉組織因長時間沒有鍛煉而造成肌肉萎縮，一定程度上讓患者具備重新行走的能力，還能減輕患者長時間訓(xùn)練后帶來的肢體疲憊[10]，如圖1.3所示。動力源和傳動方式選用電機(jī)和滾珠絲杠副將兩者連接，把電機(jī)的轉(zhuǎn)動滾珠絲杠轉(zhuǎn)變成直線的形式，來推動肢體運(yùn)動。該機(jī)構(gòu)使用了減重吊架來實(shí)現(xiàn)減重的效果，整個機(jī)構(gòu)包括髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)兩部分，未考慮踝關(guān)節(jié)部分。目前。這款設(shè)備已經(jīng)可以很好地應(yīng)用被動控制模式，正在進(jìn)行半被動控制法的研究開發(fā)工作。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)

25、與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了一種外骨骼機(jī)器人樣機(jī)，如圖1.4所示。該樣機(jī)下肢機(jī)構(gòu)通過仿生學(xué)分析方法設(shè)計(jì)，并采用直流無刷電機(jī)對髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)進(jìn)行驅(qū)動[11]。控制方法基于下肢外骨骼動力學(xué)模型求逆的方法消除穿戴者對外骨骼人體的作用力；然后采用ADAMS對下肢行走過程做出仿真驗(yàn)證。 （a）輔助平臺 （b）機(jī)器人本體 圖1.4 哈爾濱工業(yè)大學(xué)外骨骼機(jī)器人 1.3 本課題的提出及論文結(jié)構(gòu) 1.3.1 主要內(nèi)容 下肢外骨骼機(jī)器人是控制工程、信號處理、信息理論、機(jī)器人學(xué)、人機(jī)工程學(xué)和仿生學(xué)等多學(xué)科交叉的綜合體現(xiàn)。本文的主要內(nèi)容是一些基礎(chǔ)性和原理

26、探索性的工作。文章內(nèi)容主要包括： （1） 人體行走步態(tài)分析。本課題在行走步態(tài)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對人體行走步態(tài)進(jìn)行歸納分析；在人體下肢解剖學(xué)的基礎(chǔ)上分析行走過程中的運(yùn)動學(xué)和生物學(xué)機(jī)理，并通過下肢各運(yùn)動關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定了下肢外骨骼在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)滿足的條件。 （2） 下肢外骨骼機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)與三維建模。首先確定各關(guān)節(jié)的運(yùn)動類型和自由度數(shù)，設(shè)定各關(guān)節(jié)安全運(yùn)動范圍。繼而進(jìn)行本體機(jī)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計(jì)，包括髖部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，外掛膝關(guān)節(jié)副設(shè)計(jì)，可調(diào)性腿部連桿設(shè)計(jì)和腳踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 （3） 驅(qū)動系統(tǒng)的確定以及整體結(jié)構(gòu)的計(jì)算與校核。通過分析比較各動力源的優(yōu)缺點(diǎn)確定外骨骼的驅(qū)動系統(tǒng)，然后校核計(jì)算確定設(shè)計(jì)

27、的可行性。 1.3.2 論文結(jié)構(gòu) 本文以下肢外骨骼為研究對象，首先對人體行走運(yùn)動機(jī)理分析，得出了人體髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動特點(diǎn)和關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍，實(shí)現(xiàn)了外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)；其次在前文分析的基礎(chǔ)上對外骨骼進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括關(guān)節(jié)設(shè)定、腿桿和足底等，然后對其三維建模；最后對所設(shè)計(jì)的外骨骼進(jìn)行了強(qiáng)度的校核。本文主要研究路線和內(nèi)容如圖1.5所示。 圖1.5 主要研究路線和內(nèi)容 - 51 - 第2章 人體下肢運(yùn)動機(jī)理分析 第2章 人體下肢運(yùn)動機(jī)理分析 由于下肢外骨骼機(jī)器人為可穿戴式，工作時直接與穿戴者接觸，并與人體一起運(yùn)動，因此設(shè)計(jì)時要

28、考慮一定的柔性[12]。采用人性化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時又必須反映出人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動特點(diǎn)，即仿生。因此在進(jìn)行下肢外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，應(yīng)先對人體下肢生理結(jié)構(gòu)和行走運(yùn)動機(jī)理進(jìn)行分析。 2.1 人體下肢解剖學(xué)概述 2.1.1 名詞術(shù)語解釋 （1）為研究方便，在人體內(nèi)構(gòu)建基本平面和基本軸[13]。 人體的基本平面和基本軸如圖2.1和2.2所示。 圖2.1 人體基本平面 圖2.2 人體基本軸 矢狀面：通過身體前后且與地面垂直的切面，此面將人體分為左右兩部分，沿正中線作的矢狀切面叫正中面。 額狀面：通過身體左右徑且地面垂直的面，此面將人體分為前后兩

29、個部分。 水平面：通過人體直立身體且與地面平行的切面，此面將身體分為上下兩個部分。 額狀軸：在額狀面內(nèi)經(jīng)過人體中心且垂直于矢狀面的軸。 矢狀軸：在矢狀面內(nèi)經(jīng)過人體中心且垂直于額狀面的軸。 垂直軸：經(jīng)過人體中心且垂直于水平面的軸。 以上三個軸互相垂直。 （2）關(guān)節(jié)的各種運(yùn)動 人體完成行走及轉(zhuǎn)彎等一系列運(yùn)動主要由髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的配合運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)。解剖實(shí)驗(yàn)研究表明，在髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)處有三個自由度，分別是屈與伸、旋內(nèi)與旋外、外展與內(nèi)收，在膝關(guān)節(jié)處有一個自由度，即屈伸自由度。 屈/伸：關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)繞額狀軸的運(yùn)動，定義腿向前運(yùn)動為屈，向后運(yùn)動為伸。 外展與內(nèi)收：指關(guān)節(jié)在額狀面內(nèi)繞

