穿戴式下肢負重外骨骼機器人機構設計與動力學仿真【含三維及8張CAD圖】
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I穿戴式下肢負重外骨骼機器人機構設計與動力學仿真摘要：穿戴式負重外骨骼機器人是輔助下肢有運動障礙的患者進行站立及行走活動的康復型機器人。隨著我國經(jīng)濟發(fā)展，對康復機器人的需求越來越多，而國內(nèi)研究剛剛起步，許多技術還不夠成熟，還需要不斷的深入研究。本論文對下肢外骨骼機器人進行了國內(nèi)外文獻的查閱和需求分析，針對機器人的機械總體結構、外骨骼系統(tǒng)運動學仿真與動力學分析進行了設計。首先，由于外骨骼機器人需要適用于人體結構，因此外骨骼機器人的機械結構設計需要明確人體尺寸及下肢運動范圍。根據(jù)人體下肢結構和運動特征確定機器人關節(jié)自由度，選擇合適的驅(qū)動方式并設計成可調(diào)節(jié)式。其次，在機械結構設計的基礎上，對外骨骼機器人進行運動學和運動特性分析。運用拉格朗日方程建立動力學模型，為機器人控制奠定基礎。最后，本文采用 Creo 三維軟件對外骨骼機器人進行運動仿真。關鍵詞：外骨骼機器人；可穿戴式；動力學IIABSTRACTWearable exoskeleton robots are rehabilitation robots that assist patients with movement disorders in the lower limbs to perform standing and walking activities. With the economic development of our country, more and more demand for rehabilitation robots, and domestic research has just started, many technologies are not mature enough, but also need continuous in-depth research. In this paper, the literature on the exoskeleton of the exoskeleton of the lower extremities was reviewed and the demand analysis was carried out. The overall mechanical structure of the robot and the kinematic simulation and dynamic analysis of the exoskeleton system were designed. First of all, because the exoskeleton robot needs to be suitable for the human body structure, the mechanical structure design of the exoskeleton robot needs to define the human body size and the range of motion of the lower extremities. According to the structure and motion characteristics of the lower limbs of the human body, the degree of freedom of the joints of the robot is determined, an appropriate driving mode is selected, and the adjustable mode is designed. Second, based on the design of the mechanical structure, the kinematics and kinematics of the exoskeletal robot are analyzed. Lagrange equations are used to establish dynamic models and lay the foundation for robot control. Finally, Creo three-dimensional software is used to simulate the exoskeleton robot.Keywords: exoskeleton robot; wearable; dynamicsIII目錄摘要 .................................................................................................................................ABSTRACT....................................................................................................................