外骨骼下肢助力機器人技術研究

1、國內(nèi)國際分類號：TP242.2 分類號：621.865.8學校代碼：10213 密級：公開工學外骨骼下肢助力人技術研究：張志成導師：吳冬梅副教授申請學位：工學學科：機械電子工程所在：機電期：2011 年 6 月答辯日授予學位：哈爾濱工業(yè)大學Classified Index: TP242.2U.D.C: 621.865.8Dissertation for the Master Degree in EngineeringRESEARCH ON LOWER EXTREMITYEXOSKELETON OF POWER ASSIST ROBOTZhang ZhichengAssistant Prof.

2、Wu Dongmei Master of Engineering Mechatronics EngineeringSchool of Mechatronics Engineering June, 2011Harbin Institute of TechnologyCandidate： Supervisor：Academic Degree Applied for： Speciality：Affiliation： Date of Defence：Degree-Conferring-Institution：摘 要摘 要外骨骼下肢助力人技術是人技術的一個重要分支，它涉及了人技術、人機工程學、機械學、計

3、算科學和通訊技術等領域，是目前國內(nèi)外研究的熱點技術。隨著裝備重量的增加，該項技術在增強士兵承受負載的能力的領域內(nèi)具有廣泛的應用前景。主要助力人應用需求，對外骨骼下肢助力人進行機構和系統(tǒng)的設計、運動學與步態(tài)分析實驗、動力學和策略研究、并對步態(tài)運動和人進行系統(tǒng)實驗。人為結(jié)構基礎，借助航姿參外骨骼下肢助力人以多關節(jié)的外骨骼考系統(tǒng)、足底分布測試系統(tǒng)等人機交互系統(tǒng)對運動意圖進行、并人步結(jié)合人的系統(tǒng)，達到能夠?qū)崟r檢測步態(tài)運動數(shù)據(jù)并態(tài)運動的目的。人結(jié)構設計依據(jù)人機工程學理論，從步態(tài)運動安全性、舒適性、可靠性以及機構實用性、輕便性出發(fā)，著重研制了適合不同身材的多關節(jié)外骨骼助力人機構本體，并對關鍵部件進行了強度

4、分析和改進。步態(tài)運動和人結(jié)構，本文采用齊次變換法建立人正逆運步態(tài)運動數(shù)動學，分析平地走和爬樓梯步態(tài)運動一般性規(guī)律，并據(jù)的搭建了航姿參考系統(tǒng)，實驗和分析了髖關節(jié)和膝關節(jié)的角度數(shù)據(jù)?；诶窭嗜辗匠毯吞摴υ硗茖Я巳说膭恿W模型，建立起機步態(tài)兩分析，驗器人關節(jié)驅(qū)動力矩與足底約束力的動力學關系，并以此理論為基礎相建立了位置和力-位的模型。并對力-位進行證方法的正確性。本文搭建了外骨骼下肢助力人的軟硬件平臺，硬件系統(tǒng)包括傳感器系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)，以主板電腦作為上位機，主要采用串口通訊方式。其中，傳感器系統(tǒng)包括實時測量步態(tài)運動的航姿參考系統(tǒng)和測量足底分布的足底整個分布測試系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)完善了人的人機交互的功

5、能。最后，對人系統(tǒng)進行了關節(jié)隨動和步態(tài)實驗，關節(jié)隨動實驗驗證了系統(tǒng)的實時性，隨動性。步態(tài)實驗驗證了機械系統(tǒng)的安全性、可靠性和舒適性，驗證了系統(tǒng)的實用性和可行性，為以后更深入的研究打下基礎。：助力人；步態(tài)運動；動力學；隨動- I -AbstractAbstractThe technology of lower extremity exoskeleton of power assist robot is an important branch of robotics which involves robotics, ergonomics, mechanics, computer science,

6、communications technology and other fields. Now it is a research focus . With the increase of the individual soliders equipments weight, the technology is mainly used in the fields that enhancing soldiers loading capacity.The paper mainly studies structure design, control system design, kinematicsmi

7、ng, gait simulation, dynamics and control strategy. Furtherly, the paperperforms experiments on human gait.Exoskeleton lower extremity of power assist robot is designed based on the structure of multi-joint robot, with the help of navigation reference system, plantar pressure distribution measuremen

8、t system and other interactive system, therefore the intention of human motion is judged, furthermore,and human gait has been check by sensor system in real-time, and robots gait has been planned by robots control system. The structure based on ergonomics, with consideration on the safety, comfort,

9、availability and portability, has been designed to a multi-joint exoskeleton robot, whose key components strength is checked.According to human gait and robot structure, the paper uses homogeneoustransformation to establish the kinematics mof the robot, analysing on thegeneral rule of humans gait mo

10、tion under different walking on the plane and stairs,depending on the humans gait data to establish navigation reference system, in theexperiment the angle data of knee are collected and anaylied. Dynamic misbased on the principle of virtual work and Lagrange equations. According to thetheory, the p

11、aper builds the position and force-position control m, simulates onthe position control mwhich proves the feasibility of this control m.The hardware and software control system of robotics are established in this paper, the hardware system includes the sensor system and the drive system, a single bo

12、ard computer is useed as the host computer and the string mouth as main communications in this system. The sensor system includes navigation reference system which can measure the movement of humans gait data and plantar pressure distribution measurement system which used to measure the pressure dis

