柔性下肢外骨骼設(shè)計

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摘 要軍用外骨骼系統(tǒng)是一種穿戴在單兵身體上的伴隨式智能裝備系統(tǒng)通過同步“跟隨”人體運動，輔助單兵承重助力及負(fù)重機動，有效提升單兵的搬移托舉能力、承載攜行能力和快速機動能力，在后裝物資裝填搬移保障、物資伴隨支援保障、邊防巡邏保障等領(lǐng)域具有廣泛的軍事需求。國內(nèi)軍用外骨骼系統(tǒng)的發(fā)展尚處于研究試驗階段，其技術(shù)難點在于外骨骼對于人體運動的順應(yīng)性即外骨骼機器人的柔性。因此，本論文對柔性軍用下肢外骨骼機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化，完成了以下工作：（1）人體運動學(xué)的分析。為使外骨骼機器人與單兵的協(xié)調(diào)性達(dá)到最優(yōu)，外骨骼機器人的設(shè)計尺寸應(yīng)盡量貼合人體尺寸，其運動軌跡應(yīng)盡量符合人體正常運動。（2）軍用柔性下肢外骨骼各關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。下肢外骨骼系統(tǒng)設(shè)計包含：髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)，踝關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)連接及驅(qū)動部分。（3）軍用柔性下肢外骨骼關(guān)鍵零部件的靜力學(xué)分析?；?ANSYS Workbench 靜力學(xué)模塊，分析了踝關(guān)節(jié)關(guān)鍵零部件的靜變形和靜應(yīng)力，分析應(yīng)力分布特點，驗證機械結(jié)構(gòu)的靜強度與剛度。關(guān)鍵詞：外骨骼；柔性；軍用；結(jié)構(gòu)設(shè)計 ABSTRACTMilitary exoskeleton system (EXO) is a kind of accompanying intelligent equipment system which is worn on individual soldier's body. Through synchronous following human movement, assisting individual soldier's load-bearing assistance and load-bearing mobility, it can effectively enhance individual soldier's carrying capacity and rapid mobility. EXO has a wide range of military needs in the fields of backloading and moving support, material accompanying, border patrols support and so on. The development of EXO in China is still in the stage of research and experiment. The technical difficulty lies in the flexibility of exoskeleton to human motion, that is, the flexibility of exoskeleton robot. Therefore, the thesis has completed structure design and optimization of EXO. The main work is summarized as follows:Firstly, the analysis of Human Kinematics. In order to optimize the coordination between the EXO and the soldier, the design size of the EXO should be as close as possible to the human body size, and its trajectory should be as close as possible to the normal human motion.Secondly, structural design of External Skeleton Joints of Military Flexible Lower Limb exoskeleton robot (FLLX). The design of FLLX includes hip joint, knee joint, ankle joint, joint connection and driving part.Thirdly, the statics analysis of the key components of FLLX. ANSYS Workbench statics analysis module is used to analyze the static deformation and stress of key parts of External Skeleton ankle joint. So, stress distributions were obtained and analyzed. The static strength and stiffness of mechanical structure are verified.Key words: Exoskeleton; Flexible; Military; Structural