外骨骼下肢助力機(jī)器人技術(shù)研究

1、國內(nèi)國際分類號(hào)：TP242.2 分類號(hào)：621.865.8學(xué)校代碼：10213 密級(jí)：公開工學(xué)外骨骼下肢助力人技術(shù)研究：張志成導(dǎo)師：吳冬梅副教授申請(qǐng)學(xué)位：工學(xué)學(xué)科：機(jī)械電子工程所在：機(jī)電期：2011 年 6 月答辯日授予學(xué)位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(shù)是人技術(shù)的一個(gè)重要分支，它涉及了人技術(shù)、人機(jī)工程學(xué)、機(jī)械學(xué)、計(jì)

3、算科學(xué)和通訊技術(shù)等領(lǐng)域，是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)技術(shù)。隨著裝備重量的增加，該項(xiàng)技術(shù)在增強(qiáng)士兵承受負(fù)載的能力的領(lǐng)域內(nèi)具有廣泛的應(yīng)用前景。主要助力人應(yīng)用需求，對(duì)外骨骼下肢助力人進(jìn)行機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)與步態(tài)分析實(shí)驗(yàn)、動(dòng)力學(xué)和策略研究、并對(duì)步態(tài)運(yùn)動(dòng)和人進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。人為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，借助航姿參外骨骼下肢助力人以多關(guān)節(jié)的外骨骼考系統(tǒng)、足底分布測試系統(tǒng)等人機(jī)交互系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)意圖進(jìn)行、并人步結(jié)合人的系統(tǒng)，達(dá)到能夠?qū)崟r(shí)檢測步態(tài)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)并態(tài)運(yùn)動(dòng)的目的。人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)人機(jī)工程學(xué)理論，從步態(tài)運(yùn)動(dòng)安全性、舒適性、可靠性以及機(jī)構(gòu)實(shí)用性、輕便性出發(fā)，著重研制了適合不同身材的多關(guān)節(jié)外骨骼助力人機(jī)構(gòu)本體，并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了強(qiáng)度

4、分析和改進(jìn)。步態(tài)運(yùn)動(dòng)和人結(jié)構(gòu)，本文采用齊次變換法建立人正逆運(yùn)步態(tài)運(yùn)動(dòng)數(shù)動(dòng)學(xué)，分析平地走和爬樓梯步態(tài)運(yùn)動(dòng)一般性規(guī)律，并據(jù)的搭建了航姿參考系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)和分析了髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的角度數(shù)據(jù)?；诶窭嗜辗匠毯吞摴υ硗茖?dǎo)了人的動(dòng)力學(xué)模型，建立起機(jī)步態(tài)兩分析，驗(yàn)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩與足底約束力的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，并以此理論為基礎(chǔ)相建立了位置和力-位的模型。并對(duì)力-位進(jìn)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(tái)，硬件系統(tǒng)包括傳感器系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以主板電腦作為上位機(jī)，主要采用串口通訊方式。其中，傳感器系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)測量步態(tài)運(yùn)動(dòng)的航姿參考系統(tǒng)和測量足底分布的足底整個(gè)分布測試系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)完善了人的人機(jī)交互的功

5、能。最后，對(duì)人系統(tǒng)進(jìn)行了關(guān)節(jié)隨動(dòng)和步態(tài)實(shí)驗(yàn)，關(guān)節(jié)隨動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，隨動(dòng)性。步態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)械系統(tǒng)的安全性、可靠性和舒適性，驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)用性和可行性，為以后更深入的研究打下基礎(chǔ)。：助力人；步態(tài)運(yùn)動(dòng)；動(dòng)力學(xué)；隨動(dòng)- 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(shù)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(shù)研究現(xiàn)狀2人技術(shù)研究現(xiàn)狀61.3 本文的主要研究內(nèi)容7第 2 章 機(jī)構(gòu)本體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵部件強(qiáng)度分析92.1 引言92.2 機(jī)構(gòu)本體設(shè)計(jì)92.2.1 自由度配置92.2.2 機(jī)構(gòu)本體設(shè)計(jì)112.2.3 關(guān)節(jié)功率分析152.3