30、矢狀軸運(yùn)動，遠(yuǎn)離為外展，收縮為內(nèi)收。 旋內(nèi)與旋外：指關(guān)節(jié)在水平面內(nèi)繞其本身的垂直軸旋轉(zhuǎn)，向內(nèi)為旋內(nèi)，向外為旋外。 環(huán)轉(zhuǎn)：指關(guān)節(jié)繞額狀軸、矢狀軸等連續(xù)運(yùn)動。 2.1.2 下肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動特點(diǎn)分析 人體下肢的各部分骨骼結(jié)構(gòu)分別通過髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)這三個關(guān)節(jié)的緊密連接而連接在一起，從而組成了人體的下肢骨架[14]，如圖2.3所示。 圖2.3 人體下肢骨骼結(jié)構(gòu) （1）髖關(guān)節(jié) 髖關(guān)節(jié)由髖臼和股骨頭組成，屬于杵臼關(guān)節(jié)，如圖2.4所示。從形態(tài)上看類似球窩環(huán)節(jié)，運(yùn)動非常靈活。由于很大程度上它要支撐上身軀干的重量和保持平穩(wěn)性，因此要求它的牢固性非常高。它的輔助結(jié)構(gòu)還包括各個部分的結(jié)締組織

31、，比如圖中骼股結(jié)締組織和恥骨韌帶，它們的作用首先是連接骨骼，其次是保證安全性和穩(wěn)定性，用來限制運(yùn)動幅度。限制的原理是借助于這些組織緊固堅(jiān)韌的特性，加上凹陷程度較大的關(guān)節(jié)窩，這樣就可以直接影響每種形式的運(yùn)動范圍。 圖2.4 髖關(guān)節(jié) （2）膝關(guān)節(jié) 膝關(guān)節(jié)屬于人體所有關(guān)節(jié)中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的一類，類屬于滑車球狀關(guān)節(jié)[15]，如圖2.5所示。根據(jù)生物學(xué)的研究膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)組成分為4個部分，分別是股骨的腂關(guān)節(jié)面、股骨內(nèi)側(cè)的腂關(guān)節(jié)面、髕面和髕骨后面。一般情況下，正常的行走過程中膝關(guān)節(jié)只有在屈膝狀態(tài)下才會產(chǎn)生微小的內(nèi)外旋運(yùn)動，不過由于旋轉(zhuǎn)角度很小可忽略不計(jì)，所以在外骨骼的研制過程中可不考慮膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)自

32、由度。因此膝關(guān)節(jié)可以視為一個鉸關(guān)節(jié)，根據(jù)膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)其屈伸自由度的運(yùn)動范圍可達(dá)到0°-150°。膝關(guān)節(jié)運(yùn)動所需要的動力全部來自屈肌和伸肌的收縮。 圖2.5 膝關(guān)節(jié) （3）踝關(guān)節(jié) 踝關(guān)節(jié)是由內(nèi)、外部踝關(guān)節(jié)面和脛骨的下關(guān)節(jié)面一起組成的“ㄇ”形結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)窩，如圖2.6所示。理論上踝關(guān)節(jié)只能繞一個軸轉(zhuǎn)動，即只能在矢狀面內(nèi)屈伸（腳面朝下壓為“屈”，腳面朝上抬為“伸”），不過由于滑車關(guān)節(jié)面前后兩端的寬度差，當(dāng)腳下壓時，關(guān)節(jié)面寬度尺寸較小的一端未能完全占據(jù)關(guān)節(jié)窩，因此踝關(guān)節(jié)也可在冠狀面內(nèi)做一定幅度的內(nèi)外翻。 圖2.6 踝關(guān)節(jié) 人體穿戴下肢外骨骼，下肢外骨骼跟隨人體一起運(yùn)

33、動，因此下肢外骨骼機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍由人體下肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍決定。下肢外骨骼機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍至少要和人體運(yùn)動時的關(guān)節(jié)范圍一致。不過為了安全，下肢外骨骼機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍一般要小于人體關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍的極限值[16]。綜上所述，下肢各關(guān)節(jié)自由度運(yùn)動范圍設(shè)計(jì)如表2.1所示。 表2.1 人體下肢各關(guān)節(jié)自由度運(yùn)動范圍 關(guān)節(jié)運(yùn)動特征 人體下肢各自由度 運(yùn)動范圍 人體下肢各自由度 行走運(yùn)動范圍 髖關(guān)節(jié)屈/伸 -120° - 65° -27° - 21° 髖關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展 -35° - 40° 微小 髖關(guān)節(jié)旋內(nèi)/旋外 -30°- 60° -20° - 45° 膝關(guān)節(jié)屈/伸

34、 -160° - 0° -48° - 0° 踝關(guān)節(jié)屈/伸 -20° - 50° -7° - 25° 踝關(guān)節(jié)旋內(nèi)/旋外 -35° - 50° 基本為0° 踝關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展 -35° - 20° -30° - 15° 外骨骼結(jié)構(gòu)中，只在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)中有限位自由度，其余為冗余自由度。其中髖關(guān)節(jié)中屈/伸自由度的運(yùn)動范圍為-25° – 20°，膝關(guān)節(jié)中屈/伸自由度的運(yùn)動范圍為-140° – 0°。 2.1.3 步態(tài)周期時相分析 人體步態(tài)運(yùn)動是一種周期運(yùn)動，步行過程中雙腳與地面交替接觸與分離，并且腳與地面是一個滾動接觸過程。從雙腳分析步行運(yùn)動，一個完整的步態(tài)周期如圖2.7所示

