外骨骼技術(shù)產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)報(bào)告

1、編 號密 級階段標(biāo)記外骨骼技術(shù)產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)論證報(bào)告單位 編寫 校對 審核 批準(zhǔn) 西安方元明科技發(fā)展有限公司2013年12月26日內(nèi)容摘要：本報(bào)告提出人體外骨骼的原理機(jī)的設(shè)計(jì)和試制，外骨骼技術(shù)產(chǎn)品組成原理、結(jié)構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)；本設(shè)計(jì)側(cè)重于承重和運(yùn)動，采用電動電液驅(qū)動，動力源采用鋰電池。 外骨骼技術(shù)產(chǎn)品電子電氣的設(shè)計(jì)、軟件代碼編寫；通過人體的意念或運(yùn)動意圖來自動控制電機(jī)運(yùn)動動作。 主題題詞人體外骨骼 設(shè)計(jì)方案及論證報(bào)告更改欄更改單號更改日期更改人更改辦法目錄1 概述42 研制依據(jù)43 引用標(biāo)準(zhǔn)44 主要技術(shù)指標(biāo)及產(chǎn)品功能44.1 技術(shù)指標(biāo)及要求44.2 產(chǎn)品功能55外骨骼技術(shù)產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)55、1 外骨

2、骼技術(shù)產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì).55、2 外骨骼技術(shù)產(chǎn)品需求分析66 外骨骼技術(shù)產(chǎn)品的機(jī)械機(jī)構(gòu)66.1外骨骼技術(shù)產(chǎn)品的機(jī)械活動角度范圍66.2 行走助力外骨骼的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成126.3 行走助力外骨骼的機(jī)械總體方案 146.4外骨骼技術(shù)產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動設(shè)計(jì)的基本要求196.5下肢外骨骼液壓驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)及碳纖維纏繞液壓缸237 外骨骼技術(shù)產(chǎn)品電控系統(tǒng)總體方案248 行走助力外骨骼的傳感器系統(tǒng)268. 1 足底壓力信息的獲取.268.2 傳感器的選型與標(biāo)定278.3 信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì) .288.4 Flexiforce 的布局.298.5其他傳感器的應(yīng)用309 肌電采集系統(tǒng)3210數(shù)據(jù)采集與處理軟件-35

3、11、外骨骼控制與人體步態(tài)分析系統(tǒng)-3811.1、人體下肢運(yùn)動周期.3911.2、運(yùn)動過程中各關(guān)節(jié)的相關(guān)運(yùn)動大小.4111.3、步態(tài)周期支撐期間地面反力對下肢關(guān)節(jié)的作用.4211.4、步態(tài)周期的肌肉活動.4211.5、常用步行參數(shù)4312、 外骨骼技術(shù)產(chǎn)品系統(tǒng)可靠性、可維護(hù)性分析4313 產(chǎn)品檢驗(yàn)-4314 結(jié)論：441 概述依據(jù)總經(jīng)理布置，根據(jù)公司在自動化及軍工領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略要求與市場需求，西安方元明公司對人體外骨骼及人體外骨骼技術(shù)在民用市場用途進(jìn)行深入調(diào)研，書寫詳細(xì)的調(diào)研報(bào)告，并提出可供實(shí)際產(chǎn)品化的項(xiàng)目并項(xiàng)目方案論證及設(shè)計(jì)。2 研制依據(jù) 按照國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品研究技術(shù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，仿洛可

4、83;馬丁公司本外骨骼產(chǎn)品，特別是增強(qiáng)人體負(fù)重能力等方面的外骨骼進(jìn)行課題設(shè)計(jì)，并制作初級階段的原理樣機(jī)。特別是參照國外軍品外骨骼產(chǎn)品。3 引用標(biāo)準(zhǔn)GJB150-1986 軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法GJB151A-1997 軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求GJB1406A-2005 產(chǎn)品質(zhì)量保證大綱要求GJB450A-2004 裝備可靠性工作通用要求GJB1032-1990 電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法4 主要技術(shù)指標(biāo)及產(chǎn)品功能4.1 技術(shù)指標(biāo)及要求 最大負(fù)重：100千克； 自重：最大32千克； 液壓驅(qū)動器； 供電：鋰電池供電48V、60V，持續(xù)工作10小時(shí)； 行進(jìn)速度：負(fù)重情況下可以達(dá)5千米/小時(shí)的

5、速度在多種地形中行進(jìn)。 機(jī)械結(jié)構(gòu)件配合人體角度要求：下肢關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍屈/伸（髖）（-121°） （10°）內(nèi)收/外展（髖）（-16°） （16°）旋內(nèi)/旋外（髖）（-35°） （35°）屈/伸（膝）（-121°） （0°）旋內(nèi)/旋外（踝）背屈/屈（踝）（-45°） （45°）內(nèi)翻/外翻（踝）（-20°） （20°）按照男性人體平均身高1.755m為基準(zhǔn)，按照以下比例確定人體各肢體長度，結(jié)構(gòu)部分可以依照相應(yīng)的尺寸進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)。人體體重按照平均成年人體重75KG設(shè)計(jì)，動力助力

6、按照60%75%來進(jìn)行4.2 產(chǎn)品功能 外骨骼技術(shù)產(chǎn)品能使普通人力量（負(fù)重）、速度等都會有大幅度的提高，幫助癱瘓病人直立行走。5 外骨骼技術(shù)產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)5.1 外骨骼技術(shù)產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)5.1.1 實(shí)現(xiàn)運(yùn)動平臺的連續(xù)運(yùn)動，伴隨人體兩腿走路、坐立、跑步等。設(shè)計(jì)出在不同狀態(tài)下行動時(shí)機(jī)能夠和人體運(yùn)動一致械裝置系統(tǒng)。5.1.2 能夠通過機(jī)械將重力傳遞到地上。結(jié)構(gòu)機(jī)械部分能夠很好和人體協(xié)調(diào)配合（仿國外外骨骼）。5.1.3 通過采集人體肌電達(dá)到獲得人體的運(yùn)動意圖并自動控制電機(jī)配合動作。5.2 外骨骼技術(shù)產(chǎn)品需求分析5.2.1外骨骼技術(shù)產(chǎn)品的功能要求 1）.外骨骼技術(shù)產(chǎn)品組成原理、結(jié)構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)；本設(shè)計(jì)側(cè)重于

7、承重和運(yùn)動，采用電動電液驅(qū)動。動力源采用鋰電池48V/60V，充滿電之后要供10小時(shí)行走。 2）外骨骼技術(shù)產(chǎn)品電子電氣的設(shè)計(jì)、軟件代碼編寫。通過人體肌電反應(yīng)出運(yùn)動意圖并和傳感器系統(tǒng)一起完成控制功能。5.2.2 外骨骼技術(shù)產(chǎn)品的性能指標(biāo) 高強(qiáng)度鋼鋁合金結(jié)構(gòu)材料； 電液缸伺服驅(qū)動器; 人體肌電達(dá)到獲得人體的意念;阿爾泰ART2953 高分辨率多通道模擬104接口的數(shù)據(jù)采集卡多個(gè)傳感器控制系統(tǒng)阿爾泰 EPC-9351 X86嵌入式主板控制軟硬件平臺（Windows XP, 2.5GHZ處理器）多軸電機(jī)控制板卡（4/6軸運(yùn)動控制卡）6 外骨骼技術(shù)產(chǎn)品的機(jī)械機(jī)構(gòu)6.1外骨骼技術(shù)產(chǎn)品的機(jī)械活動角度范圍6.