13、tribution of plantar, The software system has improved the man-machine interaction functions of robot. Finally, the joint following which proved the real time and following function of system and gait experiment proves functional and feasibility are taked with the whole robot system , which make the

14、 base for further studies.Keywords: assistant robot, gait, dynamics, follow-up control- II -目 錄目錄摘 要IABSTRACTII第 1 章 緒論11.1 課題背景及研究的目的和意義11.2 外骨骼下肢助力人技術研究綜述11.2.1 國外外骨骼下肢助力1.2.2 國內(nèi)外骨骼下肢助力人技術研究現(xiàn)狀2人技術研究現(xiàn)狀61.3 本文的主要研究內(nèi)容7第 2 章 機構本體設計及關鍵部件強度分析92.1 引言92.2 機構本體設計92.2.1 自由度配置92.2.2 機構本體設計112.2.3 關節(jié)功率分析152.3

15、 強度分析172.3.1 受力環(huán)境分析172.3.2 強度分析與結(jié)構改進182.4 本章小結(jié)20第 3 章 運動分析以及步態(tài)分析與實驗213.1 引言213.2 運動學分析213.2.13.2.23.2.33.33.3.13.3.23.3.33.3.4坐標軸建立21正運動學分析22逆運動學分析24步態(tài)運動分析25踝關節(jié)的步態(tài)運動分析25膝關節(jié)的步態(tài)運動分析27髖關節(jié)的步態(tài)運動分析28爬樓梯關節(jié)功率分析293.4 步態(tài)系統(tǒng)搭建與實驗30- III -目 錄3.4.1 步態(tài)測試系統(tǒng)搭建313.4.2 步態(tài)實驗333.5 本章小結(jié)34第 4 章 動力學與策略的研究354.1 引言354.2 動力學分

16、析354.2.14.2.24.34.3.14.3.2拉格朗日方程和虛功原理36動力學方程的建立37策略研究41. 41. 42. 44位置力-位4.4 力-位4.4.1 Simulink模型搭建444.4.2結(jié)果分析464.5 本章小結(jié)46第 5 章系統(tǒng)設計與實驗研究475.1 引言475.2系統(tǒng)設計475.2.1 硬件系統(tǒng)475.2.2 傳感器系統(tǒng)485.2.3 驅(qū)動系統(tǒng)495.3 軟件系統(tǒng)開發(fā)與系統(tǒng)調(diào)試495.3.1 軟件系統(tǒng)開發(fā)505.3.2 系統(tǒng)調(diào)試515.3.3 人機交互界面及程序525.4 實驗研究525.4.1 關節(jié)隨動實驗研究535.4.2 步態(tài)行走實驗研究545.5 本章小結(jié)

17、55結(jié)論56參考文獻60攻讀學位期間的及其它成果63及使用說明64哈爾濱工業(yè)大學性致謝65- IV -哈爾濱工業(yè)大學工學第 1 章 緒論1.1 課題背景及研究的目的和意義現(xiàn)代戰(zhàn)場上，對于裝備的要求隨著信息化、快速化、精良化的裝備發(fā)展而日漸提高，除了在大型戰(zhàn)略領域，這些的新特點尤其體現(xiàn)在者裝備上。現(xiàn)代化裝備的新特點也帶來了許多的問題，對于或交鋒的正面戰(zhàn)場來說，裝備需要適應多、多用途和多任務的復雜情況同時最大限度的保證士兵的安全。裝備如果由每個士兵在戰(zhàn)場上背負將會消耗巨大的體力并大大降低士兵的持續(xù)能力。據(jù)稱 2007在阿富的肌肉拉傷和關節(jié)腫脹等疾病為 25.7 萬例，年，野戰(zhàn)裝備過重汗戰(zhàn)場中的裝備

18、有 5968Kg，僅僅能執(zhí)行三天任務1 。為了使士兵能夠適應這樣繁重的裝備，士兵需要接受大量的力量訓練。但是過度的訓練還會導致其產(chǎn)生疲勞。問題的直接解決辦法就是減少裝備的種類和數(shù)量以及設計質(zhì)量更輕的，但是這種辦某種程度上降低戰(zhàn)斗能力以及加大了同種的研制成本。外骨骼下肢助力人能夠輔助承受負載并增強承受大負載的耐久力，士兵在穿戴外骨骼下肢助力人之后，能夠增強士兵背負裝備以及長時間的能力，隨著裝備的增加，士兵的戰(zhàn)斗力會提高同時降低由于輕便化所造成的消耗。外骨骼下肢助力人不僅僅用于提高士兵在戰(zhàn)場上的背負能力，它還可以發(fā)揮雙足人能夠克服復雜地形的特點在崎嶇的山路等地勢輔助穿戴者背負或運送貨物。外骨骼下肢

19、助力人主要應用于身體健康的士兵或其他用途的穿戴者，身體健康的穿戴者有助于為人的人機交互系統(tǒng)提供正確有效的信息，同時，簡化人的結(jié)構設計。外骨骼下肢助力人技術的研究涉及了多項前沿的領域，包括雙足步行人的步態(tài)控制、高效率驅(qū)動器技術、生物信號的識別和人機交互等技術，外骨骼下肢助力人技術的研究能夠促進人領域的快速發(fā)展。1.2 外骨骼下肢助力人技術研究綜述近年來，隨著人技術的不斷發(fā)展與進步，國內(nèi)外外骨骼下肢助力人的研發(fā)工作也取得了可喜的進展。國內(nèi)外各大著名科研機構研制出了多款外骨骼下肢助力人。這些外骨骼下肢助力人面向不同的應用領域，采用不同的結(jié)構、驅(qū)動方式、傳感器分布、策略為穿戴者提供助力幫助。-1-哈爾

