下肢外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制畢業(yè)設(shè)計(jì)

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摘 要外骨骼廣泛存在于自然界，許多動(dòng)物都有不同形式的外骨骼，諸如犰狳的鎧甲，穿山甲的鱗片。本質(zhì)上都是一種可以給他們提供保護(hù)的堅(jiān)硬外部結(jié)構(gòu)，幫助他們抵御天敵，躲避自然災(zāi)害。人類(lèi)從生物學(xué)中得到啟示，發(fā)現(xiàn)外骨骼所具有的巨大潛力，并希望設(shè)計(jì)一種外骨骼來(lái)幫助運(yùn)動(dòng)機(jī)能受損的人類(lèi)。因此近些年來(lái)許多研究單位和高校都致力于開(kāi)發(fā)能為人體提供支持和保護(hù)的外骨骼機(jī)器人。作為一種全新領(lǐng)域的機(jī)器人，它不僅可以幫助那些肢體受損的殘障人士恢復(fù)行走，還可以增強(qiáng)人體的負(fù)重水平，故可用于交通、建筑、機(jī)械、軍事、醫(yī)護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域。目前已知的下肢外骨骼大多為了實(shí)現(xiàn)快速精確的運(yùn)動(dòng)控制，采用傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)形式，將剛性驅(qū)動(dòng)器安裝在主動(dòng)關(guān)節(jié)的位置上，使得結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，重量居高不下最終使得關(guān)節(jié)位置與人體契合度不高，穿戴不便舒適性降低。針對(duì)以上問(wèn)題，本文主要研究人體下肢的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，分析閱讀國(guó)內(nèi)外最新下肢外骨骼的研究情況，形成自己獨(dú)立的思考。開(kāi)發(fā)一種全新的下肢外骨骼，設(shè)計(jì)完成其主體結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)配置。力求達(dá)到輕量化、小型化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，本文創(chuàng)新性的采用了繩驅(qū)的方式，將驅(qū)動(dòng)器與下肢外骨骼本體分離，驅(qū)動(dòng)器統(tǒng)一安裝于背部，從而減少穿戴患者負(fù)擔(dān)。最后，對(duì)其硬件例如主控器、傳感器、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器等進(jìn)行選型，在LabVIEW 環(huán)境編程，對(duì)控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，搭建運(yùn)動(dòng)控制的試驗(yàn)平臺(tái)，最終對(duì)該下肢外骨骼的結(jié)構(gòu)和控制方案進(jìn)行驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：下肢外骨骼；機(jī)械設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)控制程序iiABSTRACTThe exoskeleton is widespread in nature, and many animals have different forms of exoskeletons, such as the armor of a mandarin duck and scales of pangolins. Essentially, it is a hard external structure that can provide them with protection, helping them to resist natural enemies and avoid natural disasters. Humans have been inspired by biology and found that the exoskeleton has great potential, and he hopes to design an exoskeleton to help humans with motor impairment. Therefore, in recent years, many research institutes and universities have devoted themselves to developing exoskeleton robots that can provide support and protection for the human body. As a brand-new robot, it can not only help those physically disabled people with disabilities to resume walking, but also increase the body's weight-bearing capacity. It can be used in various fields such as transportation, construction, machinery, military, and medical care.Currently known exoskeleton of the lower extremity is mostly used for fast and accurate motion control. The conventional drive form is adopted. The rigid driver is installed on the position of the active joint, so that the structure is large and complex, and the weight is high and the joint position is not compatible with the human body. High, inconvenient wearable comfort is reduced. In view of the above problems, this paper mainly studies the movement mechanism of the lower limbs of the human body and analyzes the research situation of the latest exoskeleton exoskeletons at home and abroad to form their own independent thinking. Develop a brand new lower limb exoskeleton designed to complete its main structure and configuration. In order to achieve the goal of lightweight and miniaturization, this article innovatively adopts the rope drive method to separate the driver from the exoskeleton body of the lower extremity and install the