8、1.1 人體解剖學(xué)下肢骨骼構(gòu)型和關(guān)節(jié)活動角度范圍人體下肢骨骼組成如下： 盆帶骨(髖骨) 盆骨 髖關(guān)節(jié) 大腿骨 股骨人體下肢骨骼 膝關(guān)節(jié)小腿骨 踝關(guān)節(jié)足骨 腓骨 脛骨外骨骼產(chǎn)品需要與人體緊密配合的，人的運(yùn)動構(gòu)架和骨骼構(gòu)架是設(shè)計(jì)外骨骼產(chǎn)品的基礎(chǔ)。肌肉通過肌鍵與骨骼相連,人體運(yùn)動時(shí)神經(jīng)系統(tǒng)對肌肉發(fā)出指令進(jìn)行肌肉的收縮與舒展運(yùn)動,肌健將肌肉運(yùn)動產(chǎn)生的力傳遞到骨骼,使骨骼進(jìn)行擺動與旋轉(zhuǎn)。另外,肌鍵與關(guān)節(jié)上復(fù)雜的互相交叉的韌帶組織還能限制關(guān)節(jié)與骨骼的運(yùn)動,防止人體骨骼與肌肉受到傷害。 髖關(guān)節(jié)由一個(gè)球形股骨頭和盆骨的髖臼組成,是個(gè)典型的球窩關(guān)節(jié),具有三個(gè)自由度,可完成屈/伸，外展/內(nèi)收，旋轉(zhuǎn)及環(huán)轉(zhuǎn)等多個(gè)運(yùn)動

9、。人體下肢承擔(dān)了大部分載重,其關(guān)節(jié)本身要有一定的強(qiáng)度和穩(wěn)定性;另外髖關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍大,關(guān)節(jié)窩很深關(guān)節(jié)囊也很緊,同時(shí)具備牢固性和靈活性。髖關(guān)節(jié)做屈/伸運(yùn)動時(shí),股骨頭沿冠狀軸在髖臼內(nèi)旋轉(zhuǎn);外展/內(nèi)收運(yùn)動時(shí),是以股骨頭中心至股骨頸中線為軸線旋轉(zhuǎn)的。髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍受到本身關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和肌肉韌帶的限制。膝關(guān)節(jié)主要包括股骨內(nèi)，外側(cè)踝,脛骨內(nèi)，外側(cè)踝和髕骨,屬于滑車球狀關(guān)節(jié),具有一個(gè)自由度,能完成屈/伸運(yùn)動。膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)囊內(nèi)部有多條韌帶:前交叉韌帶限制脛骨前移,后交叉韌帶限制脛骨后移。在膝關(guān)節(jié)屈曲后,一般認(rèn)為膝關(guān)節(jié)僅具有屈/伸自由度,可視為一個(gè)鉸鏈關(guān)節(jié)。 人體下肢骨骼結(jié)構(gòu)圖踝關(guān)節(jié)主要由脛、腓骨下關(guān)節(jié)面,內(nèi)外踝關(guān)節(jié)

10、面和距骨上方的滑車關(guān)節(jié)面組成,有三個(gè)自由度,可完成背屈/跎屈、內(nèi)翻/外翻、旋內(nèi)/旋外等運(yùn)動。踝關(guān)節(jié)運(yùn)動的方式主要取決于距骨上方的滑車關(guān)節(jié)面的形狀,其活動范圍較小。以橫貫距骨的水平軸為轉(zhuǎn)軸,踝關(guān)節(jié)做背屈/跎屈;在跎屈時(shí)有輕微的內(nèi)翻/外翻和旋內(nèi)/旋外運(yùn)動。足骨將人體負(fù)載所有的力傳遞到地面,其結(jié)構(gòu)由跗骨、跎骨和趾骨三部分組成。下肢助力外骨骼的研究中一般采取了兩個(gè)自由度,即背屈/跎屈和旋內(nèi)/旋外自由度。將三個(gè)關(guān)節(jié)共7個(gè)自由度的運(yùn)動范圍列表如下，外骨骼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)必須結(jié)合人體骨骼的角度范圍來參考:下肢關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍屈/伸（髖）（-120°） （65°）內(nèi)收/外展（髖）（-30°

11、;） （40°）旋內(nèi)/旋外（髖）（-15°） （60°）屈/伸（膝）（-120°） （0°）旋內(nèi)/旋外（踝）（-15°） （50°）背屈/屈（踝）（-20°） （50°）內(nèi)翻/外翻（踝）（-30°） （20°）6.1.2 行走助力外骨骼的關(guān)節(jié)自由度和運(yùn)動角度技術(shù)要求機(jī)械結(jié)構(gòu)方面, 本外骨骼有七個(gè)自由度,其中髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)各三個(gè),膝關(guān)節(jié)有一個(gè)。主要對髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的屈/伸自由度作驅(qū)動,其他的一些自由度上安裝了彈性阻尼裝置來抵消部分的人體能耗,比如髖關(guān)節(jié)屈/伸自由度的反力矩機(jī)構(gòu),同時(shí)增加運(yùn)

12、動的舒適性。下肢外骨骼的最主要功能是能跟隨人體行走,這個(gè)動作主要是在矢狀面上完成的,因此應(yīng)該首先滿足矢狀面上自由度的匹配。協(xié)行下肢外骨骼選擇將髖關(guān)節(jié)的屈/伸自由度中心軸線與人體的相重合,確保外骨骼在矢狀面上與人體匹配。另外,在矢狀面上還設(shè)計(jì)了一個(gè)反力矩機(jī)構(gòu)。當(dāng)人雙腿支撐站立狀態(tài)時(shí),機(jī)械腿系統(tǒng)屈/伸自由度被一定程度的限制,即無法向后再伸展。向后伸展時(shí),以氣彈簧為主要彈性元件的反力矩機(jī)構(gòu)阻止了機(jī)械腿的運(yùn)動;同時(shí)向后運(yùn)動的趨勢將腰帶向上頂起,即將背架和負(fù)載支撐起來,那么在人雙腿支撐站立狀態(tài)時(shí),更減小了負(fù)載對人產(chǎn)生的作用力,使人穿戴起來更舒適。（2）髖關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收自由度下肢外骨骼外骨骼的髖關(guān)節(jié)在冠狀

13、面上與人體髖關(guān)節(jié)有一定偏差距離,因此在髖關(guān)節(jié)進(jìn)行外展/內(nèi)收時(shí)會產(chǎn)生如圖所示的誤差。當(dāng)人腿OA1和機(jī)械腿OA2外擺時(shí),產(chǎn)生了CB2的誤差。本外骨骼將外展/內(nèi)收旋轉(zhuǎn)中心設(shè)置在了散關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)后方,將該旋轉(zhuǎn)中心移動到腰帶上,使腰帶與腿機(jī)構(gòu)一起外展/內(nèi)收,并保持了與人體髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心的匹配,消去了原來的誤差。將該自由度移動其中心軸線至腰帶,在腰帶上重新配置了該自由度,而本文研究的協(xié)行下肢外骨骼采用的是用多個(gè)外展/內(nèi)收自由度來共同實(shí)現(xiàn)的方法所示為該自由度功能實(shí)現(xiàn)的簡易機(jī)構(gòu)圖,以左腿為例:人腿外擺時(shí)外骨骼月退跟隨人體外擺,髓關(guān)節(jié)外展的同時(shí)腰帶也外展,利用這兩個(gè)外展自由度來完成外骨骼機(jī)械腿系統(tǒng)整體的外展;內(nèi)收時(shí)