35、，整個周期包括單足支撐相（Single Support Phase）和雙足支撐相（Double Support Phase）兩個階段。在單足支撐期間，一只腳接觸地面并承擔(dān)身體重量，另一條腿處于擺動期。在雙足支撐相中，雙足著地，由雙足支撐身體重量，包括前足著地雙足支撐和后足著地雙足支撐兩個時期。對于指定的右腿，完整的步態(tài)周期分為支撐相和擺動相兩個階段，足趾離地進(jìn)入擺動期（擺動期約占步態(tài)周期的40%），在擺動期間，腿總是先屈膝，然后向前擺動，直至大、小腿運(yùn)動到一條直線上。腳跟著地進(jìn)入支撐期（支撐期占步態(tài)周期的60%，其中單側(cè)肢體支撐期占40%，雙側(cè)肢體支撐期占20%），身體重心繼續(xù)向前運(yùn)動，當(dāng)腳趾

36、再次離地時完成一個步態(tài)周期。 圖2.7 人體步態(tài)周期 2.2 負(fù)重行走對步態(tài)的影響 人體的負(fù)重形式有很多種，由于下肢外骨骼的設(shè)計(jì)定位及結(jié)構(gòu)限制，本課題重點(diǎn)分析背部負(fù)重對于人體步態(tài)的影響，而且背部負(fù)重也是最常見的負(fù)重行走形式之一[17]。人體背部負(fù)重行走時，為了減少沖擊和保持平衡，行走姿態(tài)必然會做出相應(yīng)調(diào)整。 研究表明，不論輕或重的負(fù)載都會對行走步態(tài)特征產(chǎn)生影響[18]。背部負(fù)重不同時，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)以及上軀干的步行姿態(tài)均有明顯變化，其變化趨勢相似，但幅值有明顯差異。隨負(fù)重的增加，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)彎曲角位移會有所增加；踝關(guān)節(jié)角位移變化不明顯；上軀干向前傾角的角位移增大。人體背部負(fù)重后平

37、均步速小于正常步速，相比而言步長的變化很小?？梢钥闯?，負(fù)重對于各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍有一定的影響，而對于運(yùn)動的步長，加速度等運(yùn)動參數(shù)的影響則不明顯（步速除外）。另外，本課題設(shè)計(jì)的外骨骼是期望穿戴外骨骼后，其能輔助人體負(fù)重讓人體的行走盡量接近正常步態(tài)，無明顯負(fù)重感。 2.3 下肢外骨骼設(shè)計(jì)要求 由以上內(nèi)容分析可以得出： （1）助力式下肢外骨骼旨在輔助穿戴者負(fù)重行走，在保證負(fù)重助力的前提下，其自由度及關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)要與人體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)類似，保證行走的可靠性和穩(wěn)定性[19]。 （2）外骨骼行走時由驅(qū)動系統(tǒng)助力，為保證行走的安全性，在外骨骼的驅(qū)動關(guān)節(jié)都應(yīng)設(shè)計(jì)有限行程限位裝置。 （3）設(shè)計(jì)外骨骼時，負(fù)重量的

38、大小和外骨骼自身的重量與外骨骼驅(qū)動系統(tǒng)的功率、所用材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及電機(jī)的選取有關(guān)，需要對助行器連桿的承載能力、剛度等需要進(jìn)行計(jì)算和校核，來保證外骨骼的行走助力功能。 設(shè)計(jì)指標(biāo)如下所示： 最大負(fù)重：25kg； 外骨骼總重：不超過30kg； 供電：電池組供電48V，持續(xù)工作4小時以上； 行進(jìn)速度：可以4km/h的速度在多種地形中行走； 穿戴者身高范圍：1600-1850mm。 第3章 外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維建模 第3章 外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與三維建模 在前面章節(jié)分析的基礎(chǔ)上，本課題設(shè)計(jì)了一款助力式下肢外骨骼，對外骨骼腿桿、關(guān)節(jié)、腰部、緩沖足底、背架以及關(guān)節(jié)限位裝置等進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。

39、整個外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡潔，整體框架結(jié)構(gòu)采用比較常用的7075鋁合金材料。7075鋁合金為高強(qiáng)度合金材料，可進(jìn)行熱處理，具有極高的抗剝落腐蝕和抗應(yīng)力腐蝕斷裂性能[20]。其力學(xué)性能見表3.1。其負(fù)重主要集中在腰部和大腿桿。在各關(guān)節(jié)處通過高副低代轉(zhuǎn)化關(guān)節(jié)球副，并設(shè)計(jì)墊圈緩沖沖擊。 表3.1 7075鋁合金力學(xué)性能 抗拉強(qiáng)度 （MPa） 屈服強(qiáng)度 （MPa） 延伸率 （1/16in） 彈性模量 （E/GPa） 硬度 （HB） 泊松比 密度 （g/cm3） 524 455 11 71 150 0.33 2.81 確定了外骨骼的總體構(gòu)型后，利用計(jì)算機(jī)

40、輔助設(shè)計(jì)軟件SolidWorks完成了各部分零件的三維設(shè)計(jì)和總體裝配。SolidWorks是一款基于Windows操作系統(tǒng)下的三維設(shè)計(jì)軟件，其能夠在整個產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作中自動捕捉設(shè)計(jì)意圖和任意設(shè)計(jì)修改。在裝配環(huán)境里，可以方便地設(shè)計(jì)和修改零部件。不論設(shè)計(jì)用“自頂向下”方法還是“自底而上”的方法進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)，都將大幅度提高設(shè)計(jì)效率。SolidWorks可以生成完整的、車間認(rèn)可的詳細(xì)工程圖，當(dāng)修改圖紙時，三維模型、各個視圖、裝配體都會自動更新。添加各種插件后可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的運(yùn)動仿真、有限元分析及加工工藝的制定，以保證產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、工程分析、加工制造、制造過程中的數(shù)據(jù)一致性，從而真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造，