driver on the back, thereby reducing the burden on the patient. Finally, select the hardware such as master controller, sensors, motors, and drivers, program in the LabVIEW environment, design the control scheme, build a motion control test platform, and finally perform the structure and control scheme for the exoskeleton exoskeleton. verification.Key words: Lower limb exoskeleton robot；mechanical design；motion control iiiprogram目 錄摘 要 iABSTRACT.i目 錄 I第一章 緒論 .11.1 課題來(lái)源及研究意義 11.1.1 課題來(lái)源 .11.1.2 研究意義 .11.2 下肢外骨骼研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 21.2.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .21.2.2 驅(qū)動(dòng)形式 .41.3 本文研究?jī)?nèi)容 5第二章 下肢外骨骼總體方案設(shè)計(jì) .52.1 人體下肢運(yùn)動(dòng)規(guī)律 52.1.1 人體基本面和基本軸 .52.1.2 人體下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)理 .62.2 設(shè)計(jì)原則 72.3 整體方案 72.3.1 整體方案 .72.3.2 整體尺寸 .82.4 本章小結(jié) 9第三章 下肢外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .103.1 繩驅(qū)動(dòng)線(xiàn)盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .103.2 髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 113.2.1 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) .113.2.2 膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) .123.2.3 關(guān)鍵軸 .133.3 大腿及小腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 143.4 踝關(guān)節(jié)及足部設(shè)計(jì) 143.5 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì) 15II3.6 本章小結(jié) 15第四章 下肢外骨骼運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和零部件校核 .174.1 D-H 模型運(yùn)動(dòng)學(xué)及運(yùn)動(dòng)空間分析 174.1.1 D-H 模型模型運(yùn)動(dòng)學(xué)正解 .174.1.3 運(yùn)動(dòng)空間分析 .204.2 膝部以下人機(jī)連接的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 214.3 關(guān)鍵零件和結(jié)構(gòu)的校核 214.3.1 主要軸的強(qiáng)度和剛度校核 .224.3.2 軸承的壽命校核 .254.3 本章小結(jié) 26第五章 變剛度驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn) .275.1 平臺(tái)硬件選型 275.1.1 控制器的選擇。 .275.1.2 電機(jī)選擇 .285.1.3 編碼器選型 .285.1.4 驅(qū)動(dòng)器選型 .285.2 程序設(shè)計(jì) 295.21 Labview 開(kāi)發(fā)環(huán)境 .295.2.2 初始化程序設(shè)計(jì) .295.2.3 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì) .295.4.4 PD 控制程序設(shè)計(jì) 295.3 階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn) 305.3.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 .305.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 .305.4 本章小結(jié) 30第六章 總結(jié)與展望 .306.1 工作總結(jié) 306.2 工作展望 31參考文獻(xiàn) .32致謝 .35III附錄 .3611 緒論1.1 課題來(lái)源及研究意義1.1.1 課題來(lái)源本論文選題來(lái)自國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目“類(lèi)生物骨骼肌變剛度驅(qū)動(dòng)器的仿生機(jī)理與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究” （項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：51605339） ，中國(guó)博士后基金面上項(xiàng)目“面向康復(fù)機(jī)器人的變剛度驅(qū)動(dòng)器仿生設(shè)計(jì)原理及方法” ， （項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：2016M592382）及中國(guó)高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金青年教師自助項(xiàng)目“智能機(jī)器人用柔性驅(qū)動(dòng)器的仿生設(shè)計(jì)方法和控制策略” （2042016kf0021） 。1.1.2 研究意義外骨骼廣泛存在于自然界，許多動(dòng)物都有不同形式的外骨骼，諸如犰狳的鎧甲，穿山甲的鱗片。本質(zhì)上都是一種可以給他們提供保護(hù)的堅(jiān)硬外部結(jié)構(gòu)，幫助他們抵御天敵，躲避自然災(zāi)害。人類(lèi)從生物學(xué)中得到啟示，發(fā)現(xiàn)外骨骼所具有的巨大潛力，并設(shè)計(jì)一種外骨骼來(lái)幫助運(yùn)動(dòng)機(jī)能受損的人類(lèi)。 。因此近些年來(lái)許多研究單位和高校都致力于開(kāi)發(fā)能為人體提供支持和保護(hù)的外骨骼機(jī)器人。作為一種全新領(lǐng)域的機(jī)器人，它不僅可以幫助那些肢體受損的殘障人士恢復(fù)行走，還可以增強(qiáng)人體的負(fù)重水平，故可用于醫(yī)療、軍事、建筑、機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域，比如：在建筑行業(yè)中，復(fù)雜的施工環(huán)境，短暫的工期，都催促施工者提高工作效率，加快進(jìn)度；在戰(zhàn)爭(zhēng)中，士兵需要背負(fù)各種現(xiàn)代化武器和新興裝備以應(yīng)對(duì)突如其來(lái)的戰(zhàn)況；在醫(yī)護(hù)行業(yè)，護(hù)士需要經(jīng)常輔助患者行走，搬運(yùn)傷者和醫(yī)療器材；在社會(huì)中，存在許多殘障人士，需要輔助才能行走。