design; 目 錄第 1 章 緒論 11.1 研究背景及意義 11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.2.1 外骨骼機器人 11.2.2 驅(qū)動方式 61.3 本論文的主要內(nèi)容 7第 2 章 下肢外骨骼機器人總體方案 92.1 人體運動學(xué)分析 92.1.1 人體基本面與軸 .92.1.2 人體下肢運動學(xué)分析 .102.2 軍用柔性下肢外骨骼機器人總體方案 132.2.1 設(shè)計原則與要求 132.2.2 尺寸設(shè)計及外觀設(shè)計方案 142.2.3 驅(qū)動與傳動方案 152.3 本章小結(jié) .16第 3 章 下肢外骨骼機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 .173.1 髖關(guān)節(jié) 173.2 膝關(guān)節(jié) 203.2.1 主動自由度設(shè)計 203.2.2 繩驅(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計 213.3 踝關(guān)節(jié) 213.4 非關(guān)節(jié)處 .243.5 本章小結(jié) .26第 4 章 下肢外骨骼機器人結(jié)構(gòu)校核 .274.1 重要軸、連接件的載荷分布 274.1.1 髖關(guān)節(jié)處 274.1.2 踝關(guān)節(jié)處 284.2 軸的校核 .294.2.1 軸的強度校核 294.2.2 軸的剛度校核 304.3 關(guān)鍵非規(guī)則零部件靜力學(xué)分析 324.4 本章小結(jié) 34第 5 章 總結(jié)與展望 .355.1 總結(jié) 355.2 展望 36參考文獻(xiàn) 37致 謝 391第 1 章 緒論1.1 研究背景及意義隨著科技的發(fā)展，人機智能，人工協(xié)調(diào)技術(shù)的日益跟進(jìn)，更多的機械智能裝備被廣泛應(yīng)用于軍事作戰(zhàn)，而在單兵作戰(zhàn)和邊境巡邏等軍事行動中，士兵可持續(xù)作戰(zhàn)能力起到了至關(guān)重要的作用，利用智能裝備加強單兵作戰(zhàn)能力已成為各國廣泛采用的軍事手段，機械動力外骨骼機器人 [1]作為直接加強單兵作戰(zhàn)的一種智能裝備，其發(fā)展刻不容緩。柔性下肢外骨骼作為機械動力外骨骼系統(tǒng)一個極具前景的方向，其在輔助士兵進(jìn)行軍事行動方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。下肢外骨骼通過對下肢提供助力來減少士兵行動時的力量損耗，同時下肢外骨骼最終會延續(xù)到地面，因此它還可以用來傳遞載荷。因為軍用外骨骼必須是靈活和順從的，因此下肢外骨骼的自重應(yīng)有所限制并且其運動不應(yīng)當(dāng)阻擋人體運動。軍用下肢外骨骼機器人的使用目的在于為穿戴士兵提供移動輔助并降低移動的代謝成本即攜帶裝備和外骨骼重量的士兵應(yīng)該比攜帶裝備消耗更少的能量。而現(xiàn)階段大多數(shù)外骨骼機器人僅能各自單獨實現(xiàn)移動助力和重物托載功能，因此應(yīng)用領(lǐng)域只能受限于康復(fù)醫(yī)療及工業(yè)作業(yè)。作為一個復(fù)雜系統(tǒng)，外骨骼機器人的研究領(lǐng)域?qū)儆趯W(xué)科交叉的復(fù)雜領(lǐng)域，其功能與性能的多樣化也得益于其它科學(xué)研究的推進(jìn)，例如軟體機器人與外骨骼的結(jié)合 [2]，新智能控制技術(shù)與外骨骼的結(jié)合 [3]。而現(xiàn)階段，輕量化始終是外骨骼機器人向前發(fā)展的首要前提，更加貼合人體運動始終是其向前發(fā)展的最終目標(biāo)。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 外骨骼機器人對外骨骼的研究探索最早起源于 20 世紀(jì) 60 年代美國。以將外骨骼作為增強人體機能的新式裝備實際投入戰(zhàn)場為目的,美國通用電氣公司開始了增力型外骨骼的探索，研發(fā)了第一款外骨骼機器人“哈迪曼” ，以此開啟了外骨骼機器人研究的大門。隨后日韓，歐洲等各國也相繼開始了外骨骼的研究。目前，美國和日本對2于外骨骼的研究處于世界領(lǐng)先地位 [4]，而我國由于起步較晚，對于外骨骼的研究仍處于基礎(chǔ)階段，但國家對于外骨骼研究項目的扶持力度正日益增大。外骨骼機器人發(fā)展至今，其分類也已逐漸明顯。從功能上來看，外骨骼機器人可分為助力增強型和康復(fù)型。助力外骨骼旨在增強穿戴者的運動能力，降低其運動時的代謝消耗；康復(fù)型外骨骼則用于病患?xì)埣驳目祻?fù)訓(xùn)練、糾正步姿或者作為義肢幫助行走。從應(yīng)用領(lǐng)域來看，外骨骼機器人可分為工業(yè)外骨骼機器人、醫(yī)療外骨骼機器人和軍用外骨骼機器人。從裝備范圍來看，外骨骼機器人可分為上肢外骨骼機器人、下肢外骨骼機器人和全身外骨骼機器人。下面主要闡述軍用外骨骼機器人的研究現(xiàn)狀。2009 年，美國加州大學(xué)伯克利分校與馬丁公司聯(lián)合研發(fā)制作出一款下肢外骨骼機器人 HULC[5]，如圖 1.1 所示。HULC 采用液壓驅(qū)動方式，液壓系統(tǒng)位于關(guān)節(jié)之間即小腿和大腿處，其原理是利用液壓力代替小腿大腿肌肉用力。雖然HULC 極大得改善了外觀尺寸和液壓系統(tǒng)效率，但其質(zhì)量仍然高達(dá) 32kg。圖 1.1 HULC同年 9 月,俄羅斯第三中央研究所研究出“勇士-21” 外骨骼系統(tǒng) [6]，如圖 1.2 所示。 “勇士-21”系統(tǒng)包括機械結(jié)構(gòu)部分及相應(yīng)的動力設(shè)備，不同點在于“勇士-21”帶有機械外框用于承載背包重量，背包中裝有液壓傳動系統(tǒng)和箱式微型空速傳感儀?！坝率?21” 外骨骼系統(tǒng)主要用于全面提升士兵運動能力，士兵在裝備好這套系統(tǒng)后滿負(fù)荷行進(jìn)時速度可達(dá)到 16 公里/小時。這套外骨骼的特點在于材質(zhì)，其表面金3屬采用納米技術(shù)，因此大大減少了外骨骼重量。但“勇士-21” 外骨骼系統(tǒng)有一項其他外骨骼的共性問題，能源問題。外骨骼系統(tǒng)的動力能源應(yīng)滿足功率大、續(xù)航性能好且無噪音的特點，而“勇士-21” 的續(xù)航能力僅有幾十分鐘。 圖 1.2 “勇士 -21” 圖 1.3 “Hercule”2011 年，法國武器裝備總署發(fā)布了一款由法國 RB3D 公司開發(fā)的動力下體外骨骼“Hercule”，如圖 1.3 所示。 “Hercule”最初是一個聯(lián)合軍事/民用外骨骼項目，但現(xiàn)在專門用于平民工作和工業(yè)作業(yè)。它是一種動力腿外骨骼，由兩條機械腿和一個水平承重支架組成，旨在減輕工人的負(fù)擔(dān)（包括其他可能的應(yīng)用） 。Hercule的獨特之處在于，如任務(wù)所需它可以在操作員的前面或后面使用。RB3D 正在繼續(xù)改進(jìn) Hercule 及其運動控制軟件。在巴黎舉行的 2016 年 Inno Robo - 人體機器人活動中，該公司展示了其新的外骨骼 Exo Push。它體積更大，背包可負(fù)載容量也變得相當(dāng)大。4圖 1.4 2013 年“Exosuit” 圖 1.5 2018 年“Exosuit”2013 年，美國哈佛大學(xué)創(chuàng)造性得設(shè)計研發(fā)了一款新式外骨骼“Exosuit” [7]，如圖 1.4 所示。 “Exosuit”引入柔性外骨骼的概念，其特點在于全柔性，它摒棄了以往剛性外骨骼的特征，將外骨骼機器人表面金屬材料的支撐全部換成了柔軟材料（如織布、棉、纖維） 。 “Exosuit”外骨骼的理念在于“ 使外骨骼能像衣服一樣穿在身上”。其采用線繩末端牽引驅(qū)動外骨骼進(jìn)行助力，所有的電源控制模塊等都置于背包背于身上，這樣的設(shè)計使得“Exosuit”人機協(xié)調(diào)性非常高（因為柔性材料是可以完全貼合人體運動進(jìn)行變形的） ，具有質(zhì)量輕、舒適度高、穿脫快捷、便攜等優(yōu)點，非常適用于戰(zhàn)場上快速作戰(zhàn)的環(huán)境。但同時它也存在著效率低、無法承重等不可忽略的缺陷。2018 年“Exosuit”在改進(jìn)外觀和控制方式后得到了進(jìn)一步的完善，如圖 1.5 所示，但仍未有辦法解決上述缺陷。2017 年，為了解決剛性外骨骼與柔性外骨骼承重能力與人機協(xié)調(diào)的沖突，韓國三星公司先進(jìn)制造部門研發(fā)了一款名為“S-Assist” [8]的下肢柔性外骨骼，如圖1.6 所示。 “S-Assist”采用剛性材料作支撐，使外骨骼承載的重物力導(dǎo)至地面，但精妙之處在于其在膝關(guān)節(jié)加入了可被動適應(yīng)人體膝關(guān)節(jié)運動的變瞬心機構(gòu)，在很大程度上增強了人機協(xié)調(diào)性。 “S-Assist”采用電機加繩驅(qū)的驅(qū)動方式通過驅(qū)動關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)來對穿戴者施加助力，這使得助力效率非常之高。但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外骨骼整體質(zhì)量仍然偏重。（a）5（b）圖 1.6 “S-Assist”2018 年，在莫斯科國際軍事技術(shù)論壇上，俄羅斯軍事公司TsNiiTochMash 展出了其開發(fā) Ratnik-3“未來士兵”套裝，如圖 1.7 所示。這款外骨骼套裝由鈦合金制成，并附有一層防彈衣，外骨骼表面全面覆蓋士兵身體，防護范圍大，防護能力強。另外，該款外骨骼機器人配置的背包可以承受 50 公斤的重量，但電源儲存不足的問題限制了其大量投入戰(zhàn)場應(yīng)用。 圖 1.7 “未來士兵” 套裝國內(nèi)的軍用外骨骼機器人發(fā)展仍然處于實驗室研發(fā)階段，就關(guān)鍵技術(shù)和工業(yè)造型而言與美日等外骨骼機器人先進(jìn)的國家還有一段距離。62004 年，中國科學(xué)研開始開展軍用外骨骼機器人相關(guān)研究，并研發(fā)出一款以伺服電機驅(qū)動的外骨骼機器人 [9]，如圖 1.8 所示。這款外骨骼在髖關(guān)節(jié)設(shè)置了 3個自由度，在膝關(guān)節(jié)設(shè)置有 1 個自由度，在踝關(guān)節(jié)也設(shè)置有 1 個自由度，同時他還在足底設(shè)置有 1 個自由度。通過外骨骼上的傳感器獲知人體運動信息從而對電機進(jìn)行控制。圖 1.8 中科院外骨骼機器人1.2.2 驅(qū)動方式軍用下肢外骨骼機器人的主動驅(qū)動方法有多種選擇，常見的驅(qū)動方式有：液壓氣壓驅(qū)動、電機直接驅(qū)動關(guān)節(jié)、電機帶動繩子驅(qū)動。1） 液壓氣壓驅(qū)動 液壓氣壓驅(qū)動常見于最早一批研究的軍用外骨骼機器人，由于人體在運動時肌肉會提供非常大的力，而早期外骨骼的想法是對人體大小腿肌肉進(jìn)行助力，由此需要外骨骼系統(tǒng)能提供足夠大的力，所以常采用液壓氣壓驅(qū)動。氣壓驅(qū)動結(jié)構(gòu)相對簡單，但缺點在于控制精度低、整體結(jié)構(gòu)體積過大，不適7合現(xiàn)實應(yīng)用，因此在往后發(fā)展的過程中，這種驅(qū)動方式被逐漸摒棄，外骨骼的驅(qū)動方式更加青睞于電機驅(qū)動。