15、 強(qiáng)度分析172.3.1 受力環(huán)境分析172.3.2 強(qiáng)度分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)182.4 本章小結(jié)20第 3 章 運(yùn)動(dòng)分析以及步態(tài)分析與實(shí)驗(yàn)213.1 引言213.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析213.2.13.2.23.2.33.33.3.13.3.23.3.33.3.4坐標(biāo)軸建立21正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析22逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析24步態(tài)運(yùn)動(dòng)分析25踝關(guān)節(jié)的步態(tài)運(yùn)動(dòng)分析25膝關(guān)節(jié)的步態(tài)運(yùn)動(dòng)分析27髖關(guān)節(jié)的步態(tài)運(yùn)動(dòng)分析28爬樓梯關(guān)節(jié)功率分析293.4 步態(tài)系統(tǒng)搭建與實(shí)驗(yàn)30- III -目 錄3.4.1 步態(tài)測試系統(tǒng)搭建313.4.2 步態(tài)實(shí)驗(yàn)333.5 本章小結(jié)34第 4 章 動(dòng)力學(xué)與策略的研究354.1 引言354.2 動(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)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(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究475.1 引言475.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)475.2.1 硬件系統(tǒng)475.2.2 傳感器系統(tǒng)485.2.3 驅(qū)動(dòng)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(jī)交互界面及程序525.4 實(shí)驗(yàn)研究525.4.1 關(guān)節(jié)隨動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究535.4.2 步態(tài)行走實(shí)驗(yàn)研究545.5 本章小結(jié)

17、55結(jié)論56參考文獻(xiàn)60攻讀學(xué)位期間的及其它成果63及使用說明64哈爾濱工業(yè)大學(xué)性致謝65- IV -哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)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(duì)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(lǐng)域，這些的新特點(diǎn)尤其體現(xiàn)在者裝備上。現(xiàn)代化裝備的新特點(diǎn)也帶來了許多的問題，對(duì)于或交鋒的正面戰(zhàn)場來說，裝備需要適應(yīng)多、多用途和多任務(wù)的復(fù)雜情況同時(shí)最大限度的保證士兵的安全。裝備如果由每個(gè)士兵在戰(zhàn)場上背負(fù)將會(huì)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(guān)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(wù)1 。為了使士兵能夠適應(yīng)這樣繁重的裝備，士兵需要接受大量的力量訓(xùn)練。但是過度的訓(xùn)練還會(huì)導(dǎo)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(shè)計(jì)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(fù)載并增強(qiáng)承受大負(fù)載的耐久力，士兵在穿戴外骨骼下肢助力人之后，能夠增強(qiáng)士兵背負(fù)裝備以及長時(shí)間的能力，隨著裝備的增加，士兵的戰(zhàn)斗力會(huì)提高同時(shí)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(fù)能力，它還可以發(fā)揮雙足人能夠克服復(fù)雜地形的特點(diǎn)在崎嶇的山路等地勢輔助穿戴者背負(fù)或運(yùn)送貨物。外骨骼下肢

19、助力人主要應(yīng)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(jī)交互系統(tǒng)提供正確有效的信息，同時(shí)，簡化人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。外骨骼下肢助力人技術(shù)的研究涉及了多項(xiàng)前沿的領(lǐng)域，包括雙足步行人的步態(tài)控制、高效率驅(qū)動(dòng)器技術(shù)、生物信號(hào)的識(shí)別和人機(jī)交互等技術(shù)，外骨骼下肢助力人技術(shù)的研究能夠促進(jìn)人領(lǐng)域的快速發(fā)展。1.2 外骨骼下肢助力人技術(shù)研究綜述近年來，隨著人技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)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(jìn)展。國內(nèi)外各大著名科研機(jī)構(gòu)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(yīng)用領(lǐng)域，采用不同的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)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(xué)工學(xué)1.2.1 國外外骨骼下肢助力人技術(shù)研究現(xiàn)狀外骨骼下肢助力人的研究始于 20 世紀(jì) 60 年代末期，主要在歐美等一些發(fā)達(dá)骨骼助力展開，最初的目的就是增強(qiáng)承受和背負(fù)負(fù)載的能力。最初的外人分別在兩個(gè)地點(diǎn)幾乎同時(shí)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(xué)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(gè)水動(dòng)力源和伺服隨動(dòng)鉸鏈組成，體積巨大，重約 680 公斤，具有 30 個(gè)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(duì)外人的研究起到了巨大的推動(dòng)作用，它的研究主要貢獻(xiàn)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(diǎn)，例如能量的來源、人機(jī)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(guān)鍵的技術(shù)難題。兩個(gè)項(xiàng)目都受到能量來隨著人技術(shù)的普遍提高，與之相的傳感器技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)和能源開發(fā)也都反映到了外骨骼下肢助力人技術(shù)研究方向上來。90 年代末到 20世紀(jì)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(jí)研究項(xiàng)目署（DARPA）開始進(jìn)行“增強(qiáng)人體機(jī)能的外骨骼”（EHPA）項(xiàng)目的研究，這一投資 5000 萬的研究項(xiàng)目大大人