20、濱工業(yè)大學工學1.2.1 國外外骨骼下肢助力人技術研究現(xiàn)狀外骨骼下肢助力人的研究始于 20 世紀 60 年代末期，主要在歐美等一些發(fā)達骨骼助力展開，最初的目的就是增強承受和背負負載的能力。最初的外人分別在兩個地點幾乎同時產(chǎn)生2，分別是美國和貝爾格萊德的3。貝爾格萊德米哈羅普平的外骨骼人也僅僅能夠完成好的簡單步態(tài)。美國通用電氣公司與康奈爾大學一起合作，由美國研究辦公室提供資金，研制了一款名為“哈迪曼 1”(Hardiman)的全身式的外骨骼助力人如圖 1-1 所示。它由 30 個水動力源和伺服隨動鉸鏈組成，體積巨大，重約 680 公斤，具有 30 個自由度，為上肢和下肢提供助力幫助，系模式，最終

21、能夠?qū)⑺闹牧α糠糯?25 倍4，“哈迪曼 1”對外人的研究起到了巨大的推動作用，它的研究主要貢獻是揭示了外統(tǒng)采用主-從骨骼助力骨骼助力人研究的幾點，例如能量的來源、人機交互的安全性和舒適性，這些問題都是外骨骼助力源的限制，最后均告失敗。人關鍵的技術難題。兩個項目都受到能量來隨著人技術的普遍提高，與之相的傳感器技術、驅(qū)動技術和能源開發(fā)也都反映到了外骨骼下肢助力人技術研究方向上來。90 年代末到 20世紀初，外骨骼下肢助力人的研究有了快速的發(fā)展。在 2000 年以后，美國國防高級研究項目署（DARPA）開始進行“增強人體機能的外骨骼”（EHPA）項目的研究，這一投資 5000 萬的研究項目大大人

22、的研究。它的目標是“增加地面士兵的戰(zhàn)斗能力”5。地推動了外骨骼這一研究旨在增進士兵背負負載和克服疲勞的能力，促進了一系列下肢外骨骼人能源動力系統(tǒng)的設計。EHPA助力人技術的，像步態(tài)機構的設計項目所支持的三個外骨骼助力人項目取得了很大的進步，他們分別是美國麻省理工學院（MIT）研制的外骨骼下肢助力人，加州大學伯克利分校研人BLEEX以及美國Sarcos研究公司研制全身外骨骼助力機制的外骨骼助力器人。1978 年，美國麻省理工學院（MIT）開始從事外骨骼下肢助力人技術的研究，他們提出了一個新的模式的助力人準式外骨骼助力人（A quasi-passive exoskeleton）。該項目的目的是研究

23、和開發(fā)一款更輕盈更高效的式的外骨骼助力人。MIT的外骨骼下肢助力人能夠在負載 36公斤的情況下行走 1m/s，其中 80%的負重被傳遞到地面上。它的關節(jié)自由度配置包括髖關節(jié)有 3 個自由度，膝關節(jié) 1 個自由度。穿戴者與人在肩膀、腕關節(jié)、大腿和腳部連接，人總重量是 11.7Kg，驅(qū)動方式不采用電力驅(qū)動，只利用彈簧儲能和變阻尼器驅(qū)動關節(jié)驅(qū)動6。髖關節(jié)伸/屈運動時，伸運動時彈-2-哈爾濱工業(yè)大學工學簧碳能量，屈運動時彈簧儲存能量，膝關節(jié)利用磁流變阻尼器，踝關節(jié)利用彈簧緩沖腳后跟對地面的沖力。傳感器系統(tǒng)是由安裝在外骨骼下肢助力人外殼的應變橋式應變片傳感器和安裝在膝關節(jié)的電位計組成7。圖 1-2便是M

24、IT外骨骼下肢助力人。圖 1-1 通用哈迪曼 1 助力圖 1-2 MIT 外骨骼下肢助力人人美國加州大學伯克利分校 2000 年開始研制伯克利外骨骼助力人BLEEX，圖 1-3。BLEEX能夠的為穿戴者提供助力服務，穿戴者攜帶 75 磅負載平均步行的速度是 3.2Km/h,無負載時，步行速度可以達到 1.3m/s。人單條腿具有七個自由度，其中，髖關節(jié)三個、膝關節(jié)一個、踝關節(jié)三個。BLEEX的利用線性驅(qū)動三個主動關節(jié)，分別在髖關節(jié)伸/屈，膝關節(jié)伸/屈，踝關節(jié)俯仰，其它關節(jié)為輔助關節(jié)，起到運動平衡等作用8。BLEEX的傳感器系統(tǒng)由力傳感器、傾角傳感器，足底傳感器和陀螺儀組成。力傳感器和傾角傳感器測