直到 2010 年隨著外骨骼機器人柔性概念的引入以及軟體機器人技術(shù)的日益成熟，液壓氣壓驅(qū)動在改進(jìn)尺寸設(shè)計后又重新被采用，其主要用于驅(qū)動軟體機器人部分從而驅(qū)動外骨骼機器人，如圖 1.9 所示，為上海交通大學(xué)與掣京公司聯(lián)合研發(fā)的軟體康復(fù)機器人手套。圖 1.9 軟體康復(fù)手套2） 電機直驅(qū)電機驅(qū)動是現(xiàn)今外骨骼機器人普遍采用的驅(qū)動方式之一。該種驅(qū)動的盛行主要得益于人們對助力對象的改變。研究發(fā)現(xiàn)，人體在運動過程中是通過肌肉產(chǎn)生足夠大的力來驅(qū)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動。因此，可以讓外骨骼機器人的助力點直接作用于關(guān)節(jié)，通過電機產(chǎn)生的扭矩來驅(qū)動關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)。電機直驅(qū)的優(yōu)點在于驅(qū)動高效率且便于控制，但會造成驅(qū)動的外骨骼機器人關(guān)節(jié)部位體積較大（電機行業(yè)有更多的超薄電機正在被研發(fā)制作，此問題有朝一日可以完全解決） 。同時電機的轉(zhuǎn)動慣量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，仍具有一定安全隱患。3） 繩驅(qū)為了解決電機直驅(qū)的問題，通過電機帶動繩子驅(qū)動的繩驅(qū)方式也被普遍采用。由于電機作為驅(qū)動源往往置于背后或者腰間的相對固定位置，有助于增加穿戴人機界面的緊湊性；在人機交互的過程中提供更好的舒適性和人體工程學(xué)特性 [10]，也極大得提高了驅(qū)動模塊的安全性能，同時線繩一端通過線輪固定在電機端，另一端作用在驅(qū)動對象上，可以使驅(qū)動器傳遞到在關(guān)節(jié)處的功率密度增加 5 倍并且提供更高的接觸剛度 [11]。柔性外骨骼機器人的驅(qū)動方式一般都采用此種驅(qū)動方式，本文所采設(shè)計的軍用柔性下肢外骨骼機器人的驅(qū)動方式也是繩驅(qū)。下面對上述三種外骨骼機器人驅(qū)動方式的優(yōu)缺點進(jìn)行總結(jié)見表 1.1。表 1.1 各種外骨骼驅(qū)動方式的優(yōu)缺點8驅(qū)動方式 優(yōu)點 缺點氣壓液壓驅(qū)動 供力大，功率大價格便宜，清潔能源效率低，噪音大，體積大，安全性能低，控制精度低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜電機直驅(qū) 簡單直接，效率高，控制精度高體積大，安全性能低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜繩驅(qū) 安全性能高，人機協(xié)調(diào)性能好，功率密度大需要合理的布線結(jié)構(gòu)，線繩選擇要求較嚴(yán)格1.3 本論文的主要內(nèi)容軍用下肢外骨骼由于使用環(huán)境的特殊要求，其既需要盡可能得擁有柔性外骨骼的柔性特征，又需要承擔(dān)起剛性外骨骼的載重功能。本文基于這樣一款軍用柔性下肢外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計，開展了一下研究：1） 整體方案設(shè)計。結(jié)合人體功能學(xué)確定軍用柔性下肢外骨骼的總體方案。2） 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。在三維建模軟件上完成詳細(xì)建模設(shè)計。3） 零件校核。通過有限元軟件對關(guān)鍵部位進(jìn)行受力分析校核。9第 2 章 下肢外骨骼機器人總體方案為使外骨骼機器人與單兵的協(xié)調(diào)性達(dá)到最優(yōu)，外骨骼機器人的設(shè)計尺寸應(yīng)盡量貼合人體尺寸，其運動軌跡應(yīng)盡量符合人體正常運動，人機物理交互界面應(yīng)盡量友好，因此需要進(jìn)行人體工程學(xué)分析研究。2.1 人體運動學(xué)分析2.1.1 人體基本面與軸為了研究人體下肢運動學(xué)，需要了解人體解剖學(xué)中人體基本軸和基準(zhǔn)面（如圖 2.1 所示）的定義 [12] 如下：圖 2.1 人體基本軸與基本平面垂直軸（vertical axis）：為上自頭側(cè)，下至尾側(cè)，并與地平面相垂直的軸。矢狀軸（sagittal axis）：是指從前至后，同時與垂直軸成直角交叉的軸。 10冠狀軸或額狀軸（coronal axis）：為左右方向與水平相平行與前兩個軸相垂直 的軸。 矢狀面（sagittal plane）：是指前后方向，將人體分成左、右兩部分的縱切面，該切面與地平面垂直。經(jīng)過人體正中的矢狀面為正中矢狀面，該面將人體分成左 右相等的兩部分。 冠狀面（coronal plane）：是指左右方向，將人體分為前后兩部分的縱切面，該 切面與矢狀面及水平面相互垂直。 水平面（horizontal plane）：也稱橫切面，是與地平面平行將人體分為上、下 兩部的平面，該平面與冠狀面和矢狀面相互垂直。2.1.2 人體下肢運動學(xué)分析在人前進(jìn)過程中，下肢通過腿肌帶動各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，從而進(jìn)行雙腿的彎曲和伸直，人體整體始終處于平衡——重心前移——失衡——支撐平衡的運動狀態(tài)。因此人在運動過程中無論是慢走還是跑步都包含著抬腿與支撐兩項助力項，對應(yīng)著各關(guān)節(jié)的正逆旋轉(zhuǎn)運動。