下肢外骨骼既可以幫助人們提高背負(fù)載荷的能力，完成繁重的工作，還可以為患者提供運(yùn)動(dòng)康復(fù)治療使得那些殘障人士可以生活自理恢復(fù)自信心。因此，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種集輕量化、便攜化、智能化于一體的下肢外骨骼成為了現(xiàn)階段的主流趨勢(shì)。目前已知的下肢外骨骼大多為了實(shí)現(xiàn)快速精確的運(yùn)動(dòng)控制，將剛性驅(qū)動(dòng)器安裝在主動(dòng)關(guān)節(jié)的位置上，使得結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，重量居高不下最終使得關(guān)節(jié)位置與人體契合度不高，穿戴不便舒適性降低。針對(duì)以上問(wèn)題，本文的主要研究?jī)?nèi)容有：第一，研究人體下肢的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，分析閱讀國(guó)內(nèi)外最新下肢外骨骼的研究情況，形成自己獨(dú)立的思考，設(shè)計(jì)一種新型的下肢外骨骼。第二，自主設(shè)計(jì)完成一種下2肢外骨骼，完成三維繪圖及二維工程圖的繪制，并制作樣機(jī)驗(yàn)證其可行性。第三，利用 D—H 方法建立下肢外骨骼的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。分析計(jì)算下肢外骨骼的運(yùn)動(dòng)空間，討論其與人體運(yùn)動(dòng)空間的擬合程度。之后以膝關(guān)節(jié)以下的人機(jī)穿戴進(jìn)行分析，進(jìn)行建模討論穿戴偏差。最后用有限元分析軟件 ANSYS 對(duì)關(guān)鍵軸類(lèi)零件進(jìn)行計(jì)算校核，最后計(jì)算軸承壽命。第四，加工各個(gè)零部件組裝樣機(jī)，選擇硬件例如主控器、傳感器、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器等，對(duì)控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，在 LabVIEW 環(huán)境編程，搭建運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)，最終對(duì)該下肢外骨骼的結(jié)構(gòu)和控制方案進(jìn)行驗(yàn)證。1.2 下肢外骨骼研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1.2.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀上世紀(jì) 60，美國(guó)海軍在實(shí)戰(zhàn)中發(fā)現(xiàn)提高士兵的負(fù)載能力有助于提升其作戰(zhàn)能力，于是由其下屬的研究辦公室提供資金，牽頭美國(guó)通用電器集團(tuán)和美國(guó)著名高?？的螤柎髮W(xué)，要求其開(kāi)發(fā)一款可以提升人體負(fù)載能力的外骨骼助力機(jī)器人。不久之后這款名為“哈迪曼 1”的外骨骼助力機(jī)器人便應(yīng)運(yùn)而生，如圖 1.1 所示。利用水壓作為其動(dòng)力源，使用早期主從控制方法。 “哈迪曼 1”體積巨大，重量也達(dá)到了驚人的 680 kg。雖然如此“哈迪曼 1”依舊展現(xiàn)出來(lái)驚人的效果，實(shí)驗(yàn)證明它利用水泵提供的壓力最多可以將人體的四肢力量提升 25 倍 [8]。雖然效果明顯，缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)，680kg 的龐大重量讓使用者望而卻步，只能固定在基座上供人演示。使得后續(xù)研究者認(rèn)識(shí)到要考慮驅(qū)動(dòng)形式和機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響，提高其實(shí)用性。在這之后的 1978 年，麻省理工學(xué)院也參與到下肢外骨骼的設(shè)計(jì)中來(lái)，為了避免外骨骼機(jī)器人體積和重量過(guò)大。他們提出一種準(zhǔn)被動(dòng)式外骨骼助力機(jī)器人新的思路，借助人體本身的力量開(kāi)發(fā)出一款更加便攜、使用更加舒適的機(jī)器人。經(jīng)過(guò)幾年的研發(fā)，這款機(jī)器人最終成型。圖 1.2 為麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)的外骨骼下肢助力機(jī)器人。進(jìn)入新千年以后，各國(guó)對(duì)下肢外骨骼的研究都跨上了新的臺(tái)階，2000 年，為了增加士兵的承重和運(yùn)動(dòng)能力，美國(guó)著名武器制造商洛馬公司推出了一款 “HULC”的外骨骼機(jī)器人，如圖 1.3 所示。由于設(shè)計(jì)之初就考慮到要將其應(yīng)用到實(shí)戰(zhàn)中去，所以該外骨骼機(jī)器人首要目標(biāo)便是在士兵負(fù)重的情況下還能提高士兵的機(jī)動(dòng)能力。利用特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以將人體的體重傳遞至地面，使用者僅僅3承擔(dān)一部分負(fù)重，使得其實(shí)用效果大大提升，但是其在續(xù)航方面存在短板，一次充電僅僅可以使用 2 小時(shí)左右 [7]。與此同時(shí)，日本的研究也取得了突破，日本由于人口老齡化嚴(yán)重，醫(yī)護(hù)工作者短缺。由此思路日本神奈川理工學(xué)院開(kāi)發(fā)了一款全身式外骨骼助力機(jī)器人，各個(gè)機(jī)械單元相對(duì)獨(dú)立?？梢詤f(xié)助醫(yī)護(hù)工作者搬運(yùn)重物，轉(zhuǎn)移病人，協(xié)助患者行走。利用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。它的驅(qū)動(dòng)器其最大負(fù)載可以到達(dá) 85 kg [11]，滿(mǎn)足日常需要。圖 1.4 神奈川理工 圖 1.6 哈佛柔性機(jī)器人近年來(lái)，下肢外骨骼的設(shè)計(jì)研究不斷推陳出新。 2016 年哈佛大學(xué)的 Walsh 教授的設(shè)計(jì)就讓人眼前一亮。該團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，拋棄了傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新性的提出了像衣服般柔軟的下肢外骨骼，利用柔性彈力繩布置在人體的各個(gè)受力關(guān)鍵點(diǎn)，在起到協(xié)助人體運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，不給使用者增加身體和心里上的負(fù)擔(dān)，設(shè)計(jì)科學(xué)合理，應(yīng)用前景廣泛。 相比較于國(guó)外，國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究較晚，技術(shù)較為落后，但近幾年國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目的大力支持下也取得了卓越的成效。