25、量人關節(jié)力和肢體傾角，足底傳感器測量步行時足底分布，陀螺儀用來測量上身的中心和傾角9。BLEEX的驅(qū)動功率是 1143w同時需要 200w的電量10。在上，與雙足人相同，BLEEX可以自行保持平衡，穿戴者僅需要提供導向就可以實現(xiàn)人的運動，系統(tǒng)的信息來源于 8 個編碼器和 16 個線性度計，用來測量關節(jié)的運動角度、角速度和角度，腳底開關和足底傳感器來確定步態(tài)兩相足底與地面接觸情況和重心的位置，8 個軸的力傳感器用來驅(qū)動器的力，傾角傳感器用來確定運動的方向和角度8。伯克利目前正在研究更加輕型，效率更高的助力人，并成立了伯克利仿生公司，目前已經(jīng)開發(fā)了三款外骨骼助力人HULC，the ExoHiker

26、和ExoClimber。其中HULC與BLEEX相比，具有更高的效率，可以再降低 512%的新陳代謝消耗，結(jié)構更加簡潔，更能適應戰(zhàn)場上的需求。-3-哈爾濱工業(yè)大學工學圖 1-3 伯克利外骨骼助力人 BLEEX2002 年，美國Sarcos研究公司宣稱已經(jīng)研制一款全身外骨骼助力人（Wearable Energrtcally autonnomous Robot），這款主動式人擁有先進的動力系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器動力驅(qū)動系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以有效的提高運行效率11。Sarcos利用力傳感器在外骨骼人與穿戴者之間實施“閃開”（get out ofthe way）方式，在人的腳底板處安裝著力傳感器單元，并限制穿戴者的

27、腳部彎曲。它可以幫助穿戴者抬起 84 公斤的負載，人卻完全感覺不到重量。并能夠完成一些簡單的動作12。圖 1-4為Sarcos外骨骼助力人。圖 1-4 Sarcos 外骨骼助力人2005 年，筑波大學Cybemics的科學家和工程師們，研制出了世人 (Hybrid Assistive Leg，HAL)，并成界上第一種商業(yè)全身式外骨骼助力立了Cyberdyne公司，如圖 1-5。它的功能主要是幫助老年人和殘疾人走路，爬樓梯及搬東西等13,14。這款人是全身式的外骨骼助力人，髖關節(jié)和膝關節(jié)處通過鉸鏈連接并只有 1 個自由度。在髖關節(jié)與膝關節(jié)處利用諧波直流電-4-哈爾濱工業(yè)大學工學機驅(qū)動，踝關節(jié)是的

28、。人還設計了特殊的鞋，并在鞋底處安裝了力傳感器。外殼的質(zhì)量通過腳踝處直接傳遞到地面，但是負載是不能傳遞到地面的15。HAL系列的外骨骼人是通過分析表皮肌電信號進行的。傳表皮肌電信號的電極放置在髖關節(jié)以下、膝關節(jié)以上部位。腳底部安裝感器。它擁有兩個系統(tǒng)：一個是以肌電信號為基礎的系統(tǒng)，一個是以步行模式為基礎的系統(tǒng)。通過分析這兩個系統(tǒng)來使用者的運動意圖16 。2000 年，神奈川理工學院研制的全身式外骨骼助力人主要用于護士搬人是由肩部，運和移動等工作，該人可以輕松的搬運 85kg的手臂，后背，腕部和腿部機械單元組成的。它的驅(qū)動器采用設置在肩部、腕部和腿部微型旋轉(zhuǎn)氣動驅(qū)動器17。傳感器系統(tǒng)由具有稱重功

29、能的堅硬肌肉傳感器。方法采用主從，各機械單元一旦發(fā)生運動，這運動將被肌肉傳感器檢測到，力度的不同由稱重傳感器的觸頭檢測到，并由氣動驅(qū)動器驅(qū)動關節(jié)跟隨運動18。為神奈川理工學院研制的全身式外骨骼助力人。圖 1-5筑波大學助力人 HAL5圖 1-6 神奈川理工學院全身式助力人以色列埃爾格醫(yī)學技術公司研發(fā)外骨骼助力人“Rewalk Exoskeleton”，Rewalk總重 18Kg，運動速度是 1Km/h，能夠連續(xù)工作 8 小時。它可以完成行走、站立、坐下、爬樓梯，上坡和下坡等動作，如圖 1-7。東京農(nóng)工大發(fā)明了一款農(nóng)用助力人，用來幫助農(nóng)民種植農(nóng)作物等，機器人總重 35Kg有 16 個傳感器用來檢

30、測穿戴者的運動，并利用電機驅(qū)動，體重略顯笨拙。如圖 1-8。本田電機公司 2008 年研制了一款步行助力人“Walking assist”，總重2Kg的助力人有兩個電機驅(qū)動，能夠連續(xù)工作 2 小時，步行速度達到4.5km/h，它可以幫助單腿收到損傷的穿戴者，如圖 1-919。-5-哈爾濱工業(yè)大學工學圖 1-7 以色列外骨骼助力人圖 1-8東京農(nóng)工大助力人圖 1-9 本田電機公司研制的行走助力人1.2.2 國內(nèi)外骨骼下肢助力人技術研究現(xiàn)狀國內(nèi)對外骨骼下肢助力人的研究開始與 20 世紀初，目前外骨骼下肢助力人的研究正處于起步階段，需要高校和科研院所從事這項研究。其中具有代表性的就是合肥智能所研究的