第一章 緒論 ...................................................................................................................1.1 研究背景及意義 ..............................................................................................1.2 外骨骼機器人概述 ..........................................................................................1.3 外骨骼機器人的國內(nèi)外研究狀況 ..................................................................1.3.1 國內(nèi)發(fā)展狀況 .....................................................................................1.3.2 國外發(fā)展狀況 .....................................................................................1.4 課題的研究內(nèi)容 ..............................................................................................第二章 穿戴式下肢外骨骼機器人設計理論及方案 .................................................2.1 人體下肢骨骼生物學結構 ..............................................................................2.2 人體正常步態(tài)分析 ..........................................................................................2.3 外骨骼助力機器人運動參數(shù)確定 ..................................................................2.4 外骨骼機器人的自由度分配 ..........................................................................2.5 外骨骼機器人的總體方案設計 ......................................................................2.6 本章小結 ..........................................................................................................第三章 外骨骼機器人結構設計 ...................................................................................3.1 外骨骼機器人結構組成 ...................................................................................3.2 髖關節(jié)的結構設計 ..........................................................................................3.3 膝關節(jié)的結構設計 ..........................................................................................3.4 踝關節(jié)的結構設計 ..........................................................................................3.5 外骨骼機器人驅(qū)動方式選擇 ..........................................................................3.6 本章小結 ..........................................................................................................IV第四章 外骨骼機器人 Creo 仿真分析 .........................................................................4.1 Creo 仿真軟件概述 ........................................................................................4.2 運動仿真分析 ..................................................................................................4.3 踝關節(jié)有限元分析 ..........................................................................................4.4 膝關節(jié)有限元分析 .........................................................................................4.5 本章小結 ..........................................................................................................第五章 結論 ...................................................................................................................參考文獻 .........................................................................................................................