14、外骨骼髓關(guān)節(jié)的內(nèi)外擺部件被鎖死,由腰帶的內(nèi)收自由度來完成外骨骼機(jī)械腿系統(tǒng)整體的內(nèi)收。這樣,通過不定的多自由度相結(jié)合,利用腰帶靛關(guān)節(jié)內(nèi)外擺部件和腰帶的外展/內(nèi)收,來實(shí)現(xiàn)髓關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收自由度。將外骨骼髓關(guān)節(jié)內(nèi)收自由度鎖死的這種設(shè)計(jì)有多個(gè)優(yōu)點(diǎn):首先,外骨骼系統(tǒng)在冠狀面的內(nèi)外擺被強(qiáng)制地由不同關(guān)節(jié)的自由度來完成,機(jī)械腿外擺時(shí)由內(nèi)外擺部件和腰帶共同完成,在內(nèi)收時(shí)則只能由腰帶的內(nèi)擺來完成;第二,當(dāng)人在單腿站立狀態(tài)時(shí),人體向外側(cè)傾斜,將內(nèi)收自由度鎖死,使腰帶與整個(gè)機(jī)械腿連結(jié)成一個(gè)剛性系統(tǒng),背架上的負(fù)載力傳遞效果更好;第三,限制內(nèi)收可以防止機(jī)械腿內(nèi)擺過量,機(jī)械腿不會與人體產(chǎn)生碰撞,提高了外骨骼使用安全性。結(jié)構(gòu)

15、件鏈接關(guān)節(jié)外骨骼結(jié)構(gòu)運(yùn)動范圍屈/伸（髖）（-121°） （10°）內(nèi)收/外展（髖）（-16°） （16°）旋內(nèi)/旋外（髖）（-35°） （35°）屈/伸（膝）（-121°） （0°）旋內(nèi)/旋外（踝）背屈/屈（踝）（-45°） （45°）內(nèi)翻/外翻（踝）（-20°） （20°） (3)髖關(guān)節(jié)水平面環(huán)旋自由度與髖關(guān)節(jié)的外展/內(nèi)收自由度相同,由于空間位置上與人體髖關(guān)節(jié)的差異,使該自由度會產(chǎn)生誤差。如圖所示,O1為人腿的中軸線,也表示踝關(guān)節(jié)軸線,O1A1表示人的腳。類似的O2A2表示

16、外骨骼的腳。當(dāng)人腿旋轉(zhuǎn)時(shí),人的腳旋轉(zhuǎn)帶動外骨骼腳旋轉(zhuǎn),會產(chǎn)生CB2的長度誤差。本外骨骼設(shè)計(jì)的第一種解決辦法,是在兩條腿上方,髖關(guān)節(jié)以下,設(shè)置了旋轉(zhuǎn)軸。但是這種辦法效果并不好,特別是在負(fù)載時(shí)未驅(qū)動自由度上的力增大的情況下。其第二種解決辦法,采用單一轉(zhuǎn)軸,將兩條腿的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸線合二為一,在腰帶連接中心上設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)軸。這樣就使髖關(guān)節(jié)能整體內(nèi)外旋轉(zhuǎn),并且使腿部運(yùn)動實(shí)現(xiàn)跟隨。將原本在大腿上的內(nèi)旋外旋自由度移動到了腰帶連接軸線上,以解決重載情況時(shí)自由度運(yùn)動不理想的問題。協(xié)行下肢外骨骼設(shè)計(jì)了一個(gè)管套件,上連接腰帶與擺動部件,下連接大腿。該套管件與大腿配合,可以調(diào)節(jié)長度以適應(yīng)不同身高的使用者。管套中利用兩個(gè)止

17、推軸承限制調(diào)節(jié)桿軸向的上下移動,并在管套內(nèi)部放置一根彈簧,利用彈簧的彈力使調(diào)節(jié)長度時(shí)可以更省力。另外該彈簧還起到自動回復(fù)作用,當(dāng)機(jī)械腿系統(tǒng)內(nèi)外旋時(shí),該彈簧的作用類似扭簧,能產(chǎn)生與機(jī)械腿自身旋轉(zhuǎn)相反的力,使其回復(fù)到平衡位置。6.2 行走助力外骨骼的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成行走助力外骨骼包括背架系統(tǒng)、機(jī)械腿系統(tǒng)及傳感靴系統(tǒng)。背架系統(tǒng)中包含能源儲備、動力源、控制系統(tǒng)等的配置位置, 背架系統(tǒng)將使用者背負(fù)的重量, 全部通過下肢連接架傳遞到下肢外支撐架上, 同時(shí)通過可穿在使用者身上的馬甲保證下肢外支撐架結(jié)構(gòu)裝置與使用者的貼合,保證行動的可靠性,目的是讓使用者感到背負(fù)裝置的存在,而感覺不到背負(fù)的重量。行走助力外骨骼利用

18、機(jī)械外骨骼支撐本身的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和負(fù)載質(zhì)量、包含一系列傳感器、都不需要任何操縱臺或外部控制設(shè)備等。 (l)背架系統(tǒng)構(gòu)型背架系統(tǒng)除了要背負(fù)載荷,還要安裝液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電機(jī)以及電池等零部件。為了使背架的設(shè)計(jì)一體集成,將液壓系統(tǒng)和電機(jī)的安裝平臺與背架結(jié)合,液壓系統(tǒng)和電機(jī)直接裝在背架上。安裝方便,結(jié)構(gòu)緊湊。兩個(gè)鋰電池考慮到對人體的負(fù)載平衡性,將它們安裝在背架的兩側(cè),以儲藏袋的形式綁縛在背架上,滿足更換和充電的方便。整個(gè)背架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊牢固,電路走線和液壓油管布局清晰。 (2)機(jī)械腿系統(tǒng)構(gòu)型機(jī)械腿系統(tǒng)包括腰帶系統(tǒng)，髖關(guān)節(jié)，大小腿及驅(qū)動器,腰帶系統(tǒng)使用了一個(gè)扭簧,增加腰帶的彈性和回復(fù)功能;髖關(guān)節(jié)主要是前

19、后擺部件和內(nèi)外擺部件;驅(qū)動器采用碳纖維纏繞方法加強(qiáng)了液壓缸的管壁強(qiáng)度。(3)傳感靴系統(tǒng)構(gòu)型傳感靴系統(tǒng)主要包括傳感靴、踝關(guān)節(jié)以及傳感器。傳感靴外形沒有什么改變,其尺寸相比較以前的設(shè)計(jì)更小,鞋子的重量更輕; 踝關(guān)節(jié)包含了屈/伸和內(nèi)轉(zhuǎn)/外翻自由度,一部分屬于小腿,即小腿調(diào)節(jié)桿;傳感器為懸臂十字梁結(jié)構(gòu)的力傳感器,布局方式與之前設(shè)計(jì)的相同。6.3 行走助力外骨骼的機(jī)械總體方案髖關(guān)節(jié)是三個(gè)關(guān)節(jié)中最易產(chǎn)生偏差的關(guān)節(jié)，通過利用關(guān)節(jié)運(yùn)動副的外側(cè)布置，保證髖關(guān)節(jié)運(yùn)動的對應(yīng)性。將髖關(guān)節(jié)收展置于背部，并將驅(qū)動裝置布置在留有空間。收展運(yùn)動可以與人體同步，從而減少了設(shè)計(jì)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性。機(jī)構(gòu)構(gòu)型是由 12個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成的