31、可穿戴型助力人，如圖 1-10該款人具有 10 個自由度，系統(tǒng)利用表皮肌電信號分析穿戴者的運動意圖20。國內(nèi)的外骨骼下肢助力人還主要用于醫(yī)療康復領域，外骨骼人以其優(yōu)越的結(jié)構特點可特性在醫(yī)療領域得到了廣泛的應用。浙江大學研制出了多自由度下肢外骨骼助力人，驅(qū)動器使用氣動驅(qū)動，髖關節(jié)和膝關節(jié)驅(qū)動器為圓形氣缸。它可以將足底信號和氣缸的位移信號直接關聯(lián)起來，能夠較好證明了可行性，如圖 1-1121。同時人22。的穿戴者的用途，該方法通過軟件哈爾濱工程大學也研制出了幾款下肢康復-6-哈爾濱工業(yè)大學工學圖 1-10圖 1-11 浙江大學下肢康復大可穿戴助力人人1.3 本文的主要研究內(nèi)容本文依據(jù)人機工程學原理

32、，士兵的背負負載能力和持續(xù)能力，對外骨骼下肢助力人技術進行了研究。本文的主要研究內(nèi)容如下：（1）機構本體設計和強度分析：以下剖學和步態(tài)運動理論為依據(jù)，從人運行的安全性、可靠性、實用性和舒適性角度對助力人進行了自由度配置、主動關節(jié)、置、結(jié)構強度以及不同關節(jié)以及背部等設計。機械設計充分考慮了電氣布適用性，并盡量減小結(jié)構質(zhì)量?？紤]到人支持大負載的需求，對受力較大的桿件進行強度分析和校核，保證全。人的結(jié)構安（2）運動分析及步態(tài)分析與實驗：構形式，基于 D-H 參數(shù)法，采用齊次變換對步態(tài)運動特點以及人的結(jié)人進行正運動學與逆運動學的推導。依據(jù) CGA 數(shù)據(jù)庫，分析步態(tài)運動特點，包括平地走、爬坡和上樓梯的關

33、節(jié)運動角度、力矩和功率，研究步態(tài)運動的一般規(guī)律。步態(tài)運動，本文搭建航姿參考系統(tǒng)，用于實時測量關節(jié)的步態(tài)運動，并進行關節(jié)步態(tài)，并與步態(tài)的一般規(guī)律進行比較。（3）動力學分析和策略研究：基于拉格朗日方程和虛功原理建立了機器人動力學方程，為達到理想的動的特點，建立了位置和力-位效果提供理論支持?；诓綉B(tài)兩相運的策略，研究，驗證了系統(tǒng)的輸入和輸策略的正確性。出。并利用 Simulink 對力-位進行了（4）系統(tǒng)設計和實驗研究：本文搭建了硬件和軟件系統(tǒng)，硬件控制系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)和驅(qū)動器系統(tǒng)組成，以主板電腦為上位機，以串口為主要通訊方式。利用 VC+編寫了傳感器軟件和驅(qū)動器界面，并搭建了人-7-哈爾濱工業(yè)大

34、學工學機交互界面，并對系統(tǒng)硬件進行了調(diào)試。對系統(tǒng)進行了實驗研究。設計了關節(jié)隨動和步態(tài)實驗，關節(jié)隨動實驗驗證了系統(tǒng)的實時性，隨動性。步態(tài)實驗驗證了機械系統(tǒng)的安全性、可靠性和舒適性，驗證了系統(tǒng)的實用性和可行性，為以后更深入的研究打下基礎。-8-哈爾濱工業(yè)大學工學第 2 章 機構本體設計及關鍵部件強度分析2.1 引言外骨骼下肢助力人用在軍事用途上，幫助士兵增加背負負載的能力。人的機構本體需要具有足夠的強度以便完成各種復雜的工作，同時還要盡量減少人的重量提高能源效率。對于機構設計的原則應貫徹“擬人化”思想，充分考慮了機構的安全性、舒適性和便捷性。為了使人完成步態(tài)運動，還需要科學的設計人的自由度，使穿戴

35、者在使用時能夠順利的行走。人機構采用桿件結(jié)構，桿件承受很大的載荷。對于機構中的某些關鍵部件的結(jié)構強度就會有著很高的要求，對關鍵部件的強度分析能夠充分保證機械系統(tǒng)的安全性，這是設計的基本要求。2.2 機構本體設計2.2.1 自由度配置人自由度的配置是依據(jù)跑步的運動前提下，盡量減少關節(jié)運動的自由度，在能夠滿足步行、人自由度的數(shù)目，以便于避免由于較多自由度產(chǎn)生的機構冗余等問題。在設計人自由度時，首先參照了人機工程學的的自由度。如圖 2-1，設定的基準面和基準軸來定義基準面和基準軸。圖 2-1的基準面和基準軸-9-哈爾濱工業(yè)大學工學共分三個基準面和三個基準軸。沿身體前后徑所作的地面垂直的切面，將身體左