致謝 .................................................................................................................................附錄 .................................................................................................................................1第 1 章 緒論1.1 研究背景及意義隨著社會的發(fā)展，誕生了一種用于康復醫(yī)療領域的新型機械結構，被稱為康復器械，對于康復醫(yī)療器械的研究被推向高潮，越來越多的單位加入了這個行列。這種康復醫(yī)療器械是一種讓人直接穿戴在身上的機械裝置，用來為肢體傷殘的患者提供動力，實現(xiàn)下肢的正常運動。近年來，由于交通事故的頻頻發(fā)生，致使很多人肢體傷殘，同時，由于快節(jié)奏的生活，給更多人帶來了很大的壓力，人口老齡化的問題也越來越嚴重。針對這一現(xiàn)象，研究人員研發(fā)出一種醫(yī)療器械，這種醫(yī)療器械通過各種驅(qū)動方式為患者提供動力，幫助他們恢復肢體運動功能。美國等一些國家的實驗室和研究機構研制出了穿戴式外骨骼機器人，這種機器人可以為使用者提供充分的動力和耐力，從而使他們的耐力和負重能力得到加強，該機器人的應用為許多下肢殘障患者提供了方便。可穿戴式下肢外骨骼機器人是人機一體化系統(tǒng)，其主要作用是通過機械機構為使用者提供動力，幫助他們恢復正常的運動能力。現(xiàn)如今，在世界范圍內(nèi)，穿戴式下肢機器人的研究剛剛興起，還處于一個技術不成熟的階段，在這個全新的領域，還需要不斷的探索。1.2 外骨骼機器人概述外骨骼機器人是一種可穿戴的仿生機器人，是一種直接供使用者穿戴在體外的機械結構，使用者可以通過該機器人獲得充分的動力，從而增強使用者的運動能力。穿戴式下肢外骨骼機器人不僅僅應用于醫(yī)療領域，在軍事方面也有著廣泛的應用。穿戴式下肢外骨骼機器人是機器人領域的一個新的分支，越來越多的單位加入到這個領域，也取得了很大的成就。穿戴式外骨骼機器人涵蓋了機械設計學、機器人學、仿生學、運動學等多學科的知識，同時涉及傳感器、控制、信息處理等技術 [1]。21.3 外骨骼機器人的國內(nèi)外研究狀況1.3.1 國內(nèi)發(fā)展狀況我國對外骨骼下肢助力機器人的研究開始于 20 世界初，目前正處于起步階段，還有很多技術不夠成熟，仍需繼續(xù)努力。目前有許多高校和科研院從事這項研究。我國從事這一方面的單位主要有中科院合肥智能機械研究所、浙江大學、上海大學等。清華大學是我國最先展開外骨骼機器人研究的機構之一，經(jīng)過不斷的實驗研究和探索，最終研發(fā)出多款外骨骼機器人。這些外骨骼機器人可以幫助上下肢體有傷殘的人群正常的運動，其中截癱步行機適用于下肢功能殘障的患者 [2]，其結構如圖 1-1 所示。圖 1-1 清華大學截癱步行機自 2004 年起，中科院合肥智能所機器人傳感實驗室大力發(fā)展對穿戴式下肢機器人的探索。采用理論分析、仿真分析、模型試驗相結合的研究方式，對可穿戴負重機器人的結構設計、感知和控制方法等進行了闡述，取得了相應的成果 [3]。并研制出一款可穿戴型步行助力機器人原型樣機，如圖 1-2 所示，該設計可為使用者提供額外的動力，輔助使用者加強下肢運動的能力，從而能夠進行正常的下肢運動。3圖 1-2 中科院合肥所研制的外骨骼機器人浙江大學楊燦軍教授等人在穿戴式下肢外骨骼機器人方面進行了大量研究，并取得了相當顯著的成果。其實驗室樣機如圖 1-3 所示，包含主動控制和被動控制兩種形式。在外骨骼主動形式下，提出了基于足底壓力信號來識別人體運動意圖的自適應模糊神經(jīng)網(wǎng)絡（ANFIS）理論 [4]，運用此理論可以有效判斷使用者行動意圖，從而實現(xiàn)輔助人體行走的功能。圖 1-3 浙江大學下肢康復外骨骼原型1.3.2 國外發(fā)展狀況據(jù)了解，國外在下肢外骨骼機器人這個領域的研究較早，早在 20 世界 60 年代末期，美國和前南斯拉夫就已經(jīng)進入了對這方面的研究。目前，世界上多個國家躋身于外骨骼機器人這個領域當中，而研究相對成功的有美國、日本等國家。在這些國家中，美國的研制水平是相對最高的。4在 2000 年，美國政府啟動了“外骨骼增強人體體能表現(xiàn)”計劃，該計劃共投資 5000 萬美元，從而資助了很多單位對穿戴式機器人的探索和研發(fā)，加快了許多單位在這個領域的研發(fā)，經(jīng)過不斷的探索，最終研發(fā)出了“XOS”系列負重機器人、BLEEX 機器人、HULC 機器人等。使用這些機器人可以有效地幫助人們減輕負重，同時未使用者提供了充分的動力，幫助他們正常行走。BLEEX 機器人主要是由：驅(qū)動系統(tǒng)、機械機構、控制系統(tǒng)及背包等部分組成，設計過程中采用擬人化設計，而且機器人的每條下肢具有 7 個自由度，可以完成人體下肢所能完成的動作，液壓缸為其提供動力。經(jīng)過不斷的改進，在 BLEEX 的基礎上，伯克利又研制出第二代產(chǎn)品 和 。隨后，伯克利又與洛克希德·馬丁kerExoHiberxoClim公司合作于 2009 年推出第三代產(chǎn)品 KULC，又被稱為人類負重外骨骼，結構如圖所示。2002 年，在日本筑波大學 實驗室 HAL 系列穿戴式助力機器人系統(tǒng)ybeics被研制出。其設計目的是輔助下肢殘障者能夠正常行走，利用這一系統(tǒng)，很多下肢有傷殘的患者都可以重新站起來。HAL 機器人主要由外骨骼腿、電池、傳感器等部分組成。與 BLEEX 機器人不同的是，HAL 機器人是通過穿戴者腿部電信號來預測其行走趨勢，從而實現(xiàn)輔助功能。