20、，單側(cè)具有包括髖關(guān)節(jié)的屈伸、收展、旋轉(zhuǎn)，膝關(guān)節(jié)的屈伸，以及踝關(guān)節(jié)屈伸和旋轉(zhuǎn) 6DOF。將髖關(guān)節(jié)外展內(nèi)收關(guān)節(jié)移動到了背架和腿的結(jié)合部位，在液壓缸的輔助下，整個(gè)腿部與背架剛性連接，因而具有較大的承載能力。這時(shí)，外骨骼髖關(guān)節(jié)的外展內(nèi)收關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心與人體髖關(guān)節(jié)外展內(nèi)收關(guān)節(jié)不重合，在運(yùn)動時(shí)有可能產(chǎn)生小量的干涉，但由于人在正常行走時(shí)，人體髖關(guān)節(jié)外展內(nèi)收運(yùn)動量較?。ㄒ话銥?°-1.5°）并且人腿部與外骨骼連接的綁帶具有一定彈性，因而這種干涉不會造成巨大影響。該構(gòu)型可保證助行機(jī)構(gòu)與人體配合運(yùn)動時(shí)具有良好的一致性，人體和助行機(jī)構(gòu)屈伸關(guān)節(jié)的軸線同軸性較好。將兩腿髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的屈伸作為主動關(guān)節(jié)

21、運(yùn)動，配備液壓驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動。兩腿其它4個(gè)關(guān)節(jié)作為被動關(guān)節(jié)，在運(yùn)動時(shí)由人體帶動運(yùn)動，由扭簧幫助其恢復(fù)到平衡位置。簡要分析助行機(jī)構(gòu)的各個(gè)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)，髖關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動只需要考慮空間關(guān)系和限位即可，收展關(guān)節(jié)布置在背后，軸線應(yīng)與人體髖關(guān)節(jié)中心交匯。膝關(guān)節(jié)僅具有屈伸自由度，運(yùn)動在矢狀面內(nèi)完成，由于運(yùn)動幅度相比其他兩個(gè)關(guān)節(jié)較大，故它是完成動作的最主要運(yùn)動。踝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)主要考慮空間關(guān)系，在不影響運(yùn)動情況下，設(shè)計(jì)盡量緊湊。采用的是管狀結(jié)構(gòu)，通過緊固螺釘連接調(diào)節(jié)腿部長短，即保證適合不同身高人體的穿戴，又使人機(jī)對應(yīng)關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動軸線同軸。外置后的助行裝置外側(cè)留有很大的空間，可以進(jìn)行多種驅(qū)動的選擇。1、

22、背帶 2、髖關(guān)節(jié)屈伸液壓缸 3、髖關(guān)節(jié)外展內(nèi)收關(guān)節(jié) 4、被動關(guān)節(jié)扭簧 5、髖關(guān)節(jié)屈伸關(guān)節(jié)6、髖關(guān)節(jié)旋內(nèi)旋外關(guān)節(jié) 7、膝關(guān)節(jié)屈伸驅(qū)動液壓缸 8、膝關(guān)節(jié)屈伸關(guān)節(jié) 9、踝關(guān)節(jié)背屈關(guān)節(jié) 10、踝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻關(guān)節(jié)6.31各桿件及桿長下肢助行機(jī)構(gòu)桿長的設(shè)計(jì)要與人體的下肢尺寸相一致，這樣當(dāng)不同的使用者穿戴時(shí)，才能夠達(dá)到更好的適應(yīng)性。根據(jù)人體測量學(xué)數(shù)據(jù)，我國青年人的下肢骨骼各部位尺寸與身高的比例關(guān)系，如圖 所示。H為人體高度。由圖片的比例關(guān)系可知，當(dāng)知道一個(gè)正常人的身高時(shí)，就可以大致確定下肢骨骼模型各個(gè)關(guān)節(jié)中心之間的相互尺寸，大腿的長度為L1 =0.245H ，小腿的長度L2 =0.246H ，左右兩條腿間的寬

23、度L3 =0.191H 。結(jié)合自己的身高和各個(gè)關(guān)節(jié)的比例關(guān)系，可以得到如圖結(jié)構(gòu)主要尺寸圖。人體主要參數(shù)（1） 人體尺寸：參照美國阿爾文.R.狄里(Alvin R. Tilley)和亨利.德里福斯事務(wù)所(Henry Dreyfuss Associates)編著的設(shè)計(jì)中的男女尺度(the Measure of Man & Woman Factors in Design)一書的技術(shù)資料。圖中未加括號的數(shù)字表示人體測量尺寸，單位為mm，加括號的數(shù)字表示人體測量尺寸相對于身高的比例。人體下肢詳細(xì)尺寸如圖所示。6.32液壓缸驅(qū)動器行程的確定根據(jù)助行機(jī)構(gòu)髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖所示，建立油缸行程和安裝位置的

24、關(guān)系表達(dá)式，首先，假設(shè)油缸移動位移和兩個(gè)安裝點(diǎn)中的一個(gè)固定，然后假設(shè)驅(qū)動器的最大位移和最小位移發(fā)生在髖關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍的兩個(gè)極限位置。如圖所示。驅(qū)動器位置的確定要保證在完成屈伸運(yùn)動的同時(shí)，驅(qū)動器油缸長度處于行程允許范圍內(nèi)。根據(jù)髖關(guān)節(jié)驅(qū)動結(jié)構(gòu)圖，如圖所示，建立油缸行程和安裝位置間的關(guān)系，由幾何關(guān)系可測得CBD。由圖中關(guān)系可得 = + 90° CBD式中是L 1和L2兩連線的夾角，hip是髖關(guān)節(jié)角度。在 ABD中，由余弦定律，可求得驅(qū)動器的長度L0L0 = (L1² + L2² 2L1L2cos )由下式，若已知油缸移動位移 d，驅(qū)動器任一端安裝位置即可根據(jù)髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動范

25、圍hip，求得 下肢助行機(jī)構(gòu)參數(shù)表L0² L1² L2²+ 2L1 L2 cos (+90°-CBD)=0由整體機(jī)構(gòu)的受力圖和關(guān)節(jié)的受力范圍，計(jì)算油缸的行程和髖關(guān)節(jié)產(chǎn)生的力矩。計(jì)算行程，首先根據(jù)圖 3.10建立髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角和驅(qū)動器電機(jī)轉(zhuǎn)角的關(guān)系：d=L0Lmin當(dāng)大腿關(guān)節(jié)處于兩個(gè)極限位置時(shí)，所得的行程最大，設(shè)計(jì)允許髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度范圍是60 ° -10°，將 60°和-10°分別代入公式中，經(jīng)過計(jì)算油缸長度變化范圍在98mm-174mm，最大行程為 76mm。助行機(jī)構(gòu)的最大驅(qū)動力矩應(yīng)與驅(qū)動人體的最大力矩相同，圖為正常

26、人體髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩圖。正常人體的質(zhì)量為 60kg，人體下肢占人體總體的比重為38.68%。T1 = T2 = 0.9 × 38.68% × 60 × 1000 = 20887.2mNm髖關(guān)節(jié)最大拉力為F1 =T1/L1=20887.2/71.5 =292N膝關(guān)節(jié)最大拉力為F2 = T2/L2=20887.2/42.5 =491.5N電機(jī)的最大拉力也就是電機(jī)的驅(qū)動力。用同樣的方法計(jì)算轉(zhuǎn)動范圍為 0-45°的膝關(guān)節(jié)行程變化范圍是 327mm-286mm，最大行程為 41mm。根據(jù)以上計(jì)算，液壓電機(jī)選擇直流伺服電機(jī)，供電電壓 24V，最大轉(zhuǎn)速可達(dá) 50