如華中科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)，和中科院等，提出了各自的新設(shè)計(jì)新思路。圖 1.7 為浙江大學(xué)自主研發(fā)的多自由度下肢外骨骼助力機(jī)器人。在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)這兩個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)使用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。另外為了提高人機(jī)交互性能，預(yù)判使用者圖 1.1 哈迪曼 1 圖 1.2 MIT 外骨骼機(jī)器人 圖 1.3 HULC4意圖比如：屈膝、伸腿等，設(shè)計(jì)者還在其腳底板設(shè)置壓力變化傳感器并將其輸入到主控板上，再將其反饋到主動(dòng)關(guān)節(jié)的氣缸的位移控制信號(hào)上，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作。電子科技大學(xué)也自主研發(fā)了一款下肢外骨骼。其創(chuàng)新點(diǎn)在于利用傳感器預(yù)判使用者運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，將信號(hào)反饋給主動(dòng)關(guān)節(jié)配合其動(dòng)作。這套主要面向殘障人士，還配備了兩根拐杖協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，輔助殘障人士行走如圖 1.8 所示。中科院先進(jìn)制造技術(shù)研究所自主研發(fā)了一款使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多自由度助力下肢外骨骼，由于使用了高精度的電機(jī)及傳感器，體積和質(zhì)量都較大，正在試驗(yàn)階段。圖 1.7 浙江大學(xué)機(jī)器人 圖 1.8 電子科大機(jī)器人 圖 1.9 中科院下肢機(jī)器1.2.2 驅(qū)動(dòng)形式下肢外骨骼的驅(qū)動(dòng)方法主要有電氣驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、繩驅(qū)動(dòng)等。液壓驅(qū)動(dòng)雖然可以提供較大的功率輸出，但是眾所周知液壓設(shè)備具有體積巨大、價(jià)格昂貴、污染高等缺陷不適合下肢外骨骼這樣小型的設(shè)備使用。氣壓驅(qū)動(dòng)的和液壓驅(qū)動(dòng)一樣，只是將載體由液壓油變?yōu)闅怏w。但是相比于液壓驅(qū)動(dòng)氣壓驅(qū)動(dòng)功率小很多，并且空氣的壓縮形變較大，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)時(shí)沖擊較大。運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)導(dǎo)致，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的位置控制。給下肢外骨骼的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)增加了許多難度。電氣驅(qū)動(dòng)具有很多優(yōu)點(diǎn)比如反應(yīng)快速、運(yùn)動(dòng)精度高、體積小，控制精確等。但是下肢外骨骼與工業(yè)機(jī)器人不同，最終目的是達(dá)到人機(jī)的協(xié)調(diào)配合。將電機(jī)設(shè)置在主動(dòng)關(guān)節(jié)上，導(dǎo)致人機(jī)穿戴偏差大，使用者舒適性降低。而且電機(jī)體積和重量都比較大，給使用者增加了不小的負(fù)擔(dān)。某些進(jìn)口電機(jī)價(jià)格高昂，最終使得整機(jī)加工居高不下，難以面向市場(chǎng)。5考慮到這些問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)的下肢外骨骼采用繩驅(qū)動(dòng)的方式。繩驅(qū)動(dòng)相較于電機(jī)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，在保證輸出功率的同時(shí)，重量更輕、體積更小、更易于實(shí)現(xiàn)控制。由此可見(jiàn)，繩驅(qū)動(dòng)具有運(yùn)動(dòng)速度快，控制精度高，柔性驅(qū)動(dòng)，價(jià)格低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)。1.3 本文研究?jī)?nèi)容（1）閱讀國(guó)內(nèi)外最新下肢外骨骼的研究情況及文獻(xiàn)，分析研究人體下肢的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，形成自己獨(dú)立的思考，并設(shè)計(jì)完成一種基于繩驅(qū)的新型下肢外骨骼。（2）自主設(shè)計(jì)完成一種下肢外骨骼，完成三維繪圖及二維工程圖的繪制，并制作樣機(jī)驗(yàn)證其可行性。（3）利用 D—H 方法建立下肢外骨骼的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。分析計(jì)算下肢外骨骼的運(yùn)動(dòng)空間，討論其與人體運(yùn)動(dòng)空間的擬合程度。之后以膝關(guān)節(jié)以下的人機(jī)穿戴進(jìn)行分析，進(jìn)行建模討論穿戴偏差。最后用有限元分析軟件 ANSYS 對(duì)關(guān)鍵軸類(lèi)零件進(jìn)行計(jì)算校核，最后計(jì)算軸承壽命。（4）加工各個(gè)零部件組裝樣機(jī)，選擇硬件例如主控器、傳感器、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器等，對(duì)控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，在 LabVIEW 環(huán)境編程，搭建運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)，最終對(duì)該下肢外骨骼的結(jié)構(gòu)和控制方案進(jìn)行驗(yàn)證。6第二章 下肢外骨骼總體方案設(shè)計(jì)2.1 人體下肢運(yùn)動(dòng)規(guī)律2.1.1 人體基本面和基本軸如圖 2.1 是人體的基本面和基本軸的劃分。從人體的相對(duì)幾何中心開(kāi)始，建立了一個(gè)直角坐標(biāo)系各軸兩兩垂直，垂直于地面向上的軸稱(chēng)為垂直軸；水平從后向前與人體目光方向一致的軸稱(chēng)為矢狀軸；水平從左向右并且同時(shí)垂直于縱轉(zhuǎn)軸和矢狀轉(zhuǎn)軸的軸稱(chēng)為額狀軸。這三軸分別為水平面、額狀面、和矢狀面的法向量。2.1.2 人體下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)理人體的各個(gè)關(guān)節(jié)都主要由骨、關(guān)節(jié)和骨骼肌三者組成，關(guān)節(jié)內(nèi)存在關(guān)節(jié)軟骨、韌帶及脂肪等。對(duì)人體下肢的主要關(guān)節(jié)有三個(gè)，分別是髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。