下肢關(guān)節(jié)包含著髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)，下肢結(jié)構(gòu)解剖圖如圖 2.2 所示。11圖 2.2 下肢解剖圖1） 髖關(guān)節(jié)運動特征分析髖關(guān)節(jié)是全身負(fù)荷受力最大的關(guān)節(jié)。髖關(guān)節(jié)連接了人體的上軀干和下肢，因此具有很大的活動度和非常高的穩(wěn)定性，如圖 2.3 所示為人體髖關(guān)節(jié)解剖圖。其具有內(nèi)/外展、內(nèi)/ 外旋、屈/伸多個自由度。但為了防止髖關(guān)節(jié)過度運動所造成的損害，其運動范圍應(yīng)局限在屈曲-10°~120°、外展 0°~20°、外旋-20°~20°，即可保證日常活動的進(jìn)行，如圖 2.4 所示。在承重和步行中髖關(guān)節(jié)運動占有非常重要的位置，其運動特征如下：支撐前期為一側(cè)腿著地支撐，一側(cè)腿剛提起狀態(tài)，此時，一側(cè)髖關(guān)節(jié)開始屈曲，一側(cè)髖關(guān)節(jié)開始伸展，一直持續(xù)到支撐中期，支撐中期為一側(cè)足跟著地，一側(cè)足趾著地狀態(tài)，然后進(jìn)入擺動期。擺動期一側(cè)髖關(guān)節(jié)以伸展為主，另一側(cè)以屈曲為主，隨后（擺動之后） ，進(jìn)入支撐后期。髖關(guān)節(jié)上述運動在行走時不斷循環(huán)反復(fù)。其中大腿肌肉作用力較大的時刻為支撐前期做伸展運動的的一側(cè)髖關(guān)節(jié)初伸展初期及擺動期后期。圖 2.3 髖關(guān)節(jié)解剖圖12圖 2.4 髖關(guān)節(jié)運動形式2） 膝關(guān)節(jié)運動特征分析膝關(guān)節(jié)是由脛股關(guān)節(jié)和髕股關(guān)節(jié)組成的雙關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其中，內(nèi)側(cè)脛股關(guān)節(jié)面、外側(cè)脛股關(guān)節(jié)面和髕股關(guān)節(jié)面這三個關(guān)節(jié)面均圍在同一個關(guān)節(jié)囊內(nèi)，如圖 2.5 所示。膝關(guān)節(jié)在屈膝活動中開始以滾動為主，后以滑動為主，其運動表現(xiàn)為膝關(guān)節(jié)沿垂直軸方向變瞬心的旋轉(zhuǎn)運動。膝關(guān)節(jié)伸直時不能沿冠狀軸做旋轉(zhuǎn)運動；屈曲90°后沿冠狀軸約有 ±30°的旋轉(zhuǎn)活動。膝關(guān)節(jié)這種旋轉(zhuǎn)活動是伴隨膝關(guān)節(jié)屈伸活動進(jìn)行的，為不隨意運動，且屈曲后運動范圍在日常行走與負(fù)重中少有體現(xiàn)，因此運動過程中膝關(guān)節(jié)可以近似得被認(rèn)為只有一個自由度，如圖 2.6 所示。圖 2.5 膝關(guān)節(jié)解剖圖 圖 2.6 膝關(guān)節(jié)運動形式3） 踝關(guān)節(jié)運動特征分析踝關(guān)節(jié)是連接足與下肢的重要關(guān)節(jié)，在人體運動中，踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運動最為頻繁，同時踝關(guān)節(jié)具備多個自由度，但旋轉(zhuǎn)安全角度范圍都比較小。如圖 2.7 所示為踝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖及踝關(guān)節(jié)的運動形式圖。13（a）（b）圖 2.7 踝關(guān)節(jié)解剖圖及運動形式下肢關(guān)節(jié)運動范圍詳見表 2.1。表 2.1 下肢各關(guān)節(jié)運動范圍運動類型 功能性運動范圍內(nèi)旋/外旋 -30°～60°屈/伸 -30°～120°髖外展 0°～90°膝 屈/伸 0°～130°踝 背屈/拓屈 -20°～40°14內(nèi)收/外收 -20°～20°2.2 軍用柔性下肢外骨骼機器人總體方案2.2.1 設(shè)計原則與要求本設(shè)計方案有以下幾點要求：1）安全性：軍用柔性外骨骼機器人設(shè)計的首要準(zhǔn)則必須是完全保證穿戴者的安全。外骨骼機器人與穿戴者之間的安全隱患在電機驅(qū)動的主動關(guān)節(jié)處，為了防止電機故障轉(zhuǎn)動導(dǎo)致關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度超過人體關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)安全角度，主動關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)副處的機械限位尤其必要；對于人體關(guān)節(jié)本身的非安全自由度，例如踝關(guān)節(jié)的內(nèi)收/外展（會導(dǎo)致崴腳） ，應(yīng)在外骨骼機器人設(shè)計時取消或調(diào)整其運動范圍。其次，在外骨骼機器人與人體直接連接處，應(yīng)輔以柔性材料以避免外骨骼與人體硬性接觸造成的沖擊傷害。2）輕量化：為滿足軍用柔性下肢外骨骼機器人的便攜與快速穿脫功能，應(yīng)盡量減輕外骨骼的質(zhì)量與體積，輕量化外骨骼同時也是為了使外骨骼更加緊湊，提高更控制的精確度和更優(yōu)的人機交互界面。3）柔性：軍用柔性下肢外骨骼中柔性是最大的特征，同時也是外骨骼系統(tǒng)發(fā)展中不可或缺的考慮要素。 “柔性” 是指外骨骼機器人應(yīng)盡量順應(yīng)人體運動趨勢，能實現(xiàn)各關(guān)節(jié)“ 同步” 伴隨運動。在人體運動時，外骨骼機器人不應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生阻礙運動?！叭嵝浴奔仁菫榱税踩阅芎腿藱C交互著想，也是為了提高外骨骼的助力效果。因此此特性是本設(shè)計的重點。2.2.2 尺寸設(shè)計及外觀設(shè)計方案通過對人體下肢的長度測量，參考正常成年人下肢尺寸圖（如圖 2.8 所示） ，本方案設(shè)計出如圖 2.9 所示的軍用柔性下肢外骨骼，除了下肢各關(guān)節(jié)和關(guān)節(jié)連接段，為了能將外骨骼自重及其所負(fù)荷重量全部支撐到地面，因此踝關(guān)節(jié)仍需要通過連接向下延伸到腳板處。在滿足體積小且結(jié)構(gòu)緊湊的前提下，考慮到人體尺寸，本設(shè)計的髖關(guān)節(jié)直徑15為 60mm，踝關(guān)節(jié)的直徑為 35mm，大腿段即髖關(guān)節(jié)到膝關(guān)節(jié)上連接的直線距離為 290mm，小腿段即膝關(guān)節(jié)下連接到踝關(guān)節(jié)的直線距離為 370mm，踝關(guān)節(jié)到腳底板的直線距離為 105mm。圖 2.8 正常成年人人體尺寸圖圖 2.9 軍用柔性下肢外骨骼模型圖由于每個成年人的具體尺寸設(shè)計都不完全相同，其差別主要體現(xiàn)在各關(guān)節(jié)之間的直線距離，因此本方案在大腿段和小腿段的設(shè)計增加了可粗調(diào)長度的連接，如圖 2.10 所示。值得一提的是，膝關(guān)節(jié)處設(shè)計本身為柔性關(guān)節(jié)設(shè)計，其尺寸可根據(jù)人體尺寸進(jìn)行自適應(yīng)得連續(xù)調(diào)節(jié)，所以外骨骼的整體長度也可以進(jìn)行自適應(yīng)得連續(xù)調(diào)節(jié)，但受膝關(guān)節(jié)的尺寸約束，其自適應(yīng)調(diào)節(jié)的范圍較少。出于對結(jié)構(gòu)簡化的要求和膝關(guān)節(jié)自適應(yīng)調(diào)節(jié)長度的局限性，大小腿的長度調(diào)16節(jié)為間斷式調(diào)節(jié)而非連續(xù)性調(diào)節(jié)。大腿段可調(diào)節(jié)的長度范圍有 5 級，分別為10mm、20mm、30mm、40mm、50mm；小腿段可調(diào)節(jié)的長度范圍有 2 級，分別為 10mm、20mm。圖 2.10 大腿小腿段可調(diào)長度連接結(jié)構(gòu)2.2.3 驅(qū)動與傳動方案考慮到外骨骼輕量化的要求，應(yīng)盡量減少電機的使用。由于單兵行走過程中膝關(guān)節(jié)處的運動最為頻繁，因此本設(shè)計僅將膝關(guān)節(jié)作為主動關(guān)節(jié)，對其驅(qū)動助力，其余各關(guān)節(jié)自由度都依據(jù)其功能需求設(shè)計為彈性被動自由度或非彈性被動自由度。如表 2.2 所示為軍用柔性下肢外骨骼機器人各關(guān)節(jié)自由度選擇。表 2.2 外骨骼機器人各關(guān)節(jié)自由度選擇主動自由度 非彈性被動自由度 彈性被動自由度屈/伸內(nèi)收/外展髖內(nèi)旋/外旋膝 屈/伸踝 背屈/拓屈17內(nèi)收/外展綜合各種常見驅(qū)動方式優(yōu)缺點，本設(shè)計方案選擇繩驅(qū)驅(qū)動。繩驅(qū)驅(qū)動的重點在于布線設(shè)置即電機端到執(zhí)行端的過度裝置。為了解決繩線松弛問題，需要在整個過度裝置中安裝線輪以張緊線繩，如圖 2.11 所示，兩條線繩以粗線表示。圖 2.11 繩驅(qū)線繩過度裝置2.3 本章小結(jié) 本章節(jié)結(jié)合人體運動學(xué)及人體相關(guān)尺寸，對軍用柔性下肢外骨骼機器人的整體設(shè)計進(jìn)行了描述：1）本方案的設(shè)計原則，始終以加強人機交互安全性和舒適性作為核心理念；2）外骨骼機器人的整體尺寸選擇；3）為提高外骨骼通用性而設(shè)計的長度級數(shù)調(diào)節(jié)連接；4）外骨骼主被動關(guān)節(jié)的選擇；5）繩驅(qū)方案中繩子的布局以及繩線的傳動裝置。后續(xù)將會對各部分結(jié)構(gòu)內(nèi)容分別進(jìn)行具體的介紹。18第 3 章 下肢外骨骼機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計在滿足軍用柔性外骨骼機器人設(shè)計原則下，應(yīng)著重考慮其功能性。柔性外骨骼機器人的實用性與各結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計息息相關(guān)，機構(gòu)設(shè)計是產(chǎn)品實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)。本章節(jié)闡述該外骨骼機器人各部分詳細(xì)設(shè)計，包含各關(guān)節(jié)主/被動自由度的選擇原則和結(jié)構(gòu)設(shè)計、關(guān)節(jié)限位裝置、繩線傳動裝置和長度調(diào)節(jié)裝置。3.1 髖關(guān)節(jié)如前文所述，髖關(guān)節(jié)連接了人體的上軀干與下肢，是全身最穩(wěn)定的關(guān)節(jié)，其具有內(nèi)/外展、內(nèi)/外旋、屈/伸三個功能性自由度。為了順應(yīng)人體髖關(guān)節(jié)運動，外骨骼髖關(guān)節(jié)的設(shè)計也應(yīng)采用三自由度設(shè)計。