27、00rpm，最大轉(zhuǎn)矩可達(dá)70mNm，最大電流 2.3A；減速器選擇 38A 系列，行星齒輪減速比 480:1，轉(zhuǎn)換率80%。電機(jī)控制器選用 3003S，可提供最大 3A 的驅(qū)動電流；編碼器選用 IE2-512 編碼器，定位精度高達(dá) 0.18°；根據(jù)以上選型計(jì)算可得電機(jī)驅(qū)動部分所能提供的最大力矩為：T = 70 × 480 × 80% = 26880mNm因?yàn)橛透茁菽盖凹右患?1.5:1的同步帶，所以驅(qū)動器的最大力矩可以達(dá)到：M = 40320Nm > 20887.2mNm經(jīng)以上計(jì)算所選電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動力遠(yuǎn)大于驅(qū)動器所需的力矩，完全能夠滿足所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的需要。人

28、體正常行走時(shí)，一個(gè)行走周期為 34s，髖部油缸最大行程為 76mm，因此，油缸的速度為 3851mm/s，由公式 所得導(dǎo)程經(jīng)過優(yōu)化處理，選取導(dǎo)程P = 10mm為該油缸的導(dǎo)程。 6.4外骨骼技術(shù)產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動設(shè)計(jì)的基本要求1、擬人化。外骨骼技術(shù)產(chǎn)品要求具有良好的可穿戴性，其機(jī)械結(jié)構(gòu)和自由度分布應(yīng)于人體運(yùn)動關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和自由度相匹配，同時(shí)應(yīng)該能夠非常方便地根據(jù)穿戴者體形和身材進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便使人穿戴舒適、操作靈活、最大限度地拓展人的活動范圍。2、安全、穩(wěn)定、可靠。作為一種可穿戴和與人體緊密結(jié)合的產(chǎn)品，外骨骼技術(shù)產(chǎn)品需要滿足安全性、有效性和舒適性的要求。3、材料的優(yōu)質(zhì)輕便性。由于外骨骼技術(shù)產(chǎn)品是穿戴

29、在人身上和人一起運(yùn)動，其材料必須要求非常輕便，同時(shí)必須具有足夠的強(qiáng)度和韌性，以承受人體和重物的重量以及與地面的碰撞。4、驅(qū)動的高效性。由于外骨骼技術(shù)產(chǎn)品要承受穿戴者及其自身的重量，并且應(yīng)與穿戴者動作保持一致，其驅(qū)動器應(yīng)滿足小體積、輕便、低功耗、大功率輸出等要求，同時(shí)還應(yīng)具有響應(yīng)快、低慣性、高精度和高安全性等性能。6.4.1背架系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析在整個(gè)下肢助力外骨骼中,背架與人體的接觸面積最大,且之間的力交互情況也最多。背架與肩帶綁縛,通過肩帶穿戴在人體上。一方面,整個(gè)系統(tǒng)依靠人體直立,背架及安裝其上的零部件系統(tǒng)的重量由人體支撐;另一方面,外骨骼啟動后機(jī)械腿支撐起背架及負(fù)重,減輕背架對人體的作用力,即

30、達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。背架的設(shè)計(jì)因素有以下幾點(diǎn):1.質(zhì)量輕,盡量減少對人體的作用力;2.力學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,在質(zhì)量輕的條件下又有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;3.合理設(shè)計(jì)驅(qū)動系統(tǒng)。電氣控制系統(tǒng)及能源系統(tǒng)的安裝位置,不僅要考慮外觀整潔,各個(gè)系統(tǒng)的布線要有條理,質(zhì)量分配要均衡,還要使各個(gè)零部件拆裝更換方便快捷;4.材料選取,在綜合考慮輕質(zhì)和保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,選擇合適的材料,用經(jīng)濟(jì)的制造方法制造。6.4.2大腿設(shè)計(jì)分析下肢助力外骨骼大腿其使用功能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高,大腿的設(shè)計(jì)因素有以下幾點(diǎn):1.符合人體測量學(xué)要求,且可進(jìn)行一定的調(diào)節(jié),能與不同身高的人匹配;2.在不同平面有相應(yīng)的弧度,滿足不同的功能要求;3.在主要關(guān)節(jié)和結(jié)構(gòu)上

31、機(jī)械性能有一定的強(qiáng)度,滿足材料; 4.簡化系統(tǒng)的受力,避免出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)力矩;5.自身重量輕,拆裝方便。在矢狀面上有彎曲的弧度, 在矢狀面和冠狀面上有弧度，大腿保持了結(jié)構(gòu)的對中性,其與髓關(guān)節(jié)相連接的軸線以及與小腿相連接的軸線沒有任何方向的偏移。大腿在冠狀面的偏移是為了能更貼近人的大腿,使綁縛帶綁的更加牢固。該距離又不能太大,影響大腿結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。大腿在矢狀面的弧度是為了能在小腿完全收回時(shí),整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊,便于攜帶。除了上述兩個(gè)功能,大腿的彎曲還能吸收一定的沖擊能量。在60kg負(fù)載情況下,大腿在垂直軸方向的最大位移是2mm,沖擊力部分轉(zhuǎn)化為大腿的形變,減少了對耳軸和膝關(guān)節(jié)的沖擊。在6Okg負(fù)載

32、下,耳軸的最大應(yīng)力為5.787MPa,遠(yuǎn)小于ABs和Pc材料的彎曲強(qiáng)度。6.4.3小腿設(shè)計(jì)分析下肢助力外骨骼小腿的設(shè)計(jì),其主要原因是小腿在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用功能情況上都比大腿要好。小腿的設(shè)計(jì)因素主要考慮以下幾點(diǎn):1.與人體測量學(xué)數(shù)據(jù)匹配,并可調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同身高;2.有一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,在主要受力點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)不會損壞;3.自身重量要小。小腿除了有類似榔頭手柄的S型外形,其在空間上均沒有設(shè)計(jì)大的弧度。新的小腿保留了類似小腿腿肚的弧度,并對小腿膝關(guān)節(jié)和耳軸兩個(gè)部位的受力交叉處進(jìn)行了結(jié)構(gòu)加強(qiáng),由圖可知這兩個(gè)受力部位的力學(xué)計(jì)算結(jié)果很小,完全滿足了材料的機(jī)械性能。另外,在以往試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)小腿膝關(guān)節(jié)和耳軸在收到重載時(shí),

33、也會使其結(jié)構(gòu)損壞,因此也對這兩個(gè)耳軸進(jìn)行了結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。在60kg負(fù)載下,小腿受到的最大應(yīng)力為9.469MPa,產(chǎn)生的最大位移大約為3mm。6.4.4傳感靴設(shè)計(jì)分析傳感靴除了結(jié)構(gòu)上有變化,在設(shè)計(jì)要求和方法都沒變。傳感靴上安裝了三個(gè)傳感器,以及與人腳緊固用的綁縛帶。人在行走和站立時(shí),前腳掌和腳后跟對地面的作用力最大,因此在相應(yīng)位置安裝了兩個(gè)壓力傳感器;另外,為了測量外骨骼的承力,在外骨骼腳踩末端也安裝了壓力傳感器。整個(gè)鞋子的外形比前兩代更小,人腳對鞋子的壓力更集中。新的傳感靴設(shè)計(jì)中還增加了多層鋼板,其作用主要有兩個(gè):一個(gè)是能增強(qiáng)鞋子本身的強(qiáng)度,不容易彎折和損壞,傳感靴是整個(gè)系統(tǒng)的最終承力部件,要保證

