柔性下肢外骨骼设计

摘 要军用外骨骼系统是一种穿戴在单兵身体上的伴随式智能装备系统通过同步“跟随”人体运动，辅助单兵承重助力及负重机动，有效提升单兵的搬移托举能力、承载携行能力和快速机动能力，在后装物资装填搬移保障、物资伴随支援保障、边防巡逻保障等领域具有广泛的军事需求。国内军用外骨骼系统的发展尚处于研究试验阶段，其技术难点在于外骨骼对于人体运动的顺应性即外骨骼机器人的柔性。因此，本论文对柔性军用下肢外骨骼机器人的结构设计及优化，完成了以下工作：（1）人体运动学的分析。为使外骨骼机器人与单兵的协调性达到最优，外骨骼机器人的设计尺寸应尽量贴合人体尺寸，其运动轨迹应尽量符合人体正常运动。（2）军用柔性下肢外骨骼各关节的结构设计。下肢外骨骼系统设计包含：髋关节，膝关节，踝关节，关节连接及驱动部分。（3）军用柔性下肢外骨骼关键零部件的静力学分析。基于ANSYS Workbench静力学模块，分析了踝关节关键零部件的静变形和静应力，分析应力分布特点，验证机械结构的静强度与刚度。关键词：外骨骼；柔性；军用；结构设计 ABSTRACTMilitary exoskeleton system (EXO) is a kind of accompanying intelligent equipment system which is worn on individual soldiers body. Through synchronous following human movement, assisting individual soldiers load-bearing assistance and load-bearing mobility, it can effectively enhance individual soldiers 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 录第1章 绪论11.1研究背景及意义11.2国内外研究现状11.2.1 外骨骼机器人11.2.2 驱动方式61.3本论文的主要内容7第2章 下肢外骨骼机器人总体方案92.1人体运动学分析92.1.1人体基本面与轴92.1.2人体下肢运动学分析102.2军用柔性下肢外骨骼机器人总体方案132.2.1 设计原则与要求132.2.2 尺寸设计及外观设计方案142.2.3 驱动与传动方案152.3 本章小结16第3章 下肢外骨骼机器人结构设计173.1髋关节173.2膝关节203.2.1 主动自由度设计203.2.2 绳驱结构设计213.3踝关节213.4 非关节处243.5 本章小结26第4章 下肢外骨骼机器人结构校核274.1重要轴、连接件的载荷分布274.1.1 髋关节处274.1.2 踝关节处284.2 轴的校核294.2.1 轴的强度校核294.2.2 轴的刚度校核304.3关键非规则零部件静力学分析324.4本章小结34第5章 总结与展望355.1总结355.2展望36参考文献37致 谢39第1章 绪论1.1研究背景及意义随着科技的发展，人机智能，人工协调技术的日益跟进，更多的机械智能装备被广泛应用于军事作战，而在单兵作战和边境巡逻等军事行动中，士兵可持续作战能力起到了至关重要的作用，利用智能装备加强单兵作战能力已成为各国广泛采用的军事手段，机械动力外骨骼机器人1作为直接加强单兵作战的一种智能装备，其发展刻不容缓。柔性下肢外骨骼作为机械动力外骨骼系统一个极具前景的方向，其在辅助士兵进行军事行动方面发挥着至关重要的作用。下肢外骨骼通过对下肢提供助力来减少士兵行动时的力量损耗，同时下肢外骨骼最终会延续到地面，因此它还可以用来传递载荷。因为军用外骨骼必须是灵活和顺从的，因此下肢外骨骼的自重应有所限制并且其运动不应当阻挡人体运动。军用下肢外骨骼机器人的使用目的在于为穿戴士兵提供移动辅助并降低移动的代谢成本即携带装备和外骨骼重量的士兵应该比携带装备消耗更少的能量。而现阶段大多数外骨骼机器人仅能各自单独实现移动助力和重物托载功能，因此应用领域只能受限于康复医疗及工业作业。作为一个复杂系统，外骨骼机器人的研究领域属于学科交叉的复杂领域，其功能与性能的多样化也得益于其它科学研究的推进，例如软体机器人与外骨骼的结合2，新智能控制技术与外骨骼的结合3。而现阶段，轻量化始终是外骨骼机器人向前发展的首要前提，更加贴合人体运动始终是其向前发展的最终目标。1.2国内外研究现状1.2.1 外骨骼机器人对外骨骼的研究探索最早起源于20世纪60年代美国。以将外骨骼作为增强人体机能的新式装备实际投入战场为目的,美国通用电气公司开始了增力型外骨骼的探索，研发了第一款外骨骼机器人“哈迪曼”，以此开启了外骨骼机器人研究的大门。随后日韩，欧洲等各国也相继开始了外骨骼的研究。目前，美国和日本对于外骨骼的研究处于世界领先地位4，而我国由于起步较晚，对于外骨骼的研究仍处于基础阶段，但国家对于外骨骼研究项目的扶持力度正日益增大。