同時，由于髖關(guān)節(jié)三個自由度正逆旋轉(zhuǎn)運動均為有效運動，因此髖關(guān)節(jié)所有自由度均設(shè)計為非彈性自由度，如圖 3.1所示為外骨骼機器人髖關(guān)節(jié)整體模型。圖 3.1 髖關(guān)節(jié)整體模型為了使得外骨骼機器人與穿戴者的人機誤差達(dá)到最小，外骨骼機器人髖關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心應(yīng)全部與人體髖關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心對齊。因此，內(nèi)收/外展和屈/ 伸的外骨骼旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)分別置于人體左側(cè)與后側(cè)，其軸線完全對準(zhǔn)髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸線，而內(nèi)/外旋自由度旋轉(zhuǎn)由于其特殊性，需要另外布置為 RCM 機構(gòu)。1） 內(nèi)收/外展設(shè)計要求：人體下肢帶動機械關(guān)節(jié)做內(nèi)收/外展運動時，人機誤差應(yīng)盡量達(dá)到19最小。內(nèi)收/外展的設(shè)計方案如圖 3.2 所示。轉(zhuǎn)動關(guān)系設(shè)計：髖連接板相對于腰帶連接繞軸發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)。軸向定位設(shè)計：腰帶模塊連接位于軸的中間部位，連接兩側(cè)裝有止推軸承，兩側(cè)髖連接板與止推軸承相貼，然后擋邊軸承裝在髖連接板的兩側(cè)，以實現(xiàn)中間零件的軸向定位，最后由軸兩端末的卡簧，實現(xiàn)軸上全部零件的軸向定位。圖 3.2 內(nèi)收/外展自由度結(jié)構(gòu)圖2） 屈/伸：設(shè)計要求：人體下肢帶動機械關(guān)節(jié)做屈/伸運動時，人機誤差應(yīng)盡量達(dá)到最小。屈/ 伸的設(shè)計方案如圖 3.3 所示。轉(zhuǎn)動關(guān)系設(shè)計：髖連接板通過螺紋連接與軸固定，滾動軸承內(nèi)圈夾裝在軸上，大腿連接板夾裝在軸承外圈，大腿連接板可通過軸承相對于軸作旋轉(zhuǎn)運動，即大腿連接板相對于髖關(guān)節(jié)連接板旋轉(zhuǎn)。軸向定位設(shè)計：由于髖連接板與軸連接固定，所以髖連接的軸向定位得以保證。大腿板與滾動軸承通過軸肩定位，防止其向左側(cè)位移。軸右側(cè)末端裝有卡簧，此時，軸上全部零件實現(xiàn)軸向定位，階梯軸的結(jié)構(gòu)如圖 3.4 所示。20圖 3.3 屈/伸自由度結(jié)構(gòu)圖 圖 3.4 髖關(guān)節(jié)階梯軸結(jié)構(gòu)圖3）虛擬旋轉(zhuǎn)中心（RCM）機構(gòu)人體髖關(guān)節(jié)內(nèi)/外旋自由度的旋轉(zhuǎn)軸線在人體大腿內(nèi)部，所以外骨骼髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)副無法通過直接放置對齊人體旋轉(zhuǎn)軸線。為解決以上問題，本方案設(shè)計了擁有虛擬旋轉(zhuǎn)中心（RCM）的結(jié)構(gòu)，如圖3.5 所示。圖 3.5 RCM 結(jié)構(gòu)圖RCM 機構(gòu)由六根桿組成，其本質(zhì)是一個平面六桿機構(gòu)。其原理利用了平行四邊形性質(zhì)，由兩個相接的平行四邊形組成。如圖 3.6 所示，平行四邊形 ABCD 與平行四邊形 A’B’C’C 相接于 BC 邊，AB 邊與腰帶相連，因此 AB 邊固定，A’B’端與髖關(guān)節(jié)屈/伸自由度旋轉(zhuǎn)副相連，為活動端，AB 邊與 A’B 邊的延長線交于 O點，O 點為固定點且在人體髖關(guān)節(jié)內(nèi)/外旋自由度的旋轉(zhuǎn)軸線上。21其原理如下：由于四邊形 ABCD 為平行四邊形，所以邊 AB 始終平行于邊 A’D，邊 AD 始終平行于邊 BC；又因為四邊形 A’B’C’C 為平行四邊形，所以邊 C’C（BC ）平行于邊 A’B’，因此邊 AD 平行于邊 A’B’（OA’） ，則 ADA’O 組成一個平面平行四邊形，此時，A’B’始終繞定點 O 旋轉(zhuǎn)，O 點為整個機構(gòu)的虛擬旋轉(zhuǎn)中心。圖 3.6 RCM 機構(gòu)原理圖4)限位設(shè)計由于外骨骼機器人髖關(guān)節(jié)為非彈性被動自由度設(shè)計，所以其旋轉(zhuǎn)運動完全由人體下肢帶動進(jìn)行，瞬間旋轉(zhuǎn)角度始終為人體下肢髖關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，不會超處人體關(guān)節(jié)安全旋轉(zhuǎn)角度范圍，因此各自由度旋轉(zhuǎn)副不需要增加旋轉(zhuǎn)限位。3.2 膝關(guān)節(jié)膝關(guān)節(jié)是人體運動過程中使用和磨損最頻繁的關(guān)節(jié)，且其自由度近似被認(rèn)為僅有屈曲單個自由度，因此選擇膝關(guān)節(jié)的的驅(qū)動作為主動驅(qū)動。但是，膝關(guān)節(jié)的運動并非多單純的定點旋轉(zhuǎn)運動，其本身是個復(fù)雜的變瞬心運動，為了順應(yīng)人體運動趨勢，本文設(shè)計出一款凸輪扇形變瞬心結(jié)構(gòu)，如圖 3.7 所示。22圖 3.7 膝關(guān)節(jié)整體模型3.2.1 主動自由度設(shè)計柔性外骨骼機器人膝關(guān)節(jié)由多個如圖 3.8 所示的凸輪結(jié)構(gòu)組成，其閉合與張開狀態(tài)如圖 3.9 所示，其限位由凸輪槽實現(xiàn)。