圖 1-4 伯克利下肢外骨骼 BLEEX 圖 1-5 人類負重外骨骼 HULC5圖 1-6 HAL 外骨骼機器人通過查閱相關資料，我們可以看出國外在穿戴式下肢外骨骼機器人的設計和動力學方面進行了大量的研究，并取得了相應的成果。但是在我國，對于外骨骼機器人這個領域的研究還是較少，在一些技術上還是不夠成熟，與國外相比還是具有很大差距。1.4 課題的研究內(nèi)容本課題的研究對象是穿戴式下肢負重外骨骼機器人，通過建立人體坐標，對人體下肢在各個平面內(nèi)的運動進行分析以及人體下肢生理學結構分析，從而進行結構設計。整個論文的主要工作有：1. 外骨骼機器人總體方案設計本文的重點是進行穿戴式外骨骼機器人的機械結構設計，首先要確定機器人的整體結構設計方案，通過分析人體下肢的結構特點和人體正常運動的條件，確定機器人的自由度和結構參數(shù)，選擇驅(qū)動方式。2. 動力學分析與仿真在動力學方面，我們將利用相關的軟件對所設計的穿戴式機器人的機械結構進行一定了力學性能分析，保證機器人的穩(wěn)定性和安全性。利用 Creo三維仿真軟件進行零件的裝配，并進行仿真分析。6第二章 穿戴式下肢外骨骼機器人設計理論及方案2.1 人體下肢骨骼生物學結構在研究人體運動學方面，首先要建立參考系，根據(jù)查閱的資料得知人體常用的三維坐標系如圖 2-1 所示。人體解剖學中定義了三個相互正交的基本面，分別是：矢狀面、額狀面（冠狀面）、水平面（橫切面） [5]。矢狀面是將人體自上而下縱切分為左右兩部分的截面，額狀面（冠狀面）是將人體自上而下縱切為前后兩部分的截面，水平面（橫切面）是將人體橫切分為上下兩部分的截面。這是人體的三個基本面，人體全身自由度多，所以可以完成復雜多樣的動作，如果要全部進行分析會非常困難，而本課題所研究的穿戴式下肢外骨骼機器人只需要分析人體下肢在矢狀面內(nèi)所完成的運動，這樣會使整個過程變得簡單，從而進行外骨骼機器人的結構設計和力學分析。人體解剖學中不僅定義了三個平面，還有三個基準軸，分別是：額狀軸、矢狀軸和垂直軸。其中，額狀面與矢狀面相較的軸線稱為垂直軸，額狀面與水平面相交的軸線稱為額莊軸（冠狀軸），水平面與矢狀面相交的軸線稱為矢狀軸。這就是人體解剖學中的三面三軸，利用這些可以幫助我們更方便的進行人體運動學分析。圖 2-1 人體基本軸與基本平面圖一般人體下肢主要由骨、關節(jié)和骨骼肌三部分組成，而決定人體下肢運動狀7況的主要關節(jié)包括：髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)。人體下肢主要完成的運動有前進、后退和轉(zhuǎn)向，這些過程都是依靠下肢骨骼、骨骼肌和神經(jīng)系統(tǒng)來控制的。參與這些運動的主要關節(jié)就是髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)，這三個關節(jié)的結構將會作為設計外骨骼機器人的依據(jù)，外骨骼機器人需要完成人體下肢所能完成的運動，所以必須要與人體下肢基本結構相似，且具有相同的自由度。髖關節(jié)位于腰部，連接著人體腰部和腿部。髖關節(jié)是由一個球形股骨頭與髖臼組成，屬于杵臼關節(jié)，其結構如圖 2-2。髖關節(jié)內(nèi)脂肪較多，會隨著關節(jié)內(nèi)部壓力的變化而被擠出或吸入，從而維持關節(jié)內(nèi)部壓力的平衡。髖關節(jié)是一個多軸性關節(jié)，可完成多方相的動作，髖關節(jié)可以實現(xiàn)屈伸、收斂和旋轉(zhuǎn)等多方向的運動，是全身位置最深的關節(jié)，具有重要的負重和活動功能。圖 2-2 髖關節(jié)膝關節(jié)由股骨內(nèi)、外側踝和脛骨內(nèi)、外側踝及髕骨組成，是人體最大且結構最復雜的關節(jié)，屬于滑車關節(jié)。膝關節(jié)是連接大小腿的關節(jié)，這一關節(jié)處的韌帶較多，所以膝關節(jié)繞垂直軸的運動幅度小。伸直時，由于韌帶拉緊，故不能作旋轉(zhuǎn)運動。因此可認為膝關節(jié)只有一個自由度，只做屈伸運動。2-3 膝關節(jié)踝關節(jié)由脛骨遠側端關節(jié)面、腓骨遠側端關節(jié)面和骨滑車關節(jié)面構成，如圖2-4，踝關節(jié)的運動范圍較小，可實現(xiàn)足部的伸屈和內(nèi)外翻的運動。8圖 2-4 踝關節(jié)2.2 人體正常步態(tài)分析人體的行走過程主要是髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)帶動整個身體來完成的，進行步態(tài)分析可以知道人體下肢的步態(tài)是否正常，有著十分重要的作用，也是進行穿戴式下肢外骨骼機器人設計的前提。為了使設計的穿戴式下肢機器人能夠?qū)崿F(xiàn)輔助下肢殘障者正常運動，我們需要對人體下肢進行步態(tài)分析。人體正常的行走過程包括為兩個階段：支撐期和邁步期。詳細的步態(tài)周期過程如圖 2-5 所示，所謂的步態(tài)周期是指人體行走過程中一只腳腳跟著地到這只腳腳跟再次著地所經(jīng)歷的時間。每個步態(tài)周期人體下肢都經(jīng)歷了兩個階段，支撐期和擺動期。從腳趾著地到腳尖離地成為支撐期，約占整個步態(tài)周期 60%。腳趾離地到腳跟再次著地為擺動期，約占整個步態(tài)周期 40%。在正常人體行走過程中，有一時期雙腳都與地面接觸，其中一只腳蹬地，一只腳站立，這一時期稱為雙支撐期。圖 2-5 人體步態(tài)周期2.3 外骨骼助力機器人運動參數(shù)確定穿戴式下肢機器人是應用于各種人群，所以其結構需要設計為可調(diào)式。通過9查閱相關資料，我們能夠了解人體下肢基本結構，而且能夠得到人體的具體尺寸數(shù)據(jù)，如表 2-1，從而為機器人的設計提供參考。