34、鞋子的強(qiáng)度;安裝在橡膠鞋底上用于緊固各層部件的螺釘,由于橡膠本身比較軟,螺釘常會嵌入到鞋底中,使其他部件安裝不牢固,使用了鋼板后就解決了這一問題。6.4.5踝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)分析外骨骼踝關(guān)節(jié)是由小腿調(diào)節(jié)桿和關(guān)節(jié)軸承組成的,關(guān)節(jié)軸承下端是測量外骨骼承力情況的壓力傳感器,設(shè)計(jì)了一個(gè)壓力集中部件,與關(guān)節(jié)軸承相連。6.4.6鞋底傳感器設(shè)計(jì)分析安裝在鞋底的輪輻式傳感器,采用十字剪切梁結(jié)構(gòu),具有良好的自然線性?？蛊d能力強(qiáng)、精度高、外形高度低、安裝方便穩(wěn)定。下肢助力外骨骼的傳感靴中使用的輪輻式傳感器的外形及應(yīng)變片貼片位置。其中黑色區(qū)域?yàn)橘N片位置,共有八片應(yīng)變片。當(dāng)壓力均衡時(shí),各應(yīng)變片受到的力相同,其變形也相同,因

35、此電阻值相等,輸出電壓為零;當(dāng)受到的力不相同時(shí),各應(yīng)變片的電阻值便不通,輸出電壓不為零。6.4.7腰帶設(shè)計(jì)分析腰帶的設(shè)計(jì)有兩個(gè)自由度。增加了反力矩機(jī)構(gòu),加強(qiáng)外骨骼的支撐能力。在人體背后增加了一個(gè)扭簧,平衡負(fù)載對兩腿的作用力,在一定程度上提升了負(fù)載,減少對人體的作用力。腰帶的外形也有了一定改進(jìn),在矢狀面上設(shè)計(jì)了一個(gè)斜度,為反力矩機(jī)構(gòu)的氣彈簧提供了安裝空間。6.5下肢外骨骼液壓驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)及碳纖維纏繞液壓缸1、電機(jī) 2、齒輪泵 3、油箱 4、壓力表 5、安全閥 6、開關(guān)閥 7-10、左腿髖關(guān)節(jié)油缸、伺服閥、電磁換向閥、開關(guān)閥 11-14、左腿膝關(guān)節(jié)油缸、伺服閥、電磁換向閥、開關(guān)閥 15-18、右腿

36、髖關(guān)節(jié)油缸、伺服閥、電磁換向閥、開關(guān)閥19-22、左腿膝關(guān)節(jié)油缸、伺服閥、電磁換向閥、開關(guān)閥 23、冷卻器 24、濾油器原理圖采用了差動連接。其工作原理是：電機(jī)帶動油泵轉(zhuǎn)動，把油箱里的油吸到管路，高速開關(guān)閥10、14、18、22打開，給電磁閥9、13、17、21通電，閥芯居右位，此時(shí)液壓缸7、11、15、19右腔的油經(jīng)伺服閥8、12、16、20向左腔流動，形成差動快速回路，活塞桿快速右移，各液壓缸伸長。當(dāng)活塞桿位移達(dá)到系統(tǒng)要求后，傳感器向控制系統(tǒng)發(fā)出信號，控制系統(tǒng)給電磁換向閥9、13、17、21斷電，閥芯居左位，此時(shí)各液壓缸右腔進(jìn)油，左腔出油并經(jīng)伺服閥8、12、16、20和電磁換向閥9、13、

37、17、21回到油箱，活塞桿左移，完成一個(gè)工作循環(huán)。系統(tǒng)中加入了高速開關(guān)閥6，用來卸荷，在外骨骼保持某個(gè)動作時(shí)，開關(guān)閥10、14、18、22均關(guān)閉，油可以從開關(guān)閥6直接回油箱，避免從溢流閥回油箱時(shí)的壓力損失。系統(tǒng)壓力由溢流閥5設(shè)定，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)易產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致油溫升高，影響系統(tǒng)工作，所以在回路上安裝了冷卻器，ST為溫度發(fā)訊裝置，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，ST發(fā)出信號，啟動冷卻電機(jī)，進(jìn)行冷卻。與方案一相比，該方案所需液壓油較少，使油箱容積較小，使系統(tǒng)顯得比較輕便。由于液壓驅(qū)動器能夠提供較大的力功率/重量比,且易于傳遞及配置,控制調(diào)節(jié)方便,下肢外骨骼一般采用液壓缸作為執(zhí)行器。液壓缸的主要設(shè)計(jì)參數(shù)有缸筒

38、內(nèi)徑、缸壁厚度、活塞桿直徑及其有效面積、缸筒及活塞桿的有效長度等。本外骨骼中也使用了碳纖維材料纏繞的高強(qiáng)度液壓缸,其內(nèi)部是耐磨性高的碳鋼制造的耐壓油缸,外部是輕便高強(qiáng)度的碳纖維材料網(wǎng),能夠滿足外骨骼液壓驅(qū)動器的高頻度伸縮和密封性要求,同時(shí)減輕液壓缸的重量,提高能量效率,改善執(zhí)行器的控制性能和響應(yīng)。7.外骨骼技術(shù)產(chǎn)品電控系統(tǒng)總體方案外骨骼技術(shù)產(chǎn)品電控系統(tǒng)包括以工控機(jī)板卡為核心數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)，以AD采集卡、多種傳感器和肌電采集系統(tǒng)的信號采集處理系統(tǒng)，以多軸運(yùn)動控制卡、液壓電機(jī)和傳動液壓缸為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)采用鋰電池供電，輸出電壓有24V、5V、12V分別給液壓電機(jī)、肌電采集系統(tǒng)和工控板供電。下肢

39、外骨骼的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。采用仿生學(xué)原理，自由度設(shè)計(jì)為：髖關(guān)節(jié)一個(gè)主動自由度，一個(gè)被動自由度，膝關(guān)節(jié)一個(gè)主動自由度，能夠滿足大多數(shù)動作的要求。嵌入式X86板卡總控制系統(tǒng)鋰電池 開關(guān)量IOAD采集卡10多軸控制卡肌電采集液壓電機(jī)B液壓電機(jī)A采集分解放大調(diào)理限位開關(guān)量腳底開關(guān)量負(fù)荷傳感器加速度傳感角度傳感器平衡傳感器髖液壓缸膝液壓缸膝液壓缸髖液壓缸 控制系統(tǒng)總體框圖 行走助力外骨骼的控制系統(tǒng)原理行走助力外骨骼的控制原理: 利用裝在肢體上的肌電傳感器, 偵測由腦部傳輸至肌肉的生物的電流變化, 傳感器偵測到這些電流后, 將這些信號傳送至肌電采集處理系統(tǒng),把這些神經(jīng)信號通過不同部位組合判斷出肢體運(yùn)動意圖

40、，給出超前的運(yùn)動方向性數(shù)字結(jié)果，通過接口傳遞給工控計(jì)算機(jī)，工控計(jì)算機(jī)根據(jù)這些數(shù)據(jù)通過運(yùn)動板卡給伺服馬達(dá)發(fā)送驅(qū)動，控制分布在外骨骼各關(guān)節(jié)的電動完成相對應(yīng)的肢體運(yùn)動；當(dāng)外骨骼足底接觸地面時(shí), 足底開關(guān)即刻啟動, 腳底壓力測定傳感器系統(tǒng)能計(jì)算分配到雙足上的重量, 進(jìn)而反饋給控制系統(tǒng), 所有傳感器與數(shù)據(jù)總線相連, 把數(shù)據(jù)反饋給中央控制計(jì)算機(jī)利用足底壓力信息分辨助力外骨骼處于步態(tài)周期的哪種相位，從而得到相應(yīng)的控制策略。同時(shí)需要檢測其他的信息，作為反饋監(jiān)測助力外骨骼的運(yùn)動狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)。 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對助力系統(tǒng)的控制；行走助力外骨骼使用了大量的電子元件, 每個(gè)驅(qū)動關(guān)節(jié)上包含一個(gè)編碼器和一對線性加速計(jì), 它們用