36、右徑所作的與地面垂直的切面，將的三個基準面分別是：矢狀面 分為左右兩部分；冠狀面分為前后兩部分；水平面橫分為上下兩部分23。切直立身體與地面平行的切面，將的三個基準軸分別是：額狀軸在額狀面內(nèi)且垂直于矢狀面的軸，它是額狀面與水平面的交線；矢狀軸在矢狀面內(nèi)且垂直于額狀面的軸，它是矢狀面與水平面的交線；垂直軸垂直通過水平面的軸，它是額狀面與矢狀面的交線24 。的步態(tài)運動主要在矢狀面內(nèi)進行。對于髖關節(jié)來說，矢狀面內(nèi)的伸/屈是主運動，冠狀面內(nèi)的外展/內(nèi)收是用來平衡的左右運動，髖關節(jié)還有水平面內(nèi)的旋內(nèi)/旋外運動，主要起到導向和平衡的作用，但是由于該運動的幅度較小，所以在設計人時將忽略這一自由度。對于膝關節(jié)

37、來說，由度，這樣能夠保證只有在矢狀面的伸/屈，人同樣也設計成一個自的安全。踝關節(jié)有三個自由度，分別是矢狀面內(nèi)踝關節(jié)伸/屈，冠狀面內(nèi)外展/內(nèi)收，水平面內(nèi)的旋內(nèi)/旋外。在人踝關節(jié)的自由度設計上，矢狀面內(nèi)的伸/屈是完成步行動作的基本，而為了平衡髖關節(jié)冠狀面內(nèi)的外展/內(nèi)收，也設計了踝關節(jié)冠狀面內(nèi)的外展/內(nèi)收。同時人在前腳掌和后腳跟之間也設計了彎曲自由度。對于人，每條腿共有 6 個自由度，分別是髖關節(jié)伸/屈、髖關節(jié)外展/內(nèi)收、膝關節(jié)伸/屈、踝關節(jié)伸/屈，踝關節(jié)外展/內(nèi)收和腳掌的彎曲。如圖 2-2。圖 2-2 自由度配置在這 6 個自由度中，其中矢狀面內(nèi)的髖關節(jié)伸/屈和膝關節(jié)伸/屈作為主動關節(jié)為穿戴者在前

38、進的方向上提供助力，踝關節(jié)的伸/屈作為輔助關節(jié)可以很大程度上的減少人的負擔，同時也不影響整體助力的效果，所以作為輔助自由度設計。冠狀面內(nèi)的髖關節(jié)外展/內(nèi)收和踝關節(jié)外展/內(nèi)收作為輔助關節(jié)，起到輔助平衡的作用。而前腳掌與后腳跟的彎曲是為了適應足底行走的彎曲特點-10-哈爾濱工業(yè)大學工學而設計。為了貫徹“擬人化”設計的思想，的運動角度范圍都有一定的限制，如表 2-1。穿戴者的人身安全，各個自由度表 2-1和人各個自由度的運動范圍關節(jié)髖關節(jié)伸/屈髖關節(jié)外展/內(nèi)收膝關節(jié)伸/屈踝關節(jié)伸/屈踝關節(jié)外展/內(nèi)收運動形式45-303000135-10+110-20+50-20+30090090運動角度（°

39、;）人運動角度（°）-15+120-10+1102.2.2 機構本體設計機構本體設計包括整體設計、主動關節(jié)設計、輔助關節(jié)設計、桿件設計， 背部和足底連接設計。(1) 整體設計人的主要技術指標有：人總重量不超過 40Kg，外骨骼助力人能夠?qū)崿F(xiàn)行走等簡單運器人能夠助力行走等，最后設計質(zhì)量 38Kg。外骨骼助力人的整體結(jié)構與實際人如圖 2-3。a) 外骨骼助力b) 外骨骼助力人整體結(jié)構人整體實物圖圖 2-3 外骨骼助力人整體結(jié)構圖與實物圖外骨骼助力人的機構本體由機械腿、足部和機械背組成。機械腿用來提供助力，足部和背部用來固定(2) 主動關節(jié)設計人和穿戴者。主動關節(jié)包括髖關節(jié)伸/屈，膝關節(jié)伸

40、/屈，兩個關節(jié)采用相同的設計，主要-11-哈爾濱工業(yè)大學工學材料為 2A12。如圖 2-4。主動關節(jié)的設計原則是在保證充足的動力、強度和剛度的前提下，盡量減小軸向。主動關節(jié)的組成包括 maxonEC90 盤式電機、超薄式諧波 器、聯(lián)軸器、限位光電開關。關節(jié)軸線上的長度為 131mm，除去關節(jié)連桿的長度，僅僅露出 50mm。為了保證安全，主動關節(jié)還增加了硬限位，利用光電開關作為限位開關，限位角度是-30°+120°，避免出現(xiàn)飛車等事故，保護穿戴者的人身安全。a) 主動關節(jié)結(jié)構圖圖 2-4 主動關節(jié)結(jié)構圖與實物圖(3) 輔助自由度設計b) 主動關節(jié)實物圖輔助自由度有 4 個關節(jié)

41、，分別是髖關節(jié)外展/內(nèi)收、踝關節(jié)伸/屈，踝關節(jié)外展/內(nèi)收和腳掌彎曲。髖關節(jié)外展/內(nèi)收的角度范圍是 0°30°，并增加拉伸彈簧隨著角度的增加，拉伸彈簧張緊阻礙髖關節(jié)外展，拉伸彈簧的作用就是盡量保持髖關節(jié)外展的角度為 0°，髖關節(jié)外展角度越大，拉力也就隨之越大，如圖 2-5。踝關節(jié)伸/屈的設計對外骨骼下肢助力這一關節(jié)也是需要提供大量的能量的，所以人的助力功能十分重要，考慮到人采用扭轉(zhuǎn)彈簧儲能結(jié)構設計，角度范圍在-20°+30°。由于在步態(tài)運動時，伸運動需要較大力量而屈是簧進行的。依據(jù)上一原則，在踝關節(jié)屈運動彈簧儲能，在踝關節(jié)伸運動彈能量。踝關節(jié)外展