表 2-1 人體下肢部位基本尺寸人體下肢部位 理論尺寸范圍髖部寬 273～374大腿 410～496小腿 328～407足長 219～272足寬 84～105穿戴式下肢負重外骨骼機器人是應用于不同身高的人群，所以機械結構的大小腿連桿及腰部連桿需要設計成可調(diào)節(jié)式的，根據(jù)表 2-1 提供的數(shù)據(jù)，確定外骨骼機器人合理尺寸大致設定為：大腿桿調(diào)節(jié)范圍為 410 至 490mm,小腿桿調(diào)節(jié)范圍為 310 至 390mm,腰部調(diào)節(jié)范圍：280 至 340mm人體下肢所完成的各種運動均是由骨盆、大腿、小腿和足這四部分的運動組成，以髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)三個關節(jié)連接。下肢各關節(jié)的運動主要分為：屈/伸、外展/內(nèi)收、回旋,各個關節(jié)的運動都是在一定的范圍內(nèi)，從而保證人體的平衡。經(jīng)過整理可以得出各個關節(jié)相應運動的范圍，如表 2-2。表 2-2 人體下肢各關節(jié)運動范圍下肢關節(jié) 關節(jié)運動范圍屈/伸 -120°～65內(nèi)收/外展 -30°～-40髖關節(jié)旋內(nèi)/旋外 -15°～-60102.4 外骨骼機器人的自由度分配人體在行走過程中，下肢的運動主要是在矢狀面內(nèi)產(chǎn)生，而下肢其他的運動及身體其他部位的運動都是用來保證人體平衡，所以在設計過程中，我們對這些動作不進行分析。對于外骨骼機器人的結構設計，為了能實現(xiàn)在矢狀面內(nèi)各個關節(jié)的運動，我們采用三個扭轉(zhuǎn)活動副，并分別安置在機器人的三個關節(jié)的相應位置，用來模擬三個關節(jié)的轉(zhuǎn)動。外骨骼機器人的設計需要滿足人體下肢的正常運動，所以在其三個主要關節(jié)處要合理選取自由度。髖關節(jié)主要是實現(xiàn)下肢的屈/伸運動，但為了保證下肢外骨骼機器人穿戴更加舒適，輔助治療效果更好，設計中在髖關節(jié)處設置了 2 個自由度。膝關節(jié)是人體結構中較為復雜的一個關節(jié)，為了簡化分析，我們僅考慮膝關節(jié)在矢狀面內(nèi)的屈/伸運動，故設置 1 個自由度。踝關節(jié)是一個主要運動軸，繞額妝面做背屈趾/屈運動。由于腳掌關節(jié)結構復雜，而穿戴式下肢機器人設計中多作為單自由度分析，故設置 1 個自由度。綜上分析，外骨骼機器人工具有 8 個自由度，髖關節(jié) 2 個，膝關節(jié) 1 個，換關節(jié) 1 個。膝關節(jié) 屈/伸 -120°～0°背屈/趾屈 -14°～ 20°踝關節(jié)內(nèi)翻/外翻 -30°～ 20°112.5 外骨骼機器人的總體方案設計可穿戴式下肢負重外骨骼機器人主要是應用于下肢殘障者，幫助他們正常運動的一種機械裝置。其結構設計十分重要，我們應該確?？纱┐魇较轮撝赝夤趋罊C器人的使用效果和安全性能。在對可穿戴式下肢負重外骨骼機器人的設計時，應遵循以下原則：1. 可穿戴式下肢外骨骼機器人的設計必須保證各個關節(jié)處的自由度與人體下肢自由度一致，結構相同，能夠?qū)崿F(xiàn)人體下肢所能實現(xiàn)的運動。2. 可穿式外骨骼機器人是應用于廣泛人群，所以其設計必須滿足廣大群眾的身高特點。由于人類的身高不同，所以可穿戴式下肢負重外骨骼機器人在尺寸結構方面應設計成可調(diào)節(jié)的，從而滿各種人群使用。3. 可穿戴式下肢負重外骨骼機器人應具有重量輕、體積小、易攜帶、堅固耐用等特點。綜合以上理論分析，設計出可穿戴式下肢負重外骨骼機器人并利用 Creo 建立三維模型。如圖 2-6 所示。圖 2-6 外骨骼機器人整體建模2.6 本章小結本章首先介紹了下肢外骨骼機器人仿生機理研究，包括建立人體下肢三個主要關節(jié)的機構設計，分別是髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)。同時進行了正常人體步態(tài)12分析和各個關節(jié)運動參數(shù)。確定了可穿戴式下肢負重外骨骼機器人的機構自由度、桿長及各關節(jié)允許活動范圍，設計了下肢外骨骼機器人的總體結構方案。13第三章 外骨骼機器人結構設計3.1 外骨骼機器人結構組成穿戴式下肢外骨骼機器人主要功能是輔助下肢殘障患者能夠正常行走運動，所以在設計其機械結構時應該盡量擬人化。而人體下肢運動主要是由髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)三個主要的關節(jié)起到作用，所以外骨骼機器人主要由三大部分組成，分別是：踝關節(jié)、膝關節(jié)和腰部連接，三個主要關節(jié)的設計主要是由人體下肢實際運動時的自由度來進行設計。設計的三部分機械結構如圖 3-1 所示，穿戴式機器人主要機械結構就是這三部分，其余結構都是為了輔助整個結構的平衡和穩(wěn)定性。所以在后續(xù)的設計中，我們要著重這三個主要部分的設計，不僅在尺寸上要準確，在結構上也要做到簡單耐用。a 腰部結構 b 足部結構 c 腿部結構圖 3-1 外骨骼機器人基本結構3.2 髖關節(jié)的結構設計髖關節(jié)可以完成屈伸、收斂和旋轉(zhuǎn)等運動，具有三個自由度，但其主要運動是在矢狀面的屈伸運動，因此我們將髖關節(jié)在矢狀面內(nèi)完成的運動視為主要運動，其他運動視為輔助運動。在整個設計過程中，需要對各個關節(jié)的運動進行限位，使其在一定范圍內(nèi)完成。髖關節(jié)分為兩部分組成：可調(diào)節(jié)的腰部和背部負重，腰部基本尺寸為：長280mm，寬 100mm。如圖 3-2 所示。在腰部零件的兩端設計了輔助調(diào)節(jié)寬度的兩個14零件，如圖 3-3。在設計過程中，我們將背部負重支撐的部分掏空，從而達到減輕重量的目的。同時將腰部的四個角設計為圓角，不僅減材而且美觀，更好地為使用者提供幫助。圖 3-2 腰部零件圖 3-3 腰部調(diào)節(jié)零件髖關節(jié)要連接腰部和腿部，而且需要滿足屈伸和內(nèi)翻/外翻兩個自由度，所以我們將采用如圖 3-4 所示的結構，這樣就可以滿足兩個自由度，實現(xiàn)髖關節(jié)的15伸屈和內(nèi)翻/外翻的運動。