22、的研究。它的目標(biāo)是“增加地面士兵的戰(zhàn)斗能力”5。地推動(dòng)了外骨骼這一研究旨在增進(jìn)士兵背負(fù)負(fù)載和克服疲勞的能力，促進(jìn)了一系列下肢外骨骼人能源動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。EHPA助力人技術(shù)的，像步態(tài)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目所支持的三個(gè)外骨骼助力人項(xiàng)目取得了很大的進(jìn)步，他們分別是美國麻省理工學(xué)院（MIT）研制的外骨骼下肢助力人，加州大學(xué)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(jī)制的外骨骼助力器人。1978 年，美國麻省理工學(xué)院（MIT）開始從事外骨骼下肢助力人技術(shù)的研究，他們提出了一個(gè)新的模式的助力人準(zhǔn)式外骨骼助力人（A quasi-passive exoskeleton）。該項(xiàng)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(fù)載 36公斤的情況下行走 1m/s，其中 80%的負(fù)重被傳遞到地面上。它的關(guān)節(jié)自由度配置包括髖關(guān)節(jié)有 3 個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié) 1 個(gè)自由度。穿戴者與人在肩膀、腕關(guān)節(jié)、大腿和腳部連接，人總重量是 11.7Kg，驅(qū)動(dòng)方式不采用電力驅(qū)動(dòng)，只利用彈簧儲(chǔ)能和變阻尼器驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)6。髖關(guān)節(jié)伸/屈運(yùn)動(dòng)時(shí)，伸運(yùn)動(dòng)時(shí)彈-2-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)簧碳能量，屈運(yùn)動(dòng)時(shí)彈簧儲(chǔ)存能量，膝關(guān)節(jié)利用磁流變阻尼器，踝關(guān)節(jié)利用彈簧緩沖腳后跟對(duì)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(yīng)變橋式應(yīng)變片傳感器和安裝在膝關(guān)節(jié)的電位計(jì)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(xué)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(wù)，穿戴者攜帶 75 磅負(fù)載平均步行的速度是 3.2Km/h,無負(fù)載時(shí)，步行速度可以達(dá)到 1.3m/s。人單條腿具有七個(gè)自由度，其中，髖關(guān)節(jié)三個(gè)、膝關(guān)節(jié)一個(gè)、踝關(guān)節(jié)三個(gè)。BLEEX的利用線性驅(qū)動(dòng)三個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)，分別在髖關(guān)節(jié)伸/屈，膝關(guān)節(jié)伸/屈，踝關(guān)節(jié)俯仰，其它關(guān)節(jié)為輔助關(guān)節(jié)，起到運(yùn)動(dòng)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(guān)節(jié)力和肢體傾角，足底傳感器測量步行時(shí)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(dòng)功率是 1143w同時(shí)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(dǎo)向就可以實(shí)現(xiàn)人的運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的信息來源于 8 個(gè)編碼器和 16 個(gè)線性度計(jì)，用來測量關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度、角速度和角度，腳底開關(guān)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(gè)軸的力傳感器用來驅(qū)動(dòng)器的力，傾角傳感器用來確定運(yùn)動(dòng)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(gòu)更加簡潔，更能適應(yīng)戰(zhàn)場上的需求。-3-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)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(dòng)式人擁有先進(jìn)的動(dòng)力系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以有效的提高運(yùn)行效率11。Sarcos利用力傳感器在外骨骼人與穿戴者之間實(shí)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(fù)載，人卻完全感覺不到重量。并能夠完成一些簡單的動(dòng)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(xué)Cybemics的科學(xué)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(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處通過鉸鏈連接并只有 1 個(gè)自由度。在髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)處利用諧波直流電-4-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)機(jī)驅(qū)動(dòng)，踝關(guān)節(jié)是的