圖 3.8 膝關(guān)節(jié)處凸輪結(jié)構(gòu)為了順應(yīng)人體膝關(guān)節(jié)變瞬心運動，外骨骼機器人膝關(guān)節(jié)運動也應(yīng)為變瞬心運動。其柔性原理如下：外骨骼機器人膝關(guān)節(jié)可以通過連接多個滾動凸輪產(chǎn)生多個不同的旋轉(zhuǎn)曲率，因此在人體膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)時，外骨骼膝關(guān)節(jié)中心的位置和狀態(tài)可以隨時得到調(diào)整，外骨骼膝關(guān)節(jié)便可以彎曲到一個與人體膝關(guān)節(jié)非常相似的曲率。此外，在進(jìn)行凸輪設(shè)計時，凸輪嚙合曲線為凸輪零件右下側(cè)底面輪廓線與凸輪零件右上側(cè)槽的底面輪廓線的嚙合。通過調(diào)整凸輪零件力矩臂的長度還可以實現(xiàn)高扭矩的傳遞，而且由于每個滾動凸輪相當(dāng)于沿圓弧運動，因此能量損失最小。23（a） （b）圖 3.9 膝關(guān)節(jié)閉合與展開狀態(tài)圖3.2.2 繩驅(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計柔性下肢外骨骼機器人膝關(guān)節(jié)為主動驅(qū)動，采用電機加繩線傳動的驅(qū)動方式，其布線格局與線繩過度裝置如圖 3.10 所示。圖 3.10 布線結(jié)構(gòu)圖其驅(qū)動原理如圖 3.11 所示，通過電機正反轉(zhuǎn)來控制兩條繩線在過度機構(gòu)中的總線長，當(dāng)線繩在過度機構(gòu)中的總線長縮短時，便會驅(qū)動膝關(guān)節(jié)展開與閉合。圖 3.11 繩驅(qū)原理圖243.3 踝關(guān)節(jié) 人體踝關(guān)節(jié)自身有 3 個自由度，分別為內(nèi)/外展、背屈 /拓屈、內(nèi)旋/外旋，其3 個自由度在日常人體運動中往往是輔助人體運動的自由度。內(nèi)/外收自由度為危險自由度，很容易造成人崴腳受傷，尤其是在人體穿戴外骨骼進(jìn)行側(cè)向運動時，由于外骨骼機器人所負(fù)荷重量較大，在重力作用下會輕易扭傷人體踝關(guān)節(jié)。但兼顧到人體部分越障行為中，需要側(cè)身微傾，此時要求踝關(guān)節(jié)必須有內(nèi)/外收自由度，但運動范圍較小，因此本方案將踝關(guān)節(jié)內(nèi) /外收的自由度設(shè)計為彈性被動自由度。當(dāng)人體側(cè)身傾斜時，人體腳踝會受到外骨骼所提供的彈性回復(fù)力，以保護人體踝關(guān)節(jié)不被扭傷。內(nèi)/外旋自由度為牽連性自由度，運動范圍很小，其往往用于輔助人體下肢旋轉(zhuǎn)，而人體下肢旋轉(zhuǎn)主要由髖關(guān)節(jié)內(nèi)/外旋運動完成。因此出于結(jié)構(gòu)簡化的目的，本方案取消下肢外骨骼機器人踝關(guān)節(jié)的內(nèi)/外旋自由度。背屈/拓屈自由度為功能性自由度，腳踝的背屈/拓屈運動并非是有效運動，其往往是被動運動。當(dāng)人體重心前移時，在重力作用下踝關(guān)節(jié)會發(fā)生背屈/拓屈，人體會消耗能量以維持下肢平衡；當(dāng)人體行走下肢末支撐時期，受地面支持力踝關(guān)節(jié)也會發(fā)生背屈/拓屈，此時人體消耗能量以支撐人體重量。因此本方案將踝關(guān)節(jié)背屈/ 拓屈自由度設(shè)計為彈性被動自由度。當(dāng)人體向前 /后傾斜時，外骨骼機器人所提供的彈性回復(fù)力可用于支撐人體或維持平衡，以達(dá)到減少人體代謝助力效果。踝關(guān)節(jié)整體模型如圖 3.12 所示。25圖 3.12 踝關(guān)節(jié)整體結(jié)構(gòu)圖1） 內(nèi)/外收設(shè)計要求：人體下肢在帶動機械關(guān)節(jié)做內(nèi)/外收運動時，機械關(guān)節(jié)應(yīng)提供有 效阻力。內(nèi)收/外收的設(shè)計方案如圖 3.13 所示。轉(zhuǎn)動關(guān)系設(shè)計：小腿末板與小腿固定，其中央設(shè)計有一個圓柱形凸臺作為軸，凸臺軸與軸承內(nèi)圈配合，旋轉(zhuǎn)板與軸承外圈配合。旋轉(zhuǎn)板性對于凸臺軸通過軸承旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)內(nèi)/外收自由度。同時，小腿末板兩側(cè)分別設(shè)計有銷狀凸臺作為限位使用，如圖 3.14 所示。軸向定位設(shè)計：凸臺軸與小腿末板為一整體，因此凸臺軸與小腿末板軸向相對位置固定；旋轉(zhuǎn)板與小腿末板相貼合，最后端蓋與凸臺軸相連接并與旋轉(zhuǎn)板貼合，由此實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)板的相對位置固定。彈性環(huán)節(jié)設(shè)計：彈性環(huán)節(jié)由旋轉(zhuǎn)板弧形槽與小腿末板凸臺間的兩根彈簧實現(xiàn)。當(dāng)無外力作用時，凸臺與弧形槽上下兩側(cè)，左右兩側(cè)彈簧壓縮量相同，此時，旋轉(zhuǎn)板所受彈簧回復(fù)力平衡，旋轉(zhuǎn)板處于水平位置且相對小腿末板靜止；當(dāng)人體施加外力，帶動旋轉(zhuǎn)板相對小腿末板旋轉(zhuǎn)時，凸臺在弧形槽內(nèi)進(jìn)行滑動，若旋轉(zhuǎn)板順時針轉(zhuǎn)動，此時弧形槽與凸臺間左下彈簧與右上被壓縮變形，被壓縮端提供彈性回復(fù)力，壓縮量越大，彈性回復(fù)力越大。