41、來測量關(guān)節(jié)的角度、角速度及角加速度，這些傳感器數(shù)據(jù)通過AD采集卡處理，用來檢測運(yùn)動的狀態(tài)，并對結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證和限制，確保安全和獲得具體的速度和行走情況。助力外骨骼要求對操作者施加的力及力矩能夠做出敏捷、快速的反應(yīng), 且行走助力外骨骼需要控制多個(gè)關(guān)節(jié), 檢測多個(gè)傳感器的信息, 因此需要很強(qiáng)的處理能力, 故要求控制系統(tǒng)不但能按照程序設(shè)定的參數(shù)對助力過程進(jìn)行控制, 更要根據(jù)環(huán)境的變化以及使用者身體條件的變化, 對控制參數(shù)進(jìn)行修正, 因此建立一個(gè)好的動力學(xué)模型系統(tǒng)尤為關(guān)鍵。用與操作者的步態(tài)相似程度、運(yùn)動穩(wěn)定性及對粗糙地面的適應(yīng)性等指標(biāo)加以評價(jià)。 8、行走助力外骨骼的傳感器系統(tǒng) 多處使用肌電傳感器,

42、 通過檢測操作者運(yùn)動時(shí)的肌電信號, 從而控制行走助力機(jī)構(gòu)按照此種運(yùn)動前行;對助力機(jī)構(gòu)的運(yùn)動進(jìn)行信號采集并進(jìn)行行走控制, 操作者只需前行,行走助力機(jī)構(gòu)則會按照控制系統(tǒng)中預(yù)設(shè)的步態(tài)進(jìn)行跟隨行走。因?yàn)閭鞲衅魇潜ＷC能把操作者的運(yùn)動信號適時(shí)、快速傳遞給助力機(jī)構(gòu)的一個(gè)重要工具, 沒有傳感器對信號的采集與反饋, 控制系統(tǒng)幾乎沒法動作, 故選擇合適的傳感器尤為重要。行走助力外骨骼中主要的傳感器有以下幾類: 1. 腳底壓力測定傳感器系統(tǒng)。它在整個(gè)裝置中占有重要地位, 能把人體的運(yùn)動趨勢,實(shí)時(shí)地傳遞給控制系統(tǒng), 用于實(shí)施控制, 行走助力外骨骼足部傳感器布局圖, 其結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 包括壓力傳感器、足部開關(guān)、壓力管和加速

43、計(jì)等傳感器。 2.身體位置傳感器。主要用于反應(yīng)各外骨骼關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角參數(shù)。 3. 重心加速度傳感器。它可以給出裝置聯(lián)合人體的橫向、縱向的加速度, 便于控制身體的平衡。4. 裝置狀態(tài)傳感器。主要給出裝置本身的狀態(tài)參數(shù),例如能源儲備等。8. 1 足底壓力信息的獲取人對地的作用力是分析步行運(yùn)動的重要參數(shù)，足底壓力中包含了重要的步態(tài)參數(shù)，在臨床醫(yī)學(xué)和運(yùn)動力學(xué)研究中也廣泛使用足底壓力信息獲取步態(tài)的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有的檢測方法主要有兩大類：一種是多分量的測力平臺式，通常能夠精確的測量人對地作用力的方向、大小，可以得到很多足底壓力的細(xì)節(jié)信息；另一種是足底壓力分布測試方法，通常只能測量單維的足底壓力。典型的多分量測力平臺

44、以三維力或六維力/力矩傳感器為基礎(chǔ)，由測力平臺、信號調(diào)節(jié)放大器和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理裝置三大部分構(gòu)成。瑞士 KISTLER 公司的產(chǎn)品就是這種測力平臺的代表，它以壓電晶體作為傳感器，穩(wěn)定性好，固有頻率高，但只能測 5Hz 以上的信號。多分量測力平臺的測量方法只能針對足底整體壓力信息的獲取，而無法得到足底壓力的分布情況。足底壓力分布測試方法使用多傳感器測力平臺或測力鞋墊，只能測試垂直力或者垂直和水平力的合力，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)步態(tài)壓力的測量。例如意大利的 F-Scan 測力鞋墊系統(tǒng)、德國 Novel 公司的 Pedar 型測力鞋墊和比利時(shí) RSscan 公司開發(fā)的 footscan 足底壓力測量系統(tǒng)。

45、8.2 傳感器的選型與標(biāo)定我們需要利用步行過程中，足底壓力的變化對步態(tài)的周期劃分進(jìn)行辨識，因此使用了分布式足底壓力測試的方法，在外骨骼足底放置了若干壓力傳感器。對于安裝在外骨骼腳底板上的壓力傳感器，我們需要滿足下面幾個(gè)條件：1） 壓力傳感器的存在不能影響人體的運(yùn)動。現(xiàn)有的大部分單維力或多維力傳感器基于壓電晶體或電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)，力作用于敏感單元后引起應(yīng)變片阻值的變化從而引起電流的變化，經(jīng)放大電路后輸出電壓信號。這種傳感器精度高，量程大，但是由于敏感單元的大小限制，一般體積都比較大，安裝在鞋底較為不方便，可能會影響到人的運(yùn)動動作。如圖（）所示，圖中標(biāo)注處的單維力傳感器就是電阻式壓力傳感器。應(yīng)用于足

46、底壓力測量的傳感器首先應(yīng)當(dāng)滿足不影響人體正常運(yùn)動，不會因安裝傳感器而改變足底壓力的自然分布狀態(tài)，因此應(yīng)當(dāng)盡量小巧輕便。2）量程的選擇。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，我國成年正常人平均靜態(tài)足底壓力的峰值為(1.28±0.33)kg/cm2，平均動態(tài)足底最大峰值壓力為（2.96±0.66）kg/cm2。參照這個(gè)數(shù)據(jù)作為傳感器量程選擇的標(biāo)準(zhǔn)，考慮到極限的情況，選擇量程在 10kg 的傳感器就可以滿足要求。3）壓力傳感器的時(shí)滯和重復(fù)性要好。行走時(shí)足底壓力的變化呈現(xiàn)周期性的特點(diǎn)，因此壓力傳感器的重復(fù)性比較重要。通過對滿足這些條件的壓力傳感器的調(diào)研，初步確定兩種適用的薄膜電阻式壓力傳感器的型號為

47、Flexiforce。Flexiforce 是 Tekscan 公司出品的一種柔性、超薄的電阻式壓力傳感器，其線性度、時(shí)滯特性、溫度特性和重復(fù)特性都比較好。其結(jié)構(gòu)與 FSR 類似，有兩層聚酯薄膜組成，每層薄膜上渡銀并涂上一層特殊材料制作的敏感層，將兩層粘合在一起就組成了傳感器。敏感單元的直徑 9.53mm，其厚度僅為 0.127mm，可以測量各種接觸面之間的壓力。曲線中可以看出Flexiforce 的線性度非常好。型號 FSR-400 Flexiforce A201厚度 0.30mm 0.203mm長度 38.1mm 203mm敏感區(qū)域 直徑 5.0mm 14mm線性度 - 滿量程±