28、。人還設(shè)計(jì)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(fù)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(hào)進(jìn)行的。傳表皮肌電信號(hào)的電極放置在髖關(guān)節(jié)以下、膝關(guān)節(jié)以上部位。腳底部安裝感器。它擁有兩個(gè)系統(tǒng)：一個(gè)是以肌電信號(hào)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，一個(gè)是以步行模式為基礎(chǔ)的系統(tǒng)。通過分析這兩個(gè)系統(tǒng)來使用者的運(yùn)動(dòng)意圖16 。2000 年，神奈川理工學(xué)院研制的全身式外骨骼助力人主要用于護(hù)士搬人是由肩部，運(yùn)和移動(dòng)等工作，該人可以輕松的搬運(yùn) 85kg的手臂，后背，腕部和腿部機(jī)械單元組成的。它的驅(qū)動(dòng)器采用設(shè)置在肩部、腕部和腿部微型旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器17。傳感器系統(tǒng)由具有稱重功

29、能的堅(jiān)硬肌肉傳感器。方法采用主從，各機(jī)械單元一旦發(fā)生運(yùn)動(dòng)，這運(yùn)動(dòng)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(dòng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)跟隨運(yùn)動(dòng)18。為神奈川理工學(xué)院研制的全身式外骨骼助力人。圖 1-5筑波大學(xué)助力人 HAL5圖 1-6 神奈川理工學(xué)院全身式助力人以色列埃爾格醫(yī)學(xué)技術(shù)公司研發(fā)外骨骼助力人“Rewalk Exoskeleton”，Rewalk總重 18Kg，運(yùn)動(dòng)速度是 1Km/h，能夠連續(xù)工作 8 小時(shí)。它可以完成行走、站立、坐下、爬樓梯，上坡和下坡等動(dòng)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(jī)器人總重 35Kg有 16 個(gè)傳感器用來檢

30、測穿戴者的運(yùn)動(dòng)，并利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，體重略顯笨拙。如圖 1-8。本田電機(jī)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(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能夠連續(xù)工作 2 小時(shí)，步行速度達(dá)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(xué)工學(xué)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(jī)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(shù)研究現(xiàn)狀國內(nèi)對(duì)外骨骼下肢助力人的研究開始與 20 世紀(jì)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(xiàng)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(gè)自由度，系統(tǒng)利用表皮肌電信號(hào)分析穿戴者的運(yùn)動(dòng)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(fù)領(lǐng)域，外骨骼人以其優(yōu)越的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可特性在醫(yī)療領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。浙江大學(xué)研制出了多自由度下肢外骨骼助力人，驅(qū)動(dòng)器使用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器為圓形氣缸。它可以將足底信號(hào)和氣缸的位移信號(hào)直接關(guān)聯(lián)起來，能夠較好證明了可行性，如圖 1-1121。同時(shí)人22。的穿戴者的用途，該方法通過軟件哈爾濱工程大學(xué)也研制出了幾款下肢康復(fù)-6-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)圖 1-10圖 1-11 浙江大學(xué)下肢康復(fù)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(jī)工程學(xué)原理

32、，士兵的背負(fù)負(fù)載能力和持續(xù)能力，對(duì)外骨骼下肢助力人技術(shù)進(jìn)行了研究。本文的主要研究內(nèi)容如下：（1）機(jī)構(gòu)本體設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析：以下剖學(xué)和步態(tài)運(yùn)動(dòng)理論為依據(jù)，從人運(yùn)行的安全性、可靠性、實(shí)用性和舒適性角度對(duì)助力人進(jìn)行了自由度配置、主動(dòng)關(guān)節(jié)、置、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及不同關(guān)節(jié)以及背部等設(shè)計(jì)。機(jī)械設(shè)計(jì)充分考慮了電氣布適用性，并盡量減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量。考慮到人支持大負(fù)載的需求，對(duì)受力較大的桿件進(jìn)行強(qiáng)度分析和校核，保證全。人的結(jié)構(gòu)安（2）運(yùn)動(dòng)分析及步態(tài)分析與實(shí)驗(yàn)：構(gòu)形式，基于 D-H 參數(shù)法，采用齊次變換對(duì)步態(tài)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)以及人的結(jié)人進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)與逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的推導(dǎo)。依據(jù) CGA 數(shù)據(jù)庫，分析步態(tài)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，包括平地走、爬坡和上樓梯的關(guān)