41、大幅提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。 本設(shè)計(jì)中主要用到SolidWorks的功能有：零件三維建模、裝配體設(shè)計(jì)和Motion動畫運(yùn)動等。說明如下： 打開SolidWorks后的界面會出現(xiàn)零件、裝配體和工程圖三個按鈕。選擇零件后單擊確定，進(jìn)入零件建模環(huán)境，畫好草圖后可以運(yùn)用拉伸、切除、旋轉(zhuǎn)等一系列的命令生成需要的三維零件模型，如圖3.1所示： 圖3.1 三維零件建模 將所有零件進(jìn)行建模后，用SolidWorks裝配體的功能將各個零件通過重合、同軸心、平行、垂直等配合關(guān)系裝配成一個整體，如圖3.2所示。裝配完成后用干涉檢查功能檢查裝配體的零件之間是否有干涉關(guān)系并進(jìn)行修改。 圖3.2 裝配

42、體 完成下肢外骨骼的裝配后，導(dǎo)入人體三維模型，預(yù)覽人體穿上外骨骼后的效果圖，如圖3.3所示。 圖3.3 人體穿戴外骨骼效果圖 待裝配體完成后，運(yùn)用SolidWorks中的Motion運(yùn)動分析功能，模仿人體行走的運(yùn)動特點(diǎn)，通過添加馬達(dá)將兩個機(jī)械腿運(yùn)動起來，如圖3.4所示。 圖3.4 Motion運(yùn)動 3.1 零件的三維模型 裝配體是由數(shù)個零件構(gòu)成的，而零件是由各種特征構(gòu)成的，特征是組成零件的重要部分。只有在輸入各個特征命令后才能生成符合要求的零件模型，下面對外骨骼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵零件進(jìn)行說明。 圖3.5所示為髖關(guān)節(jié)外展內(nèi)/收運(yùn)動件，此零件既能實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)的外展/內(nèi)收，又是連接腰部和

43、髖關(guān)節(jié)及以下部分的連接體，按普通成人的身高計(jì)算，外展內(nèi)收運(yùn)動件的長度約為132mm。其前端開有光孔用于實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)的旋內(nèi)/旋外運(yùn)動。 圖3.5 髖關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收運(yùn)動件 圖3.6所示為腰板，腰板的作用是將外骨骼的左腿和右腿連接起來，同時背部承物架也固連在腰板上。單個腰板的長度為為147mm，上面開有等距離的7個通孔，便于隨時調(diào)節(jié)連接長度。 （a）左腰板 （b）右腰板 圖3.6 腰板 圖3.7所示為腿桿零件，腿桿的作用是將髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)等關(guān)節(jié)連接起來，桿上開有6個等間距的通孔，便于根據(jù)使用情況調(diào)節(jié)機(jī)械腿

44、腿的長度。腿桿的長度為280mm，寬度為30mm，高度為21mm，以確保滿足強(qiáng)度要求。 圖3.7 腿桿 圖3.8所示為為安置于踝關(guān)節(jié)上的彈簧架，其安裝形式為中間方形孔套于踝關(guān)節(jié)連接架上，通過兩個并排螺栓與之緊固。彈簧架兩側(cè)也開有方孔，目的是便于懸掛拉伸彈簧。彈簧架整體的長度為118mm，寬度為26mm，高度為14mm。 圖3.8 彈簧架 圖3.9所示為腳板零件，腳板的作用也有兩個，一是連接踝關(guān)節(jié)及以上部分和緩沖足底；另一個是負(fù)重人體。腳板上粘有塑膠鞋，人腳穿上塑膠鞋后可與外骨骼融為一體。腳板的長度為280mm，寬度為120mm，厚度為11mm。 圖3.9 腳板 3.2

45、下肢外骨骼裝配 此模型共有12個自由度，單下肢各6個，其中髖關(guān)節(jié)有收展、屈伸和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動3個自由度，膝關(guān)節(jié)有屈伸運(yùn)動1個自由度，踝關(guān)節(jié)有屈伸、收展運(yùn)動2個自由度。模型設(shè)計(jì)圖如圖3.10所示。 此外骨骼設(shè)計(jì)時分為7個模塊，分別是背部承重模塊、髖關(guān)節(jié)模塊、驅(qū)動系統(tǒng)模塊、膝關(guān)節(jié)模塊、踝關(guān)節(jié)模塊和緩沖足底模塊。背部腰帶將背部承物架和下肢機(jī)構(gòu)連一起，大腿桿將膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)連接一起，小腿桿將膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)連一起，驅(qū)動系統(tǒng)安放在腿桿上。連接件均用鉸制孔螺栓連接，連接牢固，可靠。 圖3.10 下肢外骨骼機(jī)器人裝配圖 人體穿上外骨骼機(jī)器人后的效果圖如圖3.11所示。 圖3.11 人體穿戴外骨骼機(jī)

46、器人效果圖 3.3 各個關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 3.3.1 髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 由前面章節(jié)分析可知人體髖關(guān)節(jié)是一個典型的球窩關(guān)節(jié)，承載全身重量最大的部位，也是全身最重要的關(guān)節(jié)。髖關(guān)節(jié)有兩大基本功能：首先，外骨骼關(guān)節(jié)要具有“邁步”功能；其次，外骨骼要具有保持平衡和改變行走方向的功能。 在外骨骼設(shè)計(jì)時，為實(shí)現(xiàn)屈伸自由度的獨(dú)立運(yùn)動，需要將髖關(guān)節(jié)球窩關(guān)節(jié)進(jìn)行高副低代，即將3自由度的球副分解為3個單自由度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動副[21]。因此，髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)為3個自由度，即屈/伸、旋外/旋內(nèi)、外展/內(nèi)收三個自由度。其中屈/伸為主動自由度，其余為被動自由度。圖3.12所示為外骨骼髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)爆炸圖。屈伸運(yùn)動機(jī)構(gòu)參與行走的主要運(yùn)動，為