恥骨、坐骨、髖骨、組成髖關(guān)節(jié)；髕骨和脛骨則構(gòu)成膝關(guān)節(jié)；脛骨的下關(guān)節(jié)面及內(nèi)、外踝關(guān)節(jié)面構(gòu)成踝關(guān)節(jié)。外部的肌肉起到牽拉、覆蓋及保護(hù)的作用，關(guān)節(jié)內(nèi)則有軟組織和脂肪提供潤(rùn)滑與保護(hù)。髖關(guān)節(jié)，為杵臼關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)表面覆蓋軟組織，內(nèi)部充滿(mǎn)滑脂。每當(dāng)關(guān)節(jié)內(nèi)壓力增大滑脂被擠出壓力減小滑脂吸入，使得關(guān)節(jié)內(nèi)壓力始終保持平衡。其主要運(yùn)動(dòng)為奔跑時(shí)的前后屈伸及左右跨步時(shí)的外旋和內(nèi)旋。膝關(guān)節(jié)，為滑車(chē)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)內(nèi)有一個(gè)由股骨內(nèi)、外側(cè)髁和脛骨內(nèi)、外側(cè)髁以及髕骨組成的關(guān)節(jié)腔，關(guān)節(jié)面上覆蓋一層光滑的關(guān)節(jié)軟骨。在收縮及伸直狀態(tài)時(shí)，肌肉及韌帶收緊，無(wú)法做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，只能前后屈伸，因此將其簡(jiǎn)化為僅具有屈伸自由度。踝關(guān)節(jié)也是一個(gè)滑車(chē)關(guān)節(jié)，主要有由脛骨的下關(guān)節(jié)面及內(nèi)、外踝關(guān)節(jié)面構(gòu)成，可以做背屈或跖屈運(yùn)動(dòng)。因?yàn)轷钻P(guān)節(jié)處的韌帶和肌肉都較為薄弱，運(yùn)動(dòng)角度又限制較大，故將其簡(jiǎn)化為一個(gè)被動(dòng)的單自由度的鉸鏈， 腿部肌肉組成如圖 2.3 在此不再贅述。髖關(guān)節(jié) 膝關(guān)節(jié) 踝關(guān)節(jié)7伸/屈 外旋/內(nèi)旋 外展/內(nèi)收 屈/伸 背伸/趾屈 外旋/內(nèi)旋120°/-30° 60°/-30° 80°/-35° 0°/-90° 25°/-30° 40°/-40°表 2.1 人體下肢基本運(yùn)動(dòng)范圍圖 2.1 人體劃分 圖 2.2 下肢骨骼 圖 2.3 下肢肌肉2.2 設(shè)計(jì)原則（1）強(qiáng)化功能實(shí)用性。設(shè)計(jì)初衷即考慮下肢外骨骼康復(fù)訓(xùn)練及助力，強(qiáng)化實(shí)用功能，摒棄冗余結(jié)構(gòu)，盡可能達(dá)到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能全面。（2）增強(qiáng)零件工藝性。在設(shè)計(jì)零部件時(shí)，要考慮加工、制造及裝配時(shí)的情況，盡可能在保證零件精度的同時(shí)，減小制造難度，降低成本，提高實(shí)用性。（3）強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)舒適性，設(shè)計(jì)始終立足以人為本，考慮穿戴者使用時(shí)感受降低人機(jī)連接偏差，達(dá)到穿戴無(wú)負(fù)擔(dān)，使用舒適，操作簡(jiǎn)單，響應(yīng)迅速。 （4）保證零件可靠性，在滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度的情況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使用高性能材料，盡量降低運(yùn)動(dòng)慣量。2.3 整體方案2.3.1 整體方案根據(jù)上述原則，現(xiàn)將總體方案描述如下：（1）背板作為驅(qū)動(dòng)及控制裝置的主要安裝位置，同時(shí)也是人機(jī)鏈接的重要部分。背板預(yù)留孔位，設(shè)置彈性綁帶，可根據(jù)不同體型的用戶(hù)調(diào)節(jié)，使用者可以像背起書(shū)包一樣的輕松的背起背板，自由活動(dòng)不受位置的限制，滿(mǎn)足日?？祻?fù)活動(dòng)的需8求。（2）大腿、小腿板的形狀類(lèi)似錐形，中部鏤空減輕質(zhì)量，減小使用者負(fù)擔(dān)。為滿(mǎn)足不同體型和身高的使用者，利用鎖緊滑塊機(jī)構(gòu)完成長(zhǎng)度調(diào)節(jié)的功能。真正做到以人為本。（3）髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)作為主動(dòng)關(guān)節(jié)，其軸心與人體關(guān)節(jié)軸心重合起到輔助人體運(yùn)動(dòng)的功能。V 型張緊板指向繩驅(qū)線(xiàn)盤(pán)軸心，對(duì)鋼繩起到固定和張緊的作用。背部驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)鋼繩運(yùn)動(dòng)并并最終傳到到髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)線(xiàn)盤(pán)。 （4）為增強(qiáng)人機(jī)配合，腿部還設(shè)置了可移動(dòng)鎖緊滑塊綁腿機(jī)構(gòu)，便于不同使用者進(jìn)行調(diào)節(jié)。（5）小腿板和腳踝板通過(guò)腳踝軸進(jìn)行連接，腳踝軸兩端皆配置軸承，使得小腿板和腳踝板可以相對(duì)移動(dòng)。由前述可知，踝關(guān)節(jié)較為薄弱，易發(fā)生關(guān)節(jié)積液、韌帶撕裂及扭傷，故踝關(guān)節(jié)處設(shè)置單自由度。關(guān)節(jié)內(nèi)部也布置限位，防止過(guò)度屈伸為使用者帶來(lái)傷害，起到保護(hù)使用者踝關(guān)節(jié)的作用。圖 2.4 分別為主視圖、右視圖和后視圖。圖 2.4 主視圖 圖 2.4 右視圖 圖 2.4 后視圖2.3.2 整體尺寸依據(jù)中國(guó)居民平均身高分布中的數(shù)據(jù)，男性的平均身高范圍在 168cm-175cm，女性則在 158cm-168cm。為提高該設(shè)計(jì)的通用性設(shè)置腿部變長(zhǎng)機(jī)構(gòu)，將大腿的可調(diào)整范圍確定為 400cm-530cm，小腿可調(diào)整范圍確定為 320cm-420cm。僅僅 設(shè) 置 變 長(zhǎng) 機(jī) 構(gòu) 還 遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 不 夠 ， 考 慮 到 人 機(jī) 連 接 的 舒 適 性 。 在 背 板 上 預(yù) 留 孔 位 ， 設(shè) 置長(zhǎng) 度 可 調(diào) 節(jié) 的 彈 性 綁 帶 ， 將 驅(qū) 動(dòng) 器 、 減 速 器 、 電 機(jī) 及 關(guān) 鍵 控 制 設(shè) 備 固 定 在 背 板 上 可9以 隨 使 用 者 運(yùn) 動(dòng) 。 為 適 應(yīng) 不 同 使 用 者 的 不 同 的 身 高 和 體 型 ， 大 腿 及 小 腿 固 定 綁 帶 的滑 塊 位 置 也 可 做 出 調(diào) 整 。 