42、/內(nèi)收是為了平衡髖關節(jié)冠狀面內(nèi)的傾斜，機械運動角度限制在 0°30°。該關節(jié)由于始終被足底的限制而處于可控的狀態(tài)，因此該關節(jié)不需要彈簧設計，如圖 2-6。腳底彎曲輔助自由度是用來配合在行走過程中前腳掌和腳后跟之間的角度變化。此處考慮到足底結(jié)構特點，采用片彈簧的設計。片彈簧由直變彎曲時，儲存能量，需要穿戴者用力；由彎變直時釋放能量，為穿戴者助力，同樣也是一款彈簧儲能結(jié)構。-12-哈爾濱工業(yè)大學工學a) 髖關節(jié)外展模型b) 髖關節(jié)外展實物圖圖 2-5髖關節(jié)外展模型與實物圖a) 輔助關節(jié)模型b) 輔助關節(jié)實物圖圖 2-6 輔助關節(jié)模型及實物圖(4) 連桿的設計桿件結(jié)構設計需要考慮

43、三個方面，第一，在保證桿件剛度和強度的前提下減小桿件質(zhì)量；第二，桿件長度可變以適應不同身材的穿戴者；第三，桿件設計要考慮走線。桿件的設計，如圖 2-7。大腿桿和小腿桿的可變長度是 6cm，最長的長度可達 106cm。適合于 160cm 到 185cm 身高的穿戴者。桿件設計有走線槽，大腿桿有彎曲，目的是為了是髖關節(jié)和膝關節(jié)的電機在同一個豎直平面內(nèi)，便于建立運動學和動力學模型并控制。-13-哈爾濱工業(yè)大學工學a) 桿件設計模型b) 桿件設計實物圖圖 2-7 桿件設計模型與實物圖(5) 背部的設計背部采用鋁型材框架設計，型材的優(yōu)點是質(zhì)量輕、強度大，同時型材的安裝和裝配件種類繁多，便于腰部寬度以及背

44、部高度的變化，型材的獨特結(jié)構，可以使走線變得方便，如圖 2-8。a) 背部設計模型b) 背部設計實物圖圖 2-8 背部設計模型與實物圖背部主要背負工控機，電池等硬件系統(tǒng)和負載裝置。背部是與上肢剛性連接的部分，需要設計與接觸的背帶和彈性靠墊。同時背部還要安裝陀螺儀以辨別上身的傾斜狀態(tài)。背部的負載重心盡量靠近，這樣可以提人的效率。工控機通過 USB，電池背負在背部。在電池與背部設計安全高保護罩，用來防止電池產(chǎn)生的(6) 足部設計。足部設計包括前腳掌、后腳跟、片彈簧、與連接等。下圖 2-9 顯示的是外骨骼下肢助力人的足部設計。-14-哈爾濱工業(yè)大學工學a) 足部設計模型b) 足部設計實物圖圖 2-9

45、 足部設計模型及實物圖(7) 背部走線背部放置在上位機，所有的硬件電路將最終引到背部與上位機連接。所以此處的走線十分重要，除了型材提供的走線槽以外，還要考慮作為上位機的單板機以及電源的安放位置，使走線更加方便。2.2.3 關節(jié)功率分析首先關節(jié)的步態(tài)運動進行受力分析，在人處于低速運動的情況下，對桿件直接進行靜力學分析，可以較為準確的計算出關節(jié)驅(qū)動力的值。其次，對于靜態(tài)分析時，要選取一個人關節(jié)受力或需要驅(qū)動力最大的時刻進行計算，這樣能夠足夠保證關節(jié)的驅(qū)動力矩，此時選擇單腿支撐相的支撐腿的驅(qū)動關節(jié)作為分析的目標。第三，人的助力指標，助力的目標背負 30Kg的負載，計算髖關節(jié)和膝關節(jié)的驅(qū)動力矩。如圖

46、2-10 為人的受力圖。圖 2-10人受力分析圖T1 和 T2 為髖關節(jié)和膝關節(jié)的驅(qū)動力矩，由圖 2-10 求得人的髖關節(jié)和膝關節(jié)的瞬時最大力矩是 T1=T2=60Nm，這種力矩只存在很短的時間，而且單腿-15-哈爾濱工業(yè)大學工學站立時，的整個重心是會向前傾斜的，也就是說負載相對于髖關節(jié)和膝關節(jié)產(chǎn)生的力臂還會小于 200mm，這樣對關節(jié)的驅(qū)動力矩要求就更加降低了。此時是60Nm。助力人驅(qū)動關節(jié)輸出最大力矩的時候，而人的平均力矩應該要小于人主動關節(jié)設計在髖關節(jié)和膝關節(jié)，并采用的是直流電機驅(qū)動，直流電機的特點是方便，缺點是驅(qū)動力矩和功率較小。電機驅(qū)動的所產(chǎn)生的效率等問題，并參照國外使用電機驅(qū)器人的