47、減小噪聲采用了軸承連接的方式，軸承用圓錐滾子軸承；內(nèi)收/外展自由度設(shè)計(jì)在腰部，有效減少了外骨骼關(guān)節(jié)與人體關(guān)節(jié)空間位置的差異，該機(jī)構(gòu)不受驅(qū)動，只跟隨身體來調(diào)節(jié)運(yùn)動狀態(tài)，這里采用軸銷連接的方式來實(shí)現(xiàn)；旋內(nèi)/旋外運(yùn)動機(jī)構(gòu)位于屈伸運(yùn)動上方，其旋轉(zhuǎn)軸中心線與腿桿中心線重合，實(shí)現(xiàn)整個腿部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。 圖3.12 髖關(guān)節(jié)爆炸圖 髖關(guān)節(jié)包括：腰帶連接件1、銷軸2、內(nèi)收/外展運(yùn)動件3、旋內(nèi)/旋外運(yùn)動件4，髖關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)軸5、圓錐滾子軸承6、大腿桿7、屈/伸運(yùn)動件8、調(diào)整墊片9、 軸承蓋10。 整個髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和腰帶通過連接件用兩個螺栓連接；腰帶連接件1和內(nèi)收/外展運(yùn)動件3通過銷軸連接，兩者可以發(fā)

48、生相對轉(zhuǎn)動；內(nèi)收/外展運(yùn)動件3和旋內(nèi)/旋外運(yùn)動件4采用薄壁圓筒的方式連接，在4上車出一圓軸，下面放有潤滑墊片，上端用擋盤連接，防止脫落；屈/伸運(yùn)動件8和關(guān)節(jié)軸之間套有圓錐滾子軸承，保證了轉(zhuǎn)動的靈活性；屈/伸運(yùn)動件8和大腿桿7用連個螺栓連接，由于兩個屈/伸運(yùn)動件只在下端連接，因此在8上開有锪平孔，用兩個螺栓連接；在大腿桿上放置驅(qū)動電機(jī)和減速器。 3.3.2 膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 膝關(guān)節(jié)是人體關(guān)節(jié)中比較重要的關(guān)節(jié)，既要承受上肢體的壓力，又要能傳遞載荷，即可運(yùn)動又能緩解振動，是下肢活動的樞紐。膝關(guān)節(jié)具有兩大功能： 首先，膝關(guān)節(jié)在承受體重和傳遞載荷時，在完成屈/伸運(yùn)動時有很好地穩(wěn)定性；其次，膝關(guān)節(jié)又要有很

49、好的適應(yīng)性，在行走、跑步時，遇到路面不平整狀況，膝關(guān)節(jié)要求對這種隨機(jī)沖擊有一定的緩沖作用。在外骨骼膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中，僅設(shè)置一個與人體膝關(guān)節(jié)屈/伸自由度同軸的旋轉(zhuǎn)自由度來實(shí)現(xiàn)外骨骼膝關(guān)節(jié)的屈/伸運(yùn)動，如圖3.13所示。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動副中添加圓錐滾子軸承，同樣為減少振動和噪聲。 圖3.13 膝關(guān)節(jié)爆炸圖 圖3.3中：1是大腿桿連接件；2是關(guān)節(jié)軸；3是軸承；4是屈/伸運(yùn)動件；5是墊片；6是軸承蓋；7是小腿桿。 3.3.3 踝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 人體踝關(guān)節(jié)具有三個自由度，人體下肢運(yùn)動時，踝關(guān)節(jié)主要是完成屈/伸運(yùn)動，外展/內(nèi)收運(yùn)動在路面不平或腳步受沖擊時，起調(diào)節(jié)平衡作用，內(nèi)旋/外旋運(yùn)動在調(diào)節(jié)人體下肢運(yùn)動的前進(jìn)方

50、向起微小作用，主要由髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋/外旋運(yùn)動來調(diào)節(jié)，為減少整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，外骨骼踝關(guān)節(jié)的內(nèi)旋/外旋運(yùn)動可忽略，不在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。如圖3.14和圖3.15所示?？紤]到腳踝外側(cè)空間位置與腳踝的連接，盡量使設(shè)計(jì)緊湊、貼近人體，從而減少偏差。沿小腿桿方向從上到小依次為屈/伸運(yùn)動副和外展/內(nèi)收運(yùn)動副，屈/伸關(guān)節(jié)軸線與骨骼踝關(guān)節(jié)軸線重合。踝關(guān)節(jié)不參與下肢行走的主運(yùn)動，因此在此處沒有添加驅(qū)動。如果行走過快，則會出現(xiàn)重心不穩(wěn)，因此在兩側(cè)添加了拉伸彈簧，有效的保證了行走時的穩(wěn)定。 圖3.14 踝關(guān)節(jié)爆炸圖 圖3.15 踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖 膝關(guān)節(jié)包括：固定

51、彈簧的彈簧上架1、小腿桿連接件2、踝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)軸3、深溝球軸承4、屈/伸運(yùn)動件5、調(diào)整墊片6、軸承蓋7、拉伸彈簧8、銷軸9、腳板連接件10、外展/內(nèi)收運(yùn)動件11、腳板12。 彈簧上架1通過兩個平行螺栓和小腿桿2連接；小腿桿連接件2和屈/伸運(yùn)動件5用關(guān)節(jié)軸連接；屈/伸運(yùn)動件5和外展/內(nèi)收運(yùn)動件用三個螺栓連接；腳板連接件10和外展內(nèi)收運(yùn)動件11用銷軸連接；在彈簧上架1和外展/內(nèi)收運(yùn)動件11上開有通過，用圓柱銷將兩個拉伸彈簧分別掛住，同時在小推桿連接件上加工出限位凸臺裝置，防止拉伸彈簧出現(xiàn)壓縮情況。 3.3.4 限位裝置設(shè)計(jì) 人體在行走過程中，各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動角度是在一定范圍內(nèi)的。若是在外骨骼的關(guān)