33、節(jié)運(yùn)動(dòng)角度、力矩和功率，研究步態(tài)運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律。步態(tài)運(yùn)動(dòng)，本文搭建航姿參考系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)測量關(guān)節(jié)的步態(tài)運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)行關(guān)節(jié)步態(tài)，并與步態(tài)的一般規(guī)律進(jìn)行比較。（3）動(dòng)力學(xué)分析和策略研究：基于拉格朗日方程和虛功原理建立了機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程，為達(dá)到理想的動(dòng)的特點(diǎn)，建立了位置和力-位效果提供理論支持?；诓綉B(tài)兩相運(yùn)的策略，研究，驗(yàn)證了系統(tǒng)的輸入和輸策略的正確性。出。并利用 Simulink 對(duì)力-位進(jìn)行了（4）系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)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(dòng)器系統(tǒng)組成，以主板電腦為上位機(jī)，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(dòng)器界面，并搭建了人-7-哈爾濱工業(yè)大

34、學(xué)工學(xué)機(jī)交互界面，并對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行了調(diào)試。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。設(shè)計(jì)了關(guān)節(jié)隨動(dòng)和步態(tài)實(shí)驗(yàn)，關(guān)節(jié)隨動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，隨動(dòng)性。步態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)械系統(tǒng)的安全性、可靠性和舒適性，驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)用性和可行性，為以后更深入的研究打下基礎(chǔ)。-8-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)第 2 章 機(jī)構(gòu)本體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵部件強(qiáng)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(fù)負(fù)載的能力。人的機(jī)構(gòu)本體需要具有足夠的強(qiáng)度以便完成各種復(fù)雜的工作，同時(shí)還要盡量減少人的重量提高能源效率。對(duì)于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則應(yīng)貫徹“擬人化”思想，充分考慮了機(jī)構(gòu)的安全性、舒適性和便捷性。為了使人完成步態(tài)運(yùn)動(dòng)，還需要科學(xué)的設(shè)計(jì)人的自由度，使穿戴

35、者在使用時(shí)能夠順利的行走。人機(jī)構(gòu)采用桿件結(jié)構(gòu)，桿件承受很大的載荷。對(duì)于機(jī)構(gòu)中的某些關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度就會(huì)有著很高的要求，對(duì)關(guān)鍵部件的強(qiáng)度分析能夠充分保證機(jī)械系統(tǒng)的安全性，這是設(shè)計(jì)的基本要求。2.2 機(jī)構(gòu)本體設(shè)計(jì)2.2.1 自由度配置人自由度的配置是依據(jù)跑步的運(yùn)動(dòng)前提下，盡量減少關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)冗余等問題。在設(shè)計(jì)人自由度時(shí)，首先參照了人機(jī)工程學(xué)的的自由度。如圖 2-1，設(shè)定的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)軸來定義基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)軸。圖 2-1的基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)軸-9-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)共分三個(gè)基準(zhǔn)面和三個(gè)基準(zhǔn)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(gè)基準(zhǔn)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(gè)基準(zhǔn)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(yùn)動(dòng)主要在矢狀面內(nèi)進(jìn)行。對(duì)于髖關(guān)節(jié)來說，矢狀面內(nèi)的伸/屈是主運(yùn)動(dòng)，冠狀面內(nèi)的外展/內(nèi)收是用來平衡的左右運(yùn)動(dòng)，髖關(guān)節(jié)還有水平面內(nèi)的旋內(nèi)/旋外運(yùn)動(dòng)，主要起到導(dǎo)向和平衡的作用，但是由于該運(yùn)動(dòng)的幅度較小，所以在設(shè)計(jì)人時(shí)將忽略這一自由度。對(duì)于膝關(guān)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(shè)計(jì)成一個(gè)自的安全。踝關(guān)節(jié)有三個(gè)自由度，分別是矢狀面內(nèi)踝關(guān)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(guān)節(jié)的自由度設(shè)計(jì)上，矢狀面內(nèi)的伸/屈是完成步行動(dòng)作的基本，而為了平衡髖關(guān)節(jié)冠狀面內(nèi)的外展/內(nèi)收，也設(shè)計(jì)了踝關(guān)節(jié)冠狀面內(nèi)的外展/內(nèi)收。同時(shí)人在前腳掌和后腳跟之間也設(shè)計(jì)了彎曲自由度。對(duì)于人，每條腿共有 6 個(gè)自由度，分別是髖關(guān)節(jié)伸/屈、髖關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收、膝關(guān)節(jié)伸/屈、踝關(guān)節(jié)伸/屈，踝關(guān)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(gè)自由度中，其中矢狀面內(nèi)的髖關(guān)節(jié)伸/屈和膝關(guān)節(jié)伸/屈作為主動(dòng)關(guān)節(jié)為穿戴者在前