48、3%開啟閾值 -測力量程 <1N>100N 0110N測壓量程 <0.1kg/cm2 >10kg/cm2025lbs力分辨率 滿量程 0.5% 滿量程 0.5%未加負(fù)載時(shí)阻值 >1M >5M滿負(fù)載阻值 <1K <20K重復(fù)性 滿量程±2%±5% 滿量程<±2.5%響應(yīng)時(shí)間 1-2 毫秒（機(jī)械響應(yīng)時(shí)間）<5 微秒工作溫度 -30+70 -960228.3 信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)Flexiforce 是薄膜電阻式壓力敏感器件，隨壓力的增大，F(xiàn)lexiforce 的電導(dǎo)線性增加。從特性曲線上可以看出，電阻由 20

49、兆歐下降到 20 千歐，測量范圍很大，需要使用電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，將電阻的變化（即電流的變化）轉(zhuǎn)變成電壓的變化，從而輸入到采集卡中。轉(zhuǎn)換電路的原理圖如圖（）所示。其中運(yùn)放模塊采用安森美半導(dǎo)體生產(chǎn)的 MC34074 型通用運(yùn)算放大器。MC34074 是一種寬電壓單電源運(yùn)算放大器。輸入端采用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，具有高輸入電阻，低偏置電流和高23增益。其具體參數(shù)如下：寬帶寬：4.5MHz高壓擺率：13V/us快速建立時(shí)間：1.1us 到 0.1%供電電壓范圍：3.0V44V高共模電壓范圍低輸入偏置電壓：最大 3.0mV容性負(fù)載驅(qū)動能力：0pF 到 10,000pF低諧波擾動：0.02%輸出短路保護(hù)Flexi

50、force 的調(diào)理電路在調(diào)試電路的過程中，發(fā)現(xiàn)采集到的信號波形中存在一些高頻干擾，因此需要使用濾波器對信號進(jìn)行濾波。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)使用截至頻率為 1KHz 的一階無源濾波器能得到很好的濾波效果，因此在進(jìn)入采集卡之前需添加 RC 濾波電路。為了降低供電電源對器件的影響，在供電電源引腳旁邊添加旁路去耦電容。放大電路采用雙電源供電，為 MC34074 提供正負(fù) 9V電壓，輸出電壓的范圍在 05V。Flexiforce 的量程較大，實(shí)際使用中需要按照測力的范圍和測量的靈敏度選擇調(diào)節(jié)電阻，在此選用電阻阻值為 33 千歐。計(jì)算得出輸出電壓與所受壓力的公式為：其中 Rf 為圖中調(diào)節(jié)電阻的阻值（在此選用 33K 的

51、電阻），Rs 是傳感器的電阻值。標(biāo)定的曲線如圖（）所示。得到的擬合公式為：24其中 g 為重力加速度值，F(xiàn) 的單位為 N。8.4 Flexiforce 的布局對于足底壓力的分布式動態(tài)測量，傳感器的布局非常重要。人體解剖學(xué)中，左右足各有 26 塊骨組成。根據(jù)成年人正常步態(tài)自然行走的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，雙足足底各部委的壓力無明顯區(qū)別，雙足承壓基本對稱，男女分布規(guī)律基本一致。行走時(shí)足底各部位承壓從大到小依次為：第二跖骨區(qū)、足跟、第一跖骨區(qū)、第三至五跖骨區(qū)、第一趾骨區(qū)、第二至五趾骨區(qū)、足弓區(qū)。正常人站立時(shí)足底壓力以后足為主，其次為跖骨區(qū)域，趾骨承受的壓力最小。行走時(shí)足底壓力較站立時(shí)明顯增加，且壓力分布發(fā)生改

52、變。步行過程中，足底沖量最大的區(qū)域主要分布在足跟內(nèi)側(cè)。根據(jù)這個(gè)過程對足底進(jìn)行區(qū)域劃分，并在每個(gè)區(qū)域粘貼傳感器。將足底劃分為 8 個(gè)區(qū)域，即第一趾骨區(qū)域（A1）、其他趾骨區(qū)域（A2）、第一趾跖關(guān)節(jié)區(qū)域（A3）、二三趾跖關(guān)節(jié)區(qū)域（A4）、四五趾跖關(guān)節(jié)區(qū)域（A5）、腳掌內(nèi)側(cè)區(qū)域（A6）、腳掌外側(cè)區(qū)域（A7）、足跟骨區(qū)域（A8）。分別在這些區(qū)域內(nèi)粘貼傳感器。在經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)后，最終確定了傳感器的位置。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在一些區(qū)域內(nèi)增加了冗余的壓力傳感器。8.5其他傳感器的應(yīng)用行走助力外骨骼的感知系統(tǒng)中還包括多種傳感器，如單維壓力傳感器，加速度傳感器，光電編碼器，旋轉(zhuǎn)電位器等。與足底壓力傳感器在一起，

53、共同完成檢測助力外骨骼狀態(tài)的功能。8.5.1 加速度傳感器為了測量行走助力外骨骼每個(gè)連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動速度，在外骨骼的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)處安裝了加速度傳感器。由于人體的運(yùn)動的加速度一般比較小，劇烈運(yùn)動或突然摔倒的情況下加速度不會超過 8G。本項(xiàng)目中，選用 ADI 公司生產(chǎn)的 3 軸加速度傳感器 ADXL325。ADXL325 是體積小，耗電低，帶有信號調(diào)節(jié)的 3軸加速度傳感器。測量加速度的范圍±5g，可以在傾斜測量的應(yīng)用中測量靜態(tài)重力加速度，也可以測量運(yùn)動、振動等動態(tài)加速度。用戶在 XOUT、YOUT 和 ZOUT 管腳連接電容 CX、CY 和 CZ 就可以選擇加速度計(jì)的帶寬。X 軸

54、和 Y 軸的信號帶寬范圍從 0.5Hz 到 1600Hz，Z 軸信號的帶寬范圍從 0.5Hz 到 550Hz。該器件的主要參數(shù)如下。單電源供電：1.8V3.6V輸入范圍：±6g非線性度：滿量程 2%26靈敏度：174mV/g （供電電壓為 3V 時(shí)）0g 輸入時(shí)偏壓：1.5V（供電電壓 3V 時(shí)）為方便安裝，設(shè)計(jì)了加速度計(jì)的 PCB 板，大小為 18mm×16mm，X、Y、Z 軸對應(yīng)方向如圖（）所示， 根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，CX、CY 和 CZ 都選用0.027uF 的電容，對應(yīng)的輸出信號頻率上限為 200Hz。利用 2.5V 電源為 ADXL325 供電，電壓的輸出范圍為 0 到 2.5V，由于使用中加速度的變化范圍比較小，輸出電壓的變化范圍不大，因此需要設(shè)計(jì)信號調(diào)理電路，對信號進(jìn)行放大處理。放大器選用 ADI 公司的 OP196。OP196 是單電源運(yùn)放，工作電壓的范圍從 3V 到 12V，擁有規(guī)對規(guī)的輸入輸出能力，極低的電能需求，非常適合電池供電的系統(tǒng)使用。容性負(fù)載的處理能力可以到達(dá) 200pF 而不產(chǎn)生振蕩，增益帶寬積為 450kHz。8.5.2 電位器傳感器電位器是一種電阻器件，其阻值隨著滑片的位置的變化而變化。常見的用于測量的電位器有兩種，