髖關節(jié)處的設計雖然保證了兩個自由度，實現(xiàn)下肢兩個自由度內(nèi)的運動，但是該設計還是存在一定的問題，不能精確地限制自由度的范圍，所以需要進一步優(yōu)化、改善。3.3 膝關節(jié)的結構設計在設計過程中，我們將膝關節(jié)部分進行了簡化，將其設計成單自由度結構，只做屈伸運動，從而使整體結構相對簡單。通過軸和軸承連接大腿和小腿，實現(xiàn)屈曲/伸展運動功能，結構如圖 3-5。圖 3-5 膝關節(jié)膝關節(jié)主要是連接大小腿的關節(jié)，大小腿的設計如圖 3-6 所示。大小腿的設計是可調(diào)節(jié)的，小腿的調(diào)節(jié)范圍是：330 至 400mm，大腿的調(diào)節(jié)范圍是：410 至490mm。16圖 a 小腿零件圖 圖 b 大腿零件圖圖 3-6 大、小腿零件圖腿部的設計和腰部類似，由于可穿戴式下肢外骨骼機器人是應用于廣泛人群，所以我們把腿部的設計分成兩部分，一部分是基本長度，另外一部分便是調(diào)節(jié)長度，這樣就可以是腿部在一定范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，從而在尺寸上能滿足更多患者使用。3.4 踝關節(jié)的結構設計外骨骼負重機器人下肢運動時，雖然踝關節(jié)屈/伸的角度較小，但是踝關節(jié)會受到不斷變化的支撐反力，如果不限位會造成一定的危險。因此在踝關節(jié)的設計方面需要增加一個緩沖裝置對運動進行緩沖，如圖 3-6。圖 3-6 踝關節(jié)結構 圖 3-7 踝關節(jié)簡化在踝關節(jié)的設計上，為了保證踝關節(jié)不收到支撐反力的損壞，需要進行設計17緩沖裝置，我們選取氣彈簧作為緩沖裝置，可將踝關節(jié)的結構簡化為圖 3-7，進行分析計算。設計中可測量得知 L2、L3 的長度，然后進行求解幾何，確定 L1 長度。計算公式如下：公式 3.1)cos(203321 ?????LL式中 L1 表示氣彈簧的長度。L2 表示足部連接中心到踝關節(jié)連接中心，L3 表示氣彈簧上端到踝關節(jié)連接中心。氣彈簧的行程及長度可以經(jīng)過計算得出，其中踝關節(jié)的自由度限制范圍θ∈【-14°， 20°】，而 L2、L3 可經(jīng)過測量得知，θ 0=120°，經(jīng)過計算可得出 L1 的長度范圍 90mm 至 110mm，總長度為 110mm，采用球頭連安裝在踝關節(jié)上。有了緩沖裝置的設計，減少了踝關節(jié)在受到地面支撐反力而造成的損壞，更好的保護使用者的安全。3.5 外骨骼機器人驅(qū)動方式選擇外骨骼機器人的驅(qū)動方式對其十分重要，驅(qū)動方式的選擇應滿足動態(tài)性能好、響應速度快。而且應該具有高靈敏度、便于安裝、質(zhì)量輕、可靠性能高等特點。目前，機器人所使用的驅(qū)動方式主要是：電機驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和液壓驅(qū)動三種方式。（1）液壓驅(qū)動：液壓驅(qū)動系統(tǒng)應用靈活，可根據(jù)實際需要合理布置，液壓驅(qū)動最突出的特點是響應速度快，重量輕，動態(tài)性能好，操縱控制方便等。但是液壓油易泄露，容易造成環(huán)境污染，而且維護不便。（2）氣壓驅(qū)動：氣壓驅(qū)動是以壓縮空氣為介質(zhì)，以氣源為動力的驅(qū)動形式，這種驅(qū)動方式具有：使用壽命長、環(huán)保、結構簡單、容易控制等優(yōu)勢。但是在使用過程中有較大的噪音，且驅(qū)動精度低，所以不將其應用在外骨骼機器人。（3）電機驅(qū)動：電機驅(qū)動與前兩者相比更適合應用在外骨骼機器人，因為電機驅(qū)動傳動效率高、便于維護、控制簡單。綜上所述，選用電機驅(qū)動作為穿戴式下肢機器人的驅(qū)動方式，這樣便于控制，而且效率高。我們可采用集成電機、減速器及絲杠螺母機構的電動缸作為驅(qū)動執(zhí)行器。183.6 本章小結本章分析了穿戴式下肢機器人各關節(jié)運動的實際情況，并以此為依據(jù)設計了外骨骼機器人的髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)這三個部位的機械結構，并對外骨骼機器人的驅(qū)動方式進行了分析和選擇。19第 4 章 外骨骼機器人 Creo 仿真分析4.1 Creo 仿真軟件概述Creo 一款三維設計軟件，可實現(xiàn)零件的三維建模、分析和可視化等功能，操作簡單，使用方便。本設計主要應用這款軟件進行外骨骼機器人零部件的機械機構設計及裝配，并利用其進行了機器人各個關節(jié)在力學方面的一些分析，從而保證外骨骼機器人在使用過程中的可靠性和安全性。 4.2 運動仿真分析為保證穿戴式下肢外骨骼機器人機械結構各個部分的安全性能，能更好的幫助下肢殘障患者使用，我們利用 Creo 三維軟件進行了相應的分析。我們用到了 Creo 三維軟件的 Simulate 這一功能，對部分零件進行了有限元分析，主要是分析腿部膝關節(jié)和踝關節(jié)的形變、應變、應力等因素。利用三維軟件可以直觀的觀察出各部分零件在設計過程中存在的問題。有限元分析步驟如下：1 首先提取簡化的下肢外骨骼機器人的結構設計，選擇所有模型，設置零件的材料為鈦。2 對選取的模型進行約束和施加負荷。3 對該模型進行靜力學分析，主要包括應變、應力和剛度分析。外骨骼機器人的結構主要有三個部分，我們需要對這三個部分進行有限元分析，分析這三個部分在受到一定載荷時的應力、應變和形變情況，從而分析所設計的結構是否合理。利用有限元分析可以有效地保證外骨骼機器人的結構設計滿足強度要求，提高外骨骼機器人的安全性。4.3 踝關節(jié)有限元分析為使穿戴式下肢機器人的踝關節(jié)機械結構能滿足使用者的要求，具有較好的強度和安全性，我們對下肢骨骼機器人的踝關節(jié)進行了有限元分析。首先選取踝關節(jié)的結構設計模型，在 Creo 三維軟件中選擇 Simulate 功能菜單，對踝關節(jié)進20行材料設置，然后進行材料方向的選擇和載荷的設置，完成這幾步就可以建立靜態(tài)分析來查看結果。