52、節(jié)處施加了驅(qū)動裝置，通過控制系統(tǒng)的控制策略（如位置控制等）就能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)節(jié)在運(yùn)動過程中的嚴(yán)格定位，即可以不設(shè)置限位裝置[22]。然而，考慮到控制程序可能出錯或是遇到特殊情況，外骨骼的關(guān)節(jié)可能超出設(shè)計(jì)的運(yùn)動范圍，因此，在添加驅(qū)動的關(guān)節(jié)處必須設(shè)置機(jī)械限位裝置，以防止因控制系統(tǒng)或電機(jī)出現(xiàn)故障而發(fā)生意外。 如圖3.16所示為膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)限位裝置，限位裝置和屈伸運(yùn)動件結(jié)合在一起，減少了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度。屈/伸運(yùn)動件上加工有有一定角度的凸緣輪，在腿桿連接件上加工出相對應(yīng)的凹圓輪，即屈/伸運(yùn)動件的運(yùn)動范圍為140°-0°。外骨骼中膝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)和髖關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)幾乎一致，只是運(yùn)動的極限位置不同，這樣減少了關(guān)節(jié)在加工

53、制造過程中的復(fù)雜度。另外，外骨骼的控制策略為“人主機(jī)輔”控制，即主動控制，因此在其他輔助關(guān)節(jié)處不設(shè)限位裝置，靠人體本身調(diào)節(jié)處理。 圖3.16 關(guān)節(jié)限位裝置 3.4 腿桿設(shè)計(jì) 作為連接兩關(guān)節(jié)的腿部連桿機(jī)構(gòu)既是傳動裝置又是驅(qū)動安放裝置。連桿的安裝精度要求較高，若腿桿長度與使用者腿部長度有差異，將會直接導(dǎo)致兩者在行走過程中出現(xiàn)運(yùn)動干涉現(xiàn)象，當(dāng)兩者偏差較大時，整個人-機(jī)封閉系統(tǒng)將會無法正常工作，還會給穿戴者帶來傷害。此外，穿戴者人體胖瘦、高度存在差異，為了外骨骼有更好的結(jié)構(gòu)兼容性，將大腿桿、小腿桿和腰部設(shè)計(jì)成尺寸可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。 經(jīng)過大量采樣并統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，人體各部位長度相對于人體身高的比例基本上

54、都在一個固定的范圍內(nèi)[23]。假設(shè)人體身高為H，則踝關(guān)節(jié)至地面的高度為0.039H，膝關(guān)節(jié)至地面的高度為0.246H+0.039H=0.285H，髖關(guān)節(jié)至地面的高度為0.245H+0.246H+0.039H=0.53H，人體兩條大腿之間的距離為0.191H。成年人體身高度普遍在1600mm-1850mm之間，結(jié)構(gòu)的最大可調(diào)范圍設(shè)定為250mm，腰部寬度可調(diào)范圍為42mm。本設(shè)計(jì)中腿桿結(jié)構(gòu)采用通過調(diào)節(jié)內(nèi)外桿之間的固定位置來調(diào)整腿桿的長度，即大小腿的長度。上下腿桿用鉸制孔螺栓連接，鉸制孔螺栓主要承受橫向載荷，連接牢固，穩(wěn)定可靠。如圖3.17和圖3.18所示。 圖3.17 腿部可調(diào)節(jié)連桿

55、 圖3.18 腰部可調(diào)節(jié)連桿 3.5 背部承物架設(shè)計(jì) 下肢外骨骼系統(tǒng)包括動力驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)。動力源電池和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在背部背架上，背架上還設(shè)有一個負(fù)重平臺。 圖3.19 背架結(jié)構(gòu)圖 如圖3.19所示。背架通過兩邊的連接件與腰帶用螺栓件相連，上面通過軟繩與人體肩部相連，將負(fù)重通過腿桿傳遞到地面，盡量減小對人體的彎矩。背架上專門設(shè)計(jì)了一個盒體用于放置電池和控制組件，以避免核心器件與外部負(fù)重直接接觸造成損壞。考慮到舒適性和減緩沖擊，在穿戴者與腰部直接接觸的支架板面粘接有柔軟結(jié)實(shí)的棉墊護(hù)具。針對不同使用人群，腰部也設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，由于此背架無調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)和限位裝置，因

56、此連接為過盈連接，防止出現(xiàn)橫向滑移。此背部承物架的尺寸為長161mm，寬220m，高207mm，要求能夠承受25kg的負(fù)重。 3.6 緩沖足底設(shè)計(jì) 3.6.1 概述 下肢外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)是行走機(jī)構(gòu)，其行走的速度和穩(wěn)定性直接影響其工作能力與效率。在行走過程中，當(dāng)足部與地面接觸時會產(chǎn)生沖擊振動，沖擊會通過踝關(guān)節(jié)傳遞到外骨骼軀干，對其內(nèi)部的減速機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)等造成損傷，同時動態(tài)平衡受到干擾，導(dǎo)致步態(tài)的不穩(wěn)定[24]；外骨骼軀干傳遞給人體，會給穿戴者造成疲勞和不適感。加上下肢行走方式是“腳跟著地-腳尖離地”的行走方式，因此設(shè)計(jì)足底緩沖裝置可很大限度減少對穿戴者的沖擊，也是本外骨骼的重點(diǎn)設(shè)計(jì)