38、進(jìn)的方向上提供助力，踝關(guān)節(jié)的伸/屈作為輔助關(guān)節(jié)可以很大程度上的減少人的負(fù)擔(dān)，同時(shí)也不影響整體助力的效果，所以作為輔助自由度設(shè)計(jì)。冠狀面內(nèi)的髖關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收和踝關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收作為輔助關(guān)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(yīng)足底行走的彎曲特點(diǎn)-10-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)而設(shè)計(jì)。為了貫徹“擬人化”設(shè)計(jì)的思想，的運(yùn)動(dòng)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(gè)自由度表 2-1和人各個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)范圍關(guān)節(jié)髖關(guān)節(jié)伸/屈髖關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收膝關(guān)節(jié)伸/屈踝關(guān)節(jié)伸/屈踝關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收運(yùn)動(dòng)形式45-303000135-10+110-20+50-20+30090090運(yùn)動(dòng)角度（°

39、;）人運(yùn)動(dòng)角度（°）-15+120-10+1102.2.2 機(jī)構(gòu)本體設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)本體設(shè)計(jì)包括整體設(shè)計(jì)、主動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)、輔助關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)、桿件設(shè)計(jì)， 背部和足底連接設(shè)計(jì)。(1) 整體設(shè)計(jì)人的主要技術(shù)指標(biāo)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(yùn)器人能夠助力行走等，最后設(shè)計(jì)質(zhì)量 38Kg。外骨骼助力人的整體結(jié)構(gòu)與實(shí)際人如圖 2-3。a) 外骨骼助力b) 外骨骼助力人整體結(jié)構(gòu)人整體實(shí)物圖圖 2-3 外骨骼助力人整體結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖外骨骼助力人的機(jī)構(gòu)本體由機(jī)械腿、足部和機(jī)械背組成。機(jī)械腿用來提供助力，足部和背部用來固定(2) 主動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)人和穿戴者。主動(dòng)關(guān)節(jié)包括髖關(guān)節(jié)伸/屈，膝關(guān)節(jié)伸

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

41、，分別是髖關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收、踝關(guān)節(jié)伸/屈，踝關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收和腳掌彎曲。髖關(guān)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(guān)節(jié)外展，拉伸彈簧的作用就是盡量保持髖關(guān)節(jié)外展的角度為 0°，髖關(guān)節(jié)外展角度越大，拉力也就隨之越大，如圖 2-5。踝關(guān)節(jié)伸/屈的設(shè)計(jì)對(duì)外骨骼下肢助力這一關(guān)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(chǔ)能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，角度范圍在-20°+30°。由于在步態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)，伸運(yùn)動(dòng)需要較大力量而屈是簧進(jìn)行的。依據(jù)上一原則，在踝關(guān)節(jié)屈運(yùn)動(dòng)彈簧儲(chǔ)能，在踝關(guān)節(jié)伸運(yùn)動(dòng)彈能量。踝關(guān)節(jié)外展

42、/內(nèi)收是為了平衡髖關(guān)節(jié)冠狀面內(nèi)的傾斜，機(jī)械運(yùn)動(dòng)角度限制在 0°30°。該關(guān)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(guān)節(jié)不需要彈簧設(shè)計(jì)，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(gòu)特點(diǎn)，采用片彈簧的設(shè)計(jì)。片彈簧由直變彎曲時(shí)，儲(chǔ)存能量，需要穿戴者用力；由彎變直時(shí)釋放能量，為穿戴者助力，同樣也是一款彈簧儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)。-12-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)a) 髖關(guān)節(jié)外展模型b) 髖關(guān)節(jié)外展實(shí)物圖圖 2-5髖關(guān)節(jié)外展模型與實(shí)物圖a) 輔助關(guān)節(jié)模型b) 輔助關(guān)節(jié)實(shí)物圖圖 2-6 輔助關(guān)節(jié)模型及實(shí)物圖(4) 連桿的設(shè)計(jì)桿件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮

43、三個(gè)方面，第一，在保證桿件剛度和強(qiáng)度的前提下減小桿件質(zhì)量；第二，桿件長度可變以適應(yīng)不同身材的穿戴者；第三，桿件設(shè)計(jì)要考慮走線。桿件的設(shè)計(jì)，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(dá) 106cm。適合于 160cm 到 185cm 身高的穿戴者。桿件設(shè)計(jì)有走線槽，大腿桿有彎曲，目的是為了是髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的電機(jī)在同一個(gè)豎直平面內(nèi)，便于建立運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型并控制。-13-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)a) 桿件設(shè)計(jì)模型b) 桿件設(shè)計(jì)實(shí)物圖圖 2-7 桿件設(shè)計(jì)模型與實(shí)物圖(5) 背部的設(shè)計(jì)背部采用鋁型材框架設(shè)計(jì)，型材的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、強(qiáng)度大，同時(shí)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(dú)特結(jié)構(gòu)，可以使走線變得方便，如圖 2-8。a) 背部設(shè)計(jì)模型b) 背部設(shè)計(jì)實(shí)物圖圖 2-8 背部設(shè)計(jì)模型與實(shí)物圖背部主要背負(fù)工控機(jī)，電池等硬件系統(tǒng)和負(fù)載裝置。背部是與上肢剛性連接的部分，需要設(shè)計(jì)與接觸的背帶和彈性靠墊。同時(shí)背部還要安裝陀螺儀以辨別上身的傾斜狀態(tài)。背部的負(fù)載重心盡量靠近，這樣可以提人的效率。工控機(jī)通過 USB，電池背負(fù)在背部。在電池與背部設(shè)計(jì)安全高保護(hù)罩，用來防止電池產(chǎn)生的(6) 足部設(shè)計(jì)。足部設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。-14-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)a) 足部設(shè)計(jì)模型b) 足部設(shè)計(jì)實(shí)物圖圖 2-9

45、 足部設(shè)計(jì)模型及實(shí)物圖(7) 背部走線背部放置在上位機(jī)，所有的硬件電路將最終引到背部與上位機(jī)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(jī)的單板機(jī)以及電源的安放位置，使走線更加方便。2.2.3 關(guān)節(jié)功率分析首先關(guān)節(jié)的步態(tài)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行受力分析，在人處于低速運(yùn)動(dòng)的情況下，對(duì)桿件直接進(jìn)行靜力學(xué)分析，可以較為準(zhǔn)確的計(jì)算出關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力的值。其次，對(duì)于靜態(tài)分析時(shí)，要選取一個(gè)人關(guān)節(jié)受力或需要驅(qū)動(dòng)力最大的時(shí)刻進(jìn)行計(jì)算，這樣能夠足夠保證關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩，此時(shí)選擇單腿支撐相的支撐腿的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)作為分析的目標(biāo)。第三，人的助力指標(biāo)，助力的目標(biāo)背負(fù) 30Kg的負(fù)載，計(jì)算髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)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(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩，由圖 2-10 求得人的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的瞬時(shí)最大力矩是 T1=T2=60Nm，這種力矩只存在很短的時(shí)間，而且單腿-15-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)站立時(shí)，的整個(gè)重心是會(huì)向前傾斜的，也就是說負(fù)載相對(duì)于髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生的力臂還會(huì)小于 200mm，這樣對(duì)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩要求就更加降低了。此時(shí)是60Nm。助力人驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)輸出最大力矩的時(shí)候，而人的平均力矩應(yīng)該要小于人主動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，并采用的是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，直流電機(jī)的特點(diǎn)是方便，缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)力矩和功率較小。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的所產(chǎn)生的效率等問題，并參照國外使用電機(jī)驅(qū)器人的

47、先例，分析人在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下的工作效率和電機(jī)功率與力矩。首先，電機(jī)在接通電源之后，電能將會(huì)以下幾種形式被消耗，它們分別包括有用功，機(jī)械摩擦消耗的功和電機(jī)銅絲發(fā)熱消耗的功。其中電機(jī)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(jī)在克服靜摩擦和動(dòng)摩擦的時(shí)候需要消耗額外的功率 Dq ，D 是阻尼系數(shù)。同時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子和齒輪等傳動(dòng)元件慣量在也會(huì)消耗能量 Iq q ，最后機(jī)械散發(fā)的熱量會(huì)消耗能量T 2 / K 2 ，最后M消耗的功率為：過程中人關(guān)節(jié)q + Dq + Iq q + T 2 / KP = T（2-2）d