踝 關(guān) 節(jié) 設(shè) 置 被 動(dòng) 自 由 度 ， 不 設(shè) 置 腳 板 而 是 在 踝 關(guān) 節(jié) 板 處 設(shè)置 卡 槽 ， 將 使 用 者 原 有 的 鞋 固 定 在 上 面 增 強(qiáng) 適 應(yīng) 性 和 舒 適 性 。 在 soildworks 中 選 擇材 料 屬 性 ， 考 慮 到 使 用的 便 捷 性 和 舒 適 性 ， 通 過(guò) 簡(jiǎn) 單 計(jì) 算 考 慮 使 用 輕 且 堅(jiān) 固 的 鋁 合 金 作 為 板 件 的 主 要 材 料 ，背 板 考 慮 使 用 美 觀(guān) 堅(jiān) 固 的 有 機(jī) 玻 璃 ， 軸 類(lèi) 則 考 慮 使 用 不 銹 鋼 進(jìn) 行 加 工 。 布 置 完 材 料后 ， 核 算 整 機(jī) 包 括 電 機(jī) 及 驅(qū) 動(dòng) 設(shè) 備 質(zhì) 量 約 為 13kg， 體 積 約 為 相 對(duì) 與 其5.5×106mm3他 常 見(jiàn) 設(shè) 備 對(duì) 人 體 負(fù) 擔(dān) 很 小 。 整 機(jī) 左 右 寬 度 520mm 左 右 ， 前 后 寬 度 390mm 左 右 ， 上下 高 度 1300mm， 兩 者 均 可 做 出 調(diào) 整 。 圖 2.5 為 下 肢 外 骨 骼 在 CAD 中 的 總 裝 圖 。 2.4 本章小結(jié)本章開(kāi)篇首先對(duì)人體下肢的關(guān)節(jié)進(jìn)行了介紹，建立起了對(duì)人體下肢結(jié)構(gòu)的基本認(rèn)識(shí)，并由此來(lái)安排每個(gè)關(guān)節(jié)的自由度結(jié)構(gòu)方案。而后確定下肢外骨骼設(shè)計(jì)的原則并且對(duì)整機(jī)的方案進(jìn)行了規(guī)劃，最后對(duì)相關(guān)硬件的選型做了介紹表格說(shuō)明了各項(xiàng)指標(biāo)及參數(shù)。圖 2.5 主視圖 圖 2.5 右視圖圖 2.5 俯視圖10第三章 下肢外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 繩驅(qū)動(dòng)線(xiàn)盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要將電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為鋼繩的拉力，再將拉力轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)主動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩則需要一種動(dòng)力轉(zhuǎn)換裝置，利用繩驅(qū)線(xiàn)盤(pán)將鋼繩的拉力轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)矩將其輸入到主動(dòng)關(guān)節(jié)，如圖 3.1 所示即為髖關(guān)節(jié)繩驅(qū)示意圖，髖關(guān)節(jié)設(shè)置為單自由度。老式線(xiàn)盤(pán)如圖 3.2 工作時(shí)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器工作使得 A 線(xiàn)張緊， B 線(xiàn)放松為順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，反之逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，兩邊對(duì)稱(chēng)設(shè)置擋位卡槽以固定鋼繩。改進(jìn)后新的繩驅(qū)線(xiàn)盤(pán)將邊緣線(xiàn)槽改為螺旋線(xiàn)，只需一根鋼繩，兩次通過(guò)擋位卡槽進(jìn)行張緊。線(xiàn)槽深 3mm起導(dǎo)向及約束的作用。V 型張緊板與線(xiàn)盤(pán)的圓心對(duì)齊，使得鋼繩沿著線(xiàn)盤(pán)的圓周切向方向運(yùn)動(dòng)。圖 3.1 新繩驅(qū)線(xiàn)盤(pán) 圖 3.2 舊繩驅(qū)線(xiàn)盤(pán)3.2 髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.2.1 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)髖關(guān)節(jié)，由第二章可知屬于杵臼關(guān)節(jié)，主要可做后伸或外旋以及大腿外展。11本質(zhì)上屬于球角關(guān)節(jié)，但是在實(shí)際應(yīng)用中球角關(guān)節(jié)不僅難以與人體配合，更無(wú)法現(xiàn)實(shí)驅(qū)動(dòng)?？紤]到髖關(guān)節(jié)的主要運(yùn)動(dòng)，將其簡(jiǎn)化為單自由度轉(zhuǎn)動(dòng)副使得其可控制性、穩(wěn)定性增強(qiáng)，使用更加簡(jiǎn)單。髖關(guān)節(jié)的傳動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)采用疊加傳遞的形式，繩驅(qū)線(xiàn)盤(pán)中心軸線(xiàn)與關(guān)節(jié)中心軸線(xiàn)重合。繩驅(qū)線(xiàn)盤(pán)置于最外端與大腿圓盤(pán)相固定，大腿圓盤(pán)作為驅(qū)動(dòng)的平臺(tái)，繩驅(qū)線(xiàn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)大腿運(yùn)動(dòng)，大腿圓盤(pán)在其孔位兩端設(shè)置擋邊軸承和卡簧對(duì)軸進(jìn)行定位。髖關(guān)節(jié)軸設(shè)置為階梯軸，一端留有直徑 1.5mm 孔位放置編碼器，將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號(hào)來(lái)控制角位移，另一端與髖關(guān)節(jié)圓盤(pán)固定，兩者預(yù)留3mm 間隙以減小摩擦力的不利影響。并參照表 2.1 可知髖關(guān)節(jié)屈/伸角度為 120°/-30° 實(shí)際步行范圍則小于最大屈/伸度。為防止過(guò)度屈伸保護(hù)使用者在關(guān)節(jié)內(nèi)設(shè)置限位。如圖 3.3 為膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)剖面圖。同時(shí)為防止下肢外骨骼過(guò)度屈伸，關(guān)節(jié)內(nèi)增加限位以達(dá)到在保護(hù)使用者關(guān)節(jié)不受侵害的同時(shí)，給予助力，關(guān)節(jié)限位如圖3.4 所示，3.5為總裝圖。1 髖關(guān)節(jié)板、2 髖關(guān)節(jié)軸、3 限位、4 大腿板、5 卡簧、6 軸承、7 線(xiàn)盤(pán)圖 3.3 膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)剖面圖1 髖關(guān)節(jié)板、2 限位塊 a、 3 限位塊 b、4 大腿板、12圖 3.4 髖關(guān)節(jié)限位示意1 大腿板、2 線(xiàn)盤(pán)、3 髖關(guān)節(jié)軸、4 髖關(guān)節(jié)板圖 3.5 髖關(guān)節(jié)總裝3.2.2 膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)與髖關(guān)節(jié)較為相似，設(shè)置大腿滑塊，內(nèi)有滑道及簧片，調(diào)節(jié)緊定螺釘可以調(diào)節(jié)大腿長(zhǎng)度，膝關(guān)節(jié)圓盤(pán)與其固連。