57、之一。 本緩沖足底的緩沖主要由彈簧和柔順機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。彈簧是一種彈性元件，在受到載荷時能夠產(chǎn)生比較大的彈性變形，可以把機(jī)械能或動能轉(zhuǎn)換為彈性勢能，當(dāng)載荷消失后彈簧恢復(fù)原狀，變形消失，將彈性勢能轉(zhuǎn)變成動能或機(jī)械功。 本設(shè)計(jì)中用到的彈簧為壓縮彈簧和扭矩彈簧，其功能主要有：（1）控制機(jī)械運(yùn)動，如內(nèi)燃機(jī)中的閥門彈簧、離合器中的控制彈簧等；（2）用作測力元件，如彈簧秤中的測力器、彈簧等；（3）儲存于輸出能量，如鐘表彈簧、槍械中的彈簧等；（4）吸收沖擊能量與振動，如汽車下面的緩沖彈簧等。彈簧剛度是指是指載荷與變形之比，剛度越大表示彈簧越硬。 3.6.2 緩沖足底三維模型 如圖3.20所示，腳跟和腳趾

58、設(shè)有一定的弧度[25]，其作用為：當(dāng)控制存在誤差或者地面不平以及遇到障礙物時，可以減小踝關(guān)節(jié)所受的沖擊力，并能適應(yīng)更多的步態(tài)，更好的實(shí)現(xiàn)“腳跟著地—腳尖離地”的行走方式，保證在行走過程中更好的適應(yīng)地面[26]。接地板上面部分鏤空，在保證強(qiáng)度要求的前提下，可以減輕重量，減小擺動腿在擺動過程中產(chǎn)生的振動。 圖3.20 足底緩沖裝置 圖3.20中：1是壓縮彈簧；2是柔順機(jī)構(gòu)；3是連接件；4是腳趾；5是腳跟；6是扭矩彈簧架；7扭矩彈簧；8是銜合架；9是接地板。 連接件3的作用連接緩沖足底的下半部分和腳掌，同時在保證強(qiáng)度的條件下又具有一定的變形能力，如圖3.21所示。 圖3.21 連接件

59、變形示意圖 當(dāng)腳跟接地時，載荷一部分通過連接架傳遞給地面，一部分通過腳跟的扭矩彈簧儲存在彈簧中，當(dāng)載荷繼續(xù)傳遞時，和連接架連在一起的腳掌連接板發(fā)生轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動一定角度后被銜合板擋住防止發(fā)生更大轉(zhuǎn)動，銜合架的作用是只允許腳掌連接板發(fā)生很小的角度，約為3度，目的是防止產(chǎn)生更大的振動給人體造成不適。 3.6.3 腳跟設(shè)計(jì) 如圖3.22所示，扭矩彈簧通過安裝架與腳跟和接地板連接。當(dāng)腳跟未受到地面作用力時，兩個安裝架之間處于接觸狀態(tài)，此種設(shè)計(jì)避免了足部離地后由于扭矩的回復(fù)力而致使腳趾板回到平衡位置后繼續(xù)偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。當(dāng)腳跟受到地面的作用力時，連接腳跟的安裝架通過扭矩彈簧繞連接接地板的安裝架轉(zhuǎn)動，將沖擊

60、轉(zhuǎn)化為彈簧的勢能，有效減少振動。 圖3.22 扭矩彈簧 行走時，腳跟先接觸地面，由于腳跟設(shè)計(jì)成弧形，并且有一個被動自由度，當(dāng)碰到障礙物時，腳跟受到地面的沖擊力后向上偏移，緩解地面的沖擊以適應(yīng)地面。腳趾和接地板之間用柔順機(jī)構(gòu)連接，可以吸收部分沖擊力，降低傳遞到踝關(guān)節(jié)的力與力矩，從而使行走更穩(wěn)定。 3.6.4 腳趾設(shè)計(jì) 腳趾通過兩個并聯(lián)的柔順機(jī)構(gòu)與接地板連接。當(dāng)腳趾受力時，柔順機(jī)構(gòu)吸收的沖擊以彈性勢能的方式儲存在柔順機(jī)構(gòu)中[27]，當(dāng)腳抬起時，柔順機(jī)構(gòu)恢復(fù)原形，釋放能量為抬起提供能量。柔順機(jī)構(gòu)采用的是雙平行四邊形機(jī)構(gòu)。為了保證腳趾不會發(fā)生較大偏移，在每個接地板上安裝兩個柔順機(jī)構(gòu)，呈并聯(lián)

61、配置。 如圖3.23所示，每個柔順機(jī)構(gòu)上開有兩個并聯(lián)的通孔，下面兩個孔通過螺釘與腳趾和接地板連接，雙面連個通孔的作用是便于螺絲刀擰緊螺釘。為了保證腳趾不會繞軸轉(zhuǎn)動，每個接地板上安裝兩個柔順機(jī)構(gòu)，此種方案允許腳趾在俯仰軸方向上發(fā)生少量變形，不允許在發(fā)生橫向轉(zhuǎn)動。 圖3.23 柔順機(jī)構(gòu) 此柔順機(jī)構(gòu)有較頻繁的循環(huán)變形，因此本文設(shè)計(jì)的柔順機(jī)構(gòu)采用的是具有良好的工藝性能和力學(xué)性能的50CrVA。50CrVA的淬透性較高，在加入了釩后使鋼的晶粒細(xì)化，所以提高了強(qiáng)度和韌性，降低了過熱敏感性，具有較高的疲勞強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。 在接地板上裝有三個壓縮彈簧，以方便可在道路不平時吸收二次沖擊，適應(yīng)更多路況