48、es desMBLEEX在研究由電機(jī)驅(qū)動(dòng)得到的數(shù)據(jù)來看，在步行過程中膝關(guān)節(jié)的平均輸 出為 17w，做負(fù)功，效率 21.2%，當(dāng)?shù)搅藬[動(dòng)相的時(shí)候，力矩小于電機(jī)的空載力矩，能量主要消耗在克服摩擦和慣性力了，髖關(guān)節(jié)所需功率 81w，有用功 7.7w，效率 9.5%10。(1) 由膝關(guān)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(guān)節(jié)平均速度為 56°/s；膝關(guān)節(jié)在爬樓梯時(shí)的平均功率為 35.3，平均力矩為 87.0Nm，由靜力學(xué)計(jì)算出來的關(guān)節(jié)力矩 60Nm25。由于本外骨骼助力機(jī)器人的設(shè)計(jì)目標(biāo)僅能完成平地走的步態(tài)運(yùn)動(dòng)，所以可以依據(jù)平地走的功率和力矩進(jìn)行求解。電機(jī)

49、的額定功率大致計(jì)算為：P= P膝des ´100% = 16.01 ´100% » 76w（2-3）h膝關(guān)節(jié)21.2%膝(2) 由髖關(guān)節(jié)的CGA數(shù)據(jù)可知，髖關(guān)節(jié)爬樓梯時(shí)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(xué)所求的力矩相同，爬樓梯的平均力矩是 84.7Nm。雖然髖關(guān)節(jié)的功率小，但是它的力矩輸出大，說明髖關(guān)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(xué)工學(xué)機(jī)的額定功率大致計(jì)算為：P= P髖des ´100%= 7.03 ´100%=74

50、w（2-4）髖關(guān)節(jié)h9.5%髖2.3 強(qiáng)度分析強(qiáng)度分析主要人在步態(tài)運(yùn)動(dòng)過程中，受力大結(jié)構(gòu)單薄并對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)起支撐作用的部件進(jìn)行分析，這種部件也被稱為關(guān)鍵部件。而其他的部件所受的力較小，結(jié)構(gòu)安全性可以得到保證。關(guān)鍵部件在來自負(fù)載的、驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力矩、外力的作用下，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力變化并導(dǎo)致形變，為了保證其結(jié)構(gòu)的安全性，要對(duì)關(guān)鍵部件的強(qiáng)度進(jìn)行分析。利用 ANSYS 對(duì)外骨骼下肢助力人關(guān)鍵部件進(jìn)行強(qiáng)度分析。強(qiáng)度分析主要包括應(yīng)力，應(yīng)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(guān)鍵部件，人所受的要來自背部的負(fù)載以及髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩。背部負(fù)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(dòng)關(guān)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(shè)計(jì)時(shí)都采用加強(qiáng)設(shè)計(jì)。腳底板僅受，而金屬在僅受時(shí)強(qiáng)度非常大，背部受負(fù)載作用，在設(shè)計(jì)時(shí)采用了硬鋁型材，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠大負(fù)載作用且質(zhì)量輕。而對(duì)于大、小腿桿桿件長，質(zhì)量大、受力多，因此大、小腿桿作為關(guān)鍵部件將對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析。在確定分析目標(biāo)之后，就要詳細(xì)的分析人所處的力學(xué)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(dòng)扭矩，以及由背部載荷導(dǎo)致的和扭矩，對(duì)矢狀面內(nèi)的機(jī)械腿產(chǎn)生的變形最大。背負(fù)負(fù)載的重量是Q ，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)由電機(jī)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(dāng)人處于單腿支撐相時(shí)，機(jī)械腿承受力最大，最容易出現(xiàn)不穩(wěn)定等情況。為了設(shè)計(jì)質(zhì)量輕、承受負(fù)載大的機(jī)械結(jié)構(gòu)，需要對(duì)人的實(shí)際工作情況進(jìn)行了強(qiáng)度分析。如果人的強(qiáng)度過大會(huì)導(dǎo)致人的笨重，浪費(fèi)能源的消耗人的能量；如果過小會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的損壞等致命后果，所以應(yīng)詳細(xì)分析在實(shí)際狀態(tài)下的人的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在實(shí)際工作中，人承受的最大力為：負(fù)重 Q=500N，電機(jī)轉(zhuǎn)矩 M1=60Nm，M2=40Nm。這些力學(xué)條件分析關(guān)鍵部件的強(qiáng)度以優(yōu)化部件結(jié)構(gòu)。-17-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)圖 2-11 受力環(huán)境分析2.3.2 強(qiáng)度分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)利用 ANSYS