因為外骨骼機器人的驅(qū)動方式為電機驅(qū)動，機器人需要保證高強度。因此選擇材料為鈦合金，鈦合金具有高強度、耐熱性、質(zhì)量輕等優(yōu)點，下表是鈦合金和常用的 45 號鋼性能參數(shù)的對比。表 4-1 鈦合金和 45 鋼性能參數(shù)性能 鈦合金 45 鋼密度 4.51g/cm^3 7.85g/cm^3抗拉強度 441Mpa 600Mpa屈服強度 373Mpa 355Mpa泊松比 0.3 0.27由表可知，鈦合金的質(zhì)量大概為 45 鋼的一半，重量上比 45 鋼更適合作為踝關節(jié)的加工材料，在屈服強度這一性能上鈦合金比 45 鋼高，所以我們選取鈦合金作為穿戴式下肢機器人零部件的加工材料。以此保障穿戴式機器人的強度和安全性，更好輔助下肢殘障患者進行正常運動。圖 a 形變圖 圖 b 應力圖 圖 c 應變圖圖 4-1 踝關節(jié)有限元分析如圖 4-1 是踝關節(jié)有限元分析的結果，從圖中可以看出在踝關節(jié)連接部位的設計基本合格，但如果承受載荷過大會使其發(fā)生形變，可能會影響到外骨骼機器人的整體結構，所以需要進行優(yōu)化，使其在結構上能承受更大的載荷。但是踝關21節(jié)的應力、應變均滿足要求，所以踝關節(jié)的機械結構設計需要進一步改善，從而達到設計的目的。4.4 膝關節(jié)有限元分析踝關節(jié)對下肢外骨骼機器人的結構很重要，但是另外兩部也不能忽視，所以在進行了踝關節(jié)的有限元分析，我們需要對另外的部分進行分析，從而能更好的保護使用者安全。應用同樣的方法，我們將進行對膝關節(jié)的有限元分析，雖然膝關節(jié)只做屈伸運動，但其在結構上也必須具有較好的強度，這樣才能更好的將大腿和小腿兩部分連接在一起。分析結果如圖所示，從圖中我們可以看出膝關節(jié)結構的應力、應變都在正常范圍內(nèi)，所以設計的機械結構部分滿足可靠性的要求。通過有限元分析，我們確定了外骨骼機器人的機械結構設計基本可行，但是部分地方需要進行優(yōu)化改進，是整體設計能更加方便、實用。圖 a 形變圖 圖 b 應力圖 圖 c 應變圖圖 4-2 膝關節(jié)有限元分析以上就是對腿部膝關節(jié)的有限元分析，從結果來看，設計還是可行的，但是我們?nèi)孕枰粩嗟呐W習，完善自己設計，使今后設計出來的外骨骼機器人可以造福更多的人。224.5 本章小結本章主要應用 Creo 三維軟件對穿戴式下肢外骨骼機器人的機械結構進行了有限元分析，驗證了下肢外骨骼機器人的強度和剛度。23第 5 章 結論本課題主要是設計一種可穿戴式下肢負重外骨骼機器人來幫助那些下肢殘障的患者進行康復治療，有助于他們能正常行走。論文中提出了穿戴式下肢機器人的整體設計方案和思路，分析了人體下肢在運動過程中的自由度和運動特征，從而設計了下肢外骨骼機器人的三大關節(jié)：髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)，并對其進行了動力學建模和運動學分析，利用 Creo 三維軟件對其進行了運動仿真。主要研究成果如下：（1）通過查閱資料，了解了國內(nèi)外在外骨骼機器人方面的研究，并提出了下肢外骨骼機器人的設計方案，考慮到穿戴式下肢機器人應用于廣泛人群，故將其設計為可調(diào)節(jié)式的，為了確保外骨骼機器人的安全性和可行性，我們對其運動范圍進行了相關約束。（2）在動力學分析方面，主要采用三維軟件對穿戴式下肢外骨骼機器人的三個主要關節(jié)進行了相應力學性能的有限元分析，保證了機器人整體的力學性能，提高整體的安全性。24參考文獻[1] 張佳帆，陳鷹，楊燦軍. 柔性外骨骼人機智能系統(tǒng)[M].北京：科學出版社，2011，64-76.[2] 楊曉紅. 可穿戴的機器人 ——外骨骼機器人最新發(fā)展[J].輕武器，2009（8）.[3] 張志成. 外骨骼下肢助力機器人技術研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2011.[4] 方郁. 可穿戴下肢助力機器人動力學建模及其控制 [D].合肥：中國科學技術大學，2009.[5] 趙豫玉. 穿戴式下肢康復機器人的研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2009.[6] 劉濤，楊國平，曹國俊 基于 ADAMS 的高頻破碎錘振動箱的動力學仿真[7] 教文剛. 基于 MATLAB 的運動學、動力學過程分析與模擬[M].北京：科學出版社，2013.06.[8] Ferris D P,Czemjecki J M,Hannaford B.An Ankle Foot Orthosis Powered by Artificiak Pneumatic Muscles[J].Journal of Applicd.Biomechanics,2005.[9] Jerry Pratta,Ben Krupp,Design of a bipedal walking robot[10]王企遠, 步行康復訓練機器人助行腿的步態(tài)規(guī)劃與運動控制 [D].上海：上海大學,2011.[11]趙彥峻,徐誠. 人體下肢外骨骼設計與仿真分析[J].系統(tǒng)仿真學報.2009.[12]蔡兆云,肖湘江. 外骨骼機器人技術研究綜述[J].