62、；另一方面保證穿戴者在站立時更加穩(wěn)定。整個足底緩沖裝置通過柔順連接件與下肢外骨骼腳板連接。 3.7 外骨骼三維模型 以上為整個設(shè)計(jì)過程的基本零件和關(guān)鍵部件的說明和三維展示，最后完成各個零件的建模過程，通過SolidWorks裝配，添加幾何約束關(guān)系，裝配如圖3.24所示。 圖3.24 外骨骼總裝圖 第4章 減速器和電機(jī)的選擇 第4章 減速器和電機(jī)的選擇 4.1 驅(qū)動系統(tǒng)的確定 目前外骨骼機(jī)器人采用的常見驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機(jī)驅(qū)動三種類型。 （1）液壓驅(qū)動 液壓驅(qū)動是以液體靜壓能來傳遞能量和控制的驅(qū)動方式，包括輸液步進(jìn)馬達(dá)和油缸。具有構(gòu)造簡單、工作

63、平穩(wěn)，易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)等特點(diǎn)。但有液體易泄露、噪聲大、效率低，液壓傳動對溫度和負(fù)載變化敏感等特點(diǎn)。 （2）氣壓驅(qū)動 氣壓驅(qū)動是以氣體為工作介質(zhì)，把氣壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動方式，主要原件為氣缸和氣動馬達(dá)。與液壓傳動類似，有結(jié)構(gòu)簡單、無污染、易于無極變速，可在高溫下工作等特點(diǎn)，具有較大的功率體積比和功率質(zhì)量比。但其缺點(diǎn)是速度易變動、難以精確控制、只適用于小功率傳動等。 （3）電機(jī)驅(qū)動 電機(jī)驅(qū)動是以電能為能源，把電能轉(zhuǎn)為為機(jī)械能的一種驅(qū)動方式，按照電脈沖激勵信號方式分為直流電動機(jī)和交流電動機(jī)兩類。電機(jī)具有控制精確方便，功率范圍大、響應(yīng)快、工作效率高、無污染等優(yōu)點(diǎn)。 比較以上三種驅(qū)動方式，本設(shè)

64、計(jì)中驅(qū)動模塊采用的是直流無刷電機(jī)[28]。應(yīng)用于外骨骼的驅(qū)動電機(jī)一般要求具有以下特點(diǎn)：快速反應(yīng)，電機(jī)從獲得指令信號到完成指令所要求的響應(yīng)時間短；啟動轉(zhuǎn)矩大，在起始驅(qū)動時，要求關(guān)節(jié)處的電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩大；轉(zhuǎn)動慣量小，電機(jī)往往需要頻繁的正反轉(zhuǎn)，要求轉(zhuǎn)動慣量?。涣硗膺€要求經(jīng)得起苛刻的運(yùn)行條件，可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運(yùn)行。 將驅(qū)動與關(guān)節(jié)中心同軸安裝有兩種形式：一是電機(jī)的輸出軸直接與關(guān)節(jié)中心軸同心，經(jīng)過減速器輸出轉(zhuǎn)矩；另一種是電機(jī)與外骨骼腿桿平行安轉(zhuǎn)，經(jīng)過換向器后，再經(jīng)過減速器與關(guān)節(jié)中心同軸，如圖4.1所示。第一種安放的優(yōu)點(diǎn)是不需要換向機(jī)構(gòu)，能減輕腿桿重量，缺點(diǎn)是電機(jī)在寬度方向上的尺寸較大，會使

65、得關(guān)節(jié)處橫向距離較大，電機(jī)離外骨骼腿桿較遠(yuǎn)，使得安裝固定不方便，也不便于電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行；第二種安裝方案彌補(bǔ)了第一種的不足，將電機(jī)平行安裝在推桿上，提高了整體的穩(wěn)定性，減小了安裝難度。另外，雖然添加了換向器，但其在橫向方向上的尺寸得以減小，且由于電機(jī)的輸出扭矩較小，故換向器不會太大，且可以選擇功率較大的電機(jī)來克服增加換向器帶來的負(fù)載的增加。本外骨骼的電機(jī)驅(qū)動方案：伺服控制-伺服電機(jī)-減速器-換向器-執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 （a）電機(jī)垂直安裝 （b）電機(jī)平行安裝 圖4.1 驅(qū)動系統(tǒng)布位方案 4.2 驅(qū)動電機(jī)、減速器的選擇計(jì)算 電機(jī)的選取型

66、號主要考慮的因素有轉(zhuǎn)矩（電機(jī)轉(zhuǎn)矩T1及最終要求的輸出轉(zhuǎn)矩T2）、減速比i、轉(zhuǎn)速（電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速N1及最終要求的輸出轉(zhuǎn)速N2）、功率等，減速比、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間是相互關(guān)聯(lián)的。電機(jī)在輸出功率一定的情況下，經(jīng)過減速器后轉(zhuǎn)矩會得到放大，轉(zhuǎn)速減小，其關(guān)系為： （4.1） （4.2） （4.3） 式中η為減速器傳動效率。 根據(jù)人體行走下肢生物力學(xué)[29]的研究，單位質(zhì)量人體在三種步速下的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動的功率消耗情況和所需轉(zhuǎn)矩大小，如圖4.2所示。 圖4.2 人體下肢行走時的生物力學(xué)參數(shù) 假設(shè)一個重70kg的人體，行走時需要最大85W的功率，在以1.3m/s的步速行走時在髖關(guān)節(jié)處有最大轉(zhuǎn)矩，約為84N﹒m左右?？紤]安全系數(shù)等影響，按負(fù)載的1.3倍計(jì)算，結(jié)果為109.2N﹒m，取整后T2=110N﹒m。人體正常行走時髖關(guān)節(jié)的最大角速度約為220度每秒，由此可知驅(qū)動系統(tǒng)最終輸出的最大轉(zhuǎn)速約為36.7r/min。在人體負(fù)重