47、先例，分析人在電機驅(qū)動下的工作效率和電機功率與力矩。首先，電機在接通電源之后，電能將會以下幾種形式被消耗，它們分別包括有用功，機械摩擦消耗的功和電機銅絲發(fā)熱消耗的功。其中電機的有用功 Pdes 由下式表示：q = TPdesdes des（2-1）式中 Tdes 期望力矩；q 期望速度。des摩擦產(chǎn)生的功也很大，電機在克服靜摩擦和動摩擦的時候需要消耗額外的功率 Dq ，D 是阻尼系數(shù)。同時，電機轉(zhuǎn)子和齒輪等傳動元件慣量在也會消耗能量 Iq q ，最后機械散發(fā)的熱量會消耗能量T 2 / K 2 ，最后M消耗的功率為：過程中人關節(jié)q + Dq + Iq q + T 2 / KP = T（2-2）d

48、es desMBLEEX在研究由電機驅(qū)動得到的數(shù)據(jù)來看，在步行過程中膝關節(jié)的平均輸 出為 17w，做負功，效率 21.2%，當?shù)搅藬[動相的時候，力矩小于電機的空載力矩，能量主要消耗在克服摩擦和慣性力了，髖關節(jié)所需功率 81w，有用功 7.7w，效率 9.5%10。(1) 由膝關節(jié)的CGA數(shù)據(jù)可知，平地走的平均功率 16.01w，平均力矩40.5Nm，關節(jié)平均速度為 56°/s；膝關節(jié)在爬樓梯時的平均功率為 35.3，平均力矩為 87.0Nm，由靜力學計算出來的關節(jié)力矩 60Nm25。由于本外骨骼助力機器人的設計目標僅能完成平地走的步態(tài)運動，所以可以依據(jù)平地走的功率和力矩進行求解。電機

49、的額定功率大致計算為：P= P膝des ´100% = 16.01 ´100% » 76w（2-3）h膝關節(jié)21.2%膝(2) 由髖關節(jié)的CGA數(shù)據(jù)可知，髖關節(jié)爬樓梯時的平均功率 16.23w，步行的平均功率是 7.03w，最大功率 97.3w，平地走的力矩是 60.0Nm25。與靜力學所求的力矩相同，爬樓梯的平均力矩是 84.7Nm。雖然髖關節(jié)的功率小，但是它的力矩輸出大，說明髖關節(jié)處于較低速度。為了保證輸出力矩， TE =60Nm，電-16-哈爾濱工業(yè)大學工學機的額定功率大致計算為：P= P髖des ´100%= 7.03 ´100%=74

50、w（2-4）髖關節(jié)h9.5%髖2.3 強度分析強度分析主要人在步態(tài)運動過程中，受力大結(jié)構單薄并對整個結(jié)構起支撐作用的部件進行分析，這種部件也被稱為關鍵部件。而其他的部件所受的力較小，結(jié)構安全性可以得到保證。關鍵部件在來自負載的、驅(qū)動器的驅(qū)動力矩、外力的作用下，會產(chǎn)生應力變化并導致形變，為了保證其結(jié)構的安全性，要對關鍵部件的強度進行分析。利用 ANSYS 對外骨骼下肢助力人關鍵部件進行強度分析。強度分析主要包括應力，應變和變形量的分析。2.3.1 受力環(huán)境分析首先確定外骨骼下肢助力人的關鍵部件，人所受的要來自背部的負載以及髖關節(jié)和膝關節(jié)的驅(qū)動力矩。背部負載作用于后背，并通過大、小腿桿傳遞到腳底板

51、，再由腳底板傳遞到地面；驅(qū)動關節(jié)直接作用在大、小腿桿，而大、小腿桿與其他部件的連接件在設計時都采用加強設計。腳底板僅受，而金屬在僅受時強度非常大，背部受負載作用，在設計時采用了硬鋁型材，結(jié)構強度足夠大負載作用且質(zhì)量輕。而對于大、小腿桿桿件長，質(zhì)量大、受力多，因此大、小腿桿作為關鍵部件將對其進行強度分析。在確定分析目標之后，就要詳細的分析人所處的力學環(huán)境，如圖 2-11為外骨骼下肢助力人受力環(huán)境。分析人受力情況，由于人所受的要在矢狀面內(nèi)的驅(qū)動扭矩，以及由背部載荷導致的和扭矩，對矢狀面內(nèi)的機械腿產(chǎn)生的變形最大。背負負載的重量是Q ，髖關節(jié)和膝關節(jié)由電機提供的扭矩 M1 和 M 2 。 f 為足底承受的摩擦力， N 為地面的支持力。當人處于單腿支撐相時，機械腿承受力最大，最容易出現(xiàn)不穩(wěn)定等情況。為了設計質(zhì)量輕、承受負載大的機械結(jié)構，需要對人的實際工作情況進行了強度分析。如果人的強度過大會導致人的笨重，浪費能源的消耗人的能量；如果過小會導致機構的損壞等致命后果，所以應詳細分析在實際狀態(tài)下的人的結(jié)構強度。在實際工作中，人承受的最大力為：負重 Q=500N，電機轉(zhuǎn)矩 M1=60Nm，M2=40Nm。這些力學條件分析關鍵部件的強度以優(yōu)化部件結(jié)構。-17-哈爾濱工業(yè)大學工學圖 2-11 受力環(huán)境分析2.3.2 強度分析與結(jié)構改進利用 ANSYS