傳動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)依然采取疊加傳遞的方式。繩驅(qū)線(xiàn)盤(pán)中心軸線(xiàn)與關(guān)節(jié)中心軸線(xiàn)重合置于最外端與小腿圓盤(pán)相固定，小腿圓盤(pán)作為驅(qū)動(dòng)的平臺(tái)，繩驅(qū)線(xiàn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)小腿運(yùn)動(dòng)，小腿圓盤(pán)在其孔位兩端設(shè)置擋邊軸承和卡簧對(duì)軸進(jìn)行定位。膝關(guān)節(jié)軸依然設(shè)置為階梯軸，一端留有直徑1.5mm 孔位放置編碼器，將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號(hào)來(lái)控制角位移。另一端與膝關(guān)節(jié)圓盤(pán)固定，兩者預(yù)留 3mm 間隙以減小摩擦力的不利影響。并參照表 2.1可知膝關(guān)節(jié)屈/伸角度為 120°/-30° 實(shí)際步行范圍則小于最大屈/伸度。為防止過(guò)度屈伸保護(hù)使用者在關(guān)節(jié)內(nèi)設(shè)置限位圖 3.6 為膝關(guān)節(jié)剖面圖，膝關(guān)節(jié)總裝示意圖如3.7 所示。1 線(xiàn)盤(pán)、2 軸承、3 卡簧、4 大腿板、5 膝關(guān)節(jié)軸、6 小腿、133.6 膝關(guān)節(jié)剖面圖1 大腿、2 膝關(guān)節(jié)軸、3 線(xiàn)盤(pán)、4 小腿、3.7 膝關(guān)節(jié)總裝3.2.3 關(guān)鍵軸髖關(guān)節(jié)軸和膝關(guān)節(jié)軸是設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)鍵，考慮到關(guān)節(jié)處承受較大載荷，在挑選材料時(shí)，不僅要采用高強(qiáng)、高韌的材料，還應(yīng)在一定程度上保證其價(jià)格低廉、加工性能好。查看機(jī)械加工手冊(cè)，考慮使用 304 鋼作為軸的材料。根據(jù)預(yù)估載荷進(jìn)行初步估算，將髖關(guān)節(jié)軸徑尺寸定為 10mm。髖關(guān)節(jié)軸主要承受大腿板及人體下肢重量帶來(lái)的彎矩，而不承受扭矩，故可將該軸視為心軸?？紤]到該軸采取疊加傳動(dòng)的方式，將其設(shè)置為階梯軸，設(shè)計(jì)軸的直徑為 10mm，設(shè)計(jì)軸肩的直徑為 12mm，軸向長(zhǎng)度 28mm。在 SOILDWORKS 中配置材料估測(cè)質(zhì)量為 0.01kg，其方案設(shè)計(jì)如圖 3.8 所示。膝關(guān)節(jié)軸相似，但軸向長(zhǎng)度 24mm，設(shè)計(jì)軸的直徑為 10mm，設(shè)計(jì)軸肩的直徑為 15mm，估測(cè)質(zhì)量為 0.01kg。方案如圖 3.9。圖 3.8 髖關(guān)節(jié)軸 圖 3.9 膝關(guān)節(jié)軸143.3 大腿及小腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簧片調(diào)節(jié)兩者間隙，增大摩擦提高穩(wěn)定性。使用者穿戴上后，松開(kāi)緊定螺釘，大腿末端即可在鎖緊滑塊中滑動(dòng)，調(diào)節(jié)到合適的位置后，擰緊緊定螺釘，防止相對(duì)移動(dòng)。大腿末端安裝限位塊，保證大腿板不會(huì)滑脫?？紤]到人機(jī)連接，為適應(yīng)不同體型和身高的使用者，設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)相似的可移動(dòng)鎖緊滑塊。該滑塊可以在腿部末端滑動(dòng)以調(diào)節(jié)綁腿位置。在其上固定彈性綁帶人機(jī)連接緊密便于穿戴，圖 3.10 為大腿總裝圖，3.11 為小腿總裝圖。1 髖關(guān)節(jié)板、2 大腿板、3 可移動(dòng)鎖緊滑塊、4 線(xiàn)盤(pán)、5V 型張緊板圖 3.10 大腿總裝1V 型張緊板、2 線(xiàn)盤(pán)、3 小腿、4 可移動(dòng)鎖緊滑塊、 5 鎖緊滑塊、6 限位圖 3.11 小腿總裝3.4 踝關(guān)節(jié)及足部設(shè)計(jì)由前述可知，踝關(guān)節(jié)較為薄弱，外旋、內(nèi)旋角度較小易發(fā)生扭傷及韌帶撕裂等傷害。為保護(hù)使用者，在踝關(guān)節(jié)處布置單自由度，踝關(guān)節(jié)軸端上布置擋邊軸承使得腳踝板和小腿板可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。關(guān)節(jié)內(nèi)部同樣設(shè)置限位保證在上述角度范圍內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)而不會(huì)超出該范圍起到保護(hù)使用者的作用。 1 小腿板、2 軸承、3 腳踝軸、4 腳踝板、5 卡簧15圖 3.12 踝關(guān)節(jié)剖面圖3.5 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器是實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的重要部件。在驅(qū)動(dòng)器的選擇上考慮到外部沖擊和碰撞以及人體下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)機(jī)理。決定選用旋轉(zhuǎn)式串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器 SEA。串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器 SEA 得主要組成部件如圖 3.13 所示。其中 Maxon 的盤(pán)式電機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源。其輸出端與輸入齒輪連接，輸入齒輪與內(nèi)套筒齒圈嚙合，支架支撐固定外套筒，內(nèi)套筒與外套筒之間安裝深溝球軸承，可以產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。接通電源后，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)內(nèi)套筒轉(zhuǎn)動(dòng)，外套筒與內(nèi)套筒之間發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。繩驅(qū)線(xiàn)盤(pán)安裝在外套筒末端，輸出角位移。其結(jié)構(gòu)如圖 3.13 所示。1 四叉輸入件、2 線(xiàn)性彈簧、3 內(nèi)套筒、4 外套筒、5 軸承、6 線(xiàn)盤(pán)、7 電機(jī)、8 底座、9 編碼器底座、10 增量式編碼圖 3.13 驅(qū)動(dòng)器3.6 本章小結(jié)本章首先介紹了柔性驅(qū)動(dòng)下肢外骨骼的工作原理及安裝方式對(duì)比新舊兩個(gè)不同線(xiàn)盤(pán)。