科學與技術.2007[13] McGeer T.Passive Dynamic Walking[J].International Journal 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Weapon Equipment Research Institute, China South Industries Group Corporation, Beijing 102202, ChinaAbstractAn electrically actuated lower extremity exoskeleton is developed, in which only the knee joint is actuated actively while other joints linked by elastic elements are actuated passively. This paper describes the critical design criteria and presents the process of design and calculation of the actuation system. A flexible physical Human-Robot-Interaction (pHRI) measurement device is designed and applied to detect the human movement, which comprises two force sensors and two gasbags attached to the inner surface of the connection cuff. An online adaptive pHRI minimization control strategy is proposed and implemented to drive the robotic exoskeleton system to follow the motion 28trajectory of human limb. The measured pHRI information is fused by the Variance Weighted Average (VWA) method. The Mean Square Values (MSV) of pHRI and control torque are utilized to evaluate the performance of the exoskeleton. To improve the comfort level and reduce energy consumption, the gravity compensation is taken into consideration when the control law is designed. Finally, practical experiments are performed on healthy users. Experimental results show that the proposed system can assist people to walk and the outlined control strategy is valid and effective.Keywords: exoskeleton, pHRI measurement, data fusion, pHRI minimization, adaptive control1 IntroductionA lower extremity exoskeleton is an automatic device worn by human users to improve strength and en-durance. In recent decades, many advances and progress have been made in the development of wearable exoskeletons. The Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX) was designed to assist people to carry heavy loads, which could walk at the speed of 0.9 m·s–1 while carrying 34 kg payload[1]. A single robot leg has four actuators which leads to the complexity and heaviness of the whole system[2]. The developed exoskeletons latter, i.e., ExoHiker, ExoClimber and HULC, simplify the mechanical structure and reduce the number of active Degrees of Freedoms (DoFs). Those DoFs of joints with the highest power consumption during gait cycles should be actuated while the rest DoFs are passively connected with elastic elements to simplify the system[3]. Generally, the lower extremity exoskeleton leg is composed of serial or serial-parallel leg segment. A cam-mechanism is implemented in the design of ankle joint of the exoskeleton[4]. A novel serial-parallel mechanism is designed in a lower extremity exoskeleton to augment load-carrying for walking[5,6]. However, parallel mechanism will increase the complexity of mechanism and decrease its portability. Compact serial-link mechanisms are utilized in many advanced exoskeletons, e.g., Ekso[7] and ReWalk[8