之后具體介紹了主動(dòng)關(guān)節(jié)的解構(gòu)和配置，分析了髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的具體結(jié)構(gòu)，列出了關(guān)鍵軸的參數(shù)和大腿、小腿、踝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)方案，最后對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)了說(shuō)明，整機(jī)的總裝配圖及各個(gè)零件名稱(chēng)如下圖所示。161 背 板 、 2T 型 限 位 、 3 腰 板 、 4 可 移 動(dòng) 鎖 緊 滑 塊 綁 腿 、 5 鎖 緊 滑 塊 、 6 踝 關(guān) 節(jié) 板 、7 驅(qū) 動(dòng) 器 、 8 髖 關(guān) 節(jié) 、 9 大 腿 、 10 膝 關(guān) 節(jié) 、 11 小 腿 、 12 踝 關(guān) 節(jié)圖 3.14 整 機(jī) 的 總 裝17第四章 下肢外骨骼運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和零部件校核本章將首先討論下肢外骨骼的空間運(yùn)動(dòng)范圍，探討其與人體空間運(yùn)動(dòng)范圍的擬合程度。之后再對(duì)下肢外骨骼的人機(jī)連接情況及位姿關(guān)系進(jìn)行分析，討論其偏差。最后對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行校核，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)可靠性。4.1 D-H 模型運(yùn)動(dòng)學(xué)及運(yùn)動(dòng)空間分析4.1.1 D-H 模型模型運(yùn)動(dòng)學(xué)正解本文設(shè)計(jì)的下肢外骨骼，具有兩個(gè)主動(dòng)和一個(gè)被動(dòng)關(guān)節(jié)可以采用機(jī)器學(xué)中常用得 D-H 方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。要建立下肢外骨骼的直角空間坐標(biāo)系，首先要將機(jī)器人拆分為各個(gè)不具有運(yùn)動(dòng)副的剛體，在每個(gè)剛體上設(shè)置一個(gè)坐標(biāo)系，并據(jù)此列出一個(gè)含有位移和轉(zhuǎn)角等參數(shù) 4×4 的齊次變換矩陣。利用該矩陣可以對(duì)對(duì)相鄰兩剛體的空間位置關(guān)系進(jìn)行描述。然后利用公式，依次推導(dǎo)變換最終可得出末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對(duì)于初始坐標(biāo)系的位姿，從而建立起機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。將下肢外骨骼的初始位置定義為人體自然直立，大腿小腿自然下垂，且兩者共線(xiàn)。此時(shí)，各關(guān)節(jié)角均為零。設(shè)腰部后板固定端為基坐標(biāo)系。簡(jiǎn)化后的下周外骨骼坐標(biāo)系如圖 5.1 所示。圖 5.1 下肢外骨骼坐標(biāo)系18得到 D—H 參數(shù)表如下：關(guān)節(jié) i αi-1 ai-1 di θi 關(guān)節(jié)變量運(yùn)動(dòng)范圍1 0 0 0 0 02 -90° 0 l1 0 03 90° 0 -l2 0 04 0 l3 0 ??1 120°/-30°5 0 l4 0 ??2 0°/-90°6 0 l5 0 ??3 25°/-30°表 5.1 下肢外骨骼 D-H 參數(shù)表各個(gè)量的含義如下：變量 ：由坐標(biāo)軸 到坐標(biāo)軸 ,繞坐標(biāo)軸 旋轉(zhuǎn)的角度； ?????1 ?????1 ???? ?????1變量 ：由坐標(biāo)軸 到坐標(biāo)軸 , 沿坐標(biāo)軸 移動(dòng)的距離； ?????1 ?????1 ???? ?????1變量 ：從 到 ，繞 旋轉(zhuǎn)的角度；???? ?????1 ???? ????變量 ：從 到 ，沿 移動(dòng)的距離。???? ?????1 ???? ????下肢外骨骼，將其視為一個(gè)連桿坐標(biāo)系，坐標(biāo)系 i 與坐標(biāo)系 i-1 都是以上四個(gè)參數(shù)的函數(shù)并通過(guò)以上四個(gè)參數(shù)相關(guān)聯(lián)。=Rot(X， )Trans（X, ）Rot(Z, ) Trans（Z, ） （4.1）i-1i?? ?????1 ?????1 ???? ????=Screw (X， ) Screw (Z, , ) （4.2）i-1i?? ?????1, ?????1 ????????= （4.3）i-1i??(c??i -s??is??ic?????1?????????????1 0 ai-1????????1 ????????????1?????????????1?????????????10 0 ???????1???????????10 1 )上式中各個(gè)符號(hào)意義如下：Rot（x ）——代表旋轉(zhuǎn)變換矩陣，表示繞 x 軸旋轉(zhuǎn) 度；， ?? ??Trans（x ）——代表平移變換矩陣，表示沿 x 軸平移距離為 r， r ；19Screw（x ）——代表旋轉(zhuǎn)變換矩陣，表示沿 x 軸平移距離為 r，并且， ?? ,??繞 x 軸旋轉(zhuǎn) 度。??c ——cos?? ??s ——sin?? ??將下肢外骨骼 D-H 參數(shù)表中的各個(gè)數(shù)據(jù)依次帶入方程（4.3）中，可以得到：= （4.4）01??(1 00 1 0 00 00 00 0 1 00 1)= （4.12????????(??1,?900)??????????(??1,??1)=(1 00 ???????(?900) 0 0????????(?900) 00 ???????(?900)0 0 ???????(?900) ??10 1)5）= （4.623????????(??2,?900)??????????(??2,???2)=(1 00 ???????(900) 0 0????????(900) 00 ???????(900)0 0 ???????(900) ???20 1 )）= （4.7）34????????(??3,??1)??????????(??3,???3)=(????????1?????????1????????1????????10 ???30 00 00 0 1 00 1 )= 45????????(??4,??2)??????????(??4,???4)=(cos??2-sin??2sin??2cos??20 -??40 00 00 0 1 00 1 )（4.8）= （4.9）56????????(??5,??3)??????????(??5,???5)=(cos??3 -sin??3sin??3 cos??3 0 -??50 00 00 0 1 00 1 )20= = （4.10）06??01??12??23??34??45??56??(????????????????a??????a??????????????0 0 a??????0 1){nx=???????（ ??1+??2+??3）ny=-???????（ ??1+??2+??3）nz=0????=sin（ ??1+??2+??3）????=cos（ ??1+??2+??3）oz=0ax=0ay=0az=1????=??3+??5×??????（ ??1+??2） +??4×????????1????=??1-??5×??????（ ??1+??2） -??4×sin??1????=???2