外骨骼机器人发展至今，其分类也已逐渐明显。从功能上来看，外骨骼机器人可分为助力增强型和康复型。助力外骨骼旨在增强穿戴者的运动能力，降低其运动时的代谢消耗；康复型外骨骼则用于病患残疾的康复训练、纠正步姿或者作为义肢帮助行走。从应用领域来看，外骨骼机器人可分为工业外骨骼机器人、医疗外骨骼机器人和军用外骨骼机器人。从装备范围来看，外骨骼机器人可分为上肢外骨骼机器人、下肢外骨骼机器人和全身外骨骼机器人。下面主要阐述军用外骨骼机器人的研究现状。2009年，美国加州大学伯克利分校与马丁公司联合研发制作出一款下肢外骨骼机器人HULC5，如图1.1所示。HULC采用液压驱动方式，液压系统位于关节之间即小腿和大腿处，其原理是利用液压力代替小腿大腿肌肉用力。虽然HULC极大得改善了外观尺寸和液压系统效率，但其质量仍然高达32kg。图1.1 HULC同年9月,俄罗斯第三中央研究所研究出“勇士-21”外骨骼系统6，如图1.2所示。“勇士-21”系统包括机械结构部分及相应的动力设备，不同点在于“勇士-21”带有机械外框用于承载背包重量，背包中装有液压传动系统和箱式微型空速传感仪。“勇士-21”外骨骼系统主要用于全面提升士兵运动能力，士兵在装备好这套系统后满负荷行进时速度可达到16公里/小时。这套外骨骼的特点在于材质，其表面金属采用纳米技术，因此大大减少了外骨骼重量。但“勇士-21”外骨骼系统有一项其他外骨骼的共性问题，能源问题。外骨骼系统的动力能源应满足功率大、续航性能好且无噪音的特点，而“勇士-21”的续航能力仅有几十分钟。 图1.2 “勇士-21” 图1.3 “Hercule”2011年，法国武器装备总署发布了一款由法国RB3D公司开发的动力下体外骨骼“Hercule”，如图1.3所示。“Hercule”最初是一个联合军事/民用外骨骼项目，但现在专门用于平民工作和工业作业。它是一种动力腿外骨骼，由两条机械腿和一个水平承重支架组成，旨在减轻工人的负担（包括其他可能的应用）。Hercule的独特之处在于，如任务所需它可以在操作员的前面或后面使用。RB3D正在继续改进Hercule及其运动控制软件。在巴黎举行的2016年Inno Robo - 人体机器人活动中，该公司展示了其新的外骨骼Exo Push。它体积更大，背包可负载容量也变得相当大。 图1.4 2013年“Exosuit” 图1.5 2018年“Exosuit”2013年，美国哈佛大学创造性得设计研发了一款新式外骨骼“Exosuit” 7，如图1.4所示。“Exosuit”引入柔性外骨骼的概念，其特点在于全柔性，它摒弃了以往刚性外骨骼的特征，将外骨骼机器人表面金属材料的支撑全部换成了柔软材料（如织布、棉、纤维）。“Exosuit”外骨骼的理念在于“使外骨骼能像衣服一样穿在身上”。其采用线绳末端牵引驱动外骨骼进行助力，所有的电源控制模块等都置于背包背于身上，这样的设计使得“Exosuit”人机协调性非常高（因为柔性材料是可以完全贴合人体运动进行变形的），具有质量轻、舒适度高、穿脱快捷、便携等优点，非常适用于战场上快速作战的环境。但同时它也存在着效率低、无法承重等不可忽略的缺陷。2018年“Exosuit”在改进外观和控制方式后得到了进一步的完善，如图1.5所示，但仍未有办法解决上述缺陷。2017年，为了解决刚性外骨骼与柔性外骨骼承重能力与人机协调的冲突，韩国三星公司先进制造部门研发了一款名为“S-Assist” 8的下肢柔性外骨骼，如图1.6所示。“S-Assist”采用刚性材料作支撑，使外骨骼承载的重物力导至地面，但精妙之处在于其在膝关节加入了可被动适应人体膝关节运动的变瞬心机构，在很大程度上增强了人机协调性。“S-Assist”采用电机加绳驱的驱动方式通过驱动关节旋转来对穿戴者施加助力，这使得助力效率非常之高。但由于结构复杂，外骨骼整体质量仍然偏重。（a）（b）图1.6 “S-Assist”2018年，在莫斯科国际军事技术论坛上，俄罗斯军事公司TsNiiTochMash展出了其开发Ratnik-3“未来士兵”套装，如图1.7所示。这款外骨骼套装由钛合金制成，并附有一层防弹衣，外骨骼表面全面覆盖士兵身体，防护范围大，防护能力强。另外，该款外骨骼机器人配置的背包可以承受50公斤的重量，但电源储存不足的问题限制了其大量投入战场应用。 图1.7 “未来士兵”套装国内的军用外骨骼机器人发展仍然处于实验室研发阶段，就关键技术和工业造型而言与美日等外骨骼机器人先进的国家还有一段距离。2004年，中国科学研开始开展军用外骨骼机器人相关研究，并研发出一款以伺服电机驱动的外骨骼机器人9，如图1.8所示。这款外骨骼在髋关节设置了3个自由度，在膝关节设置有1个自由度，在踝关节也设置有1个自由度，同时他还在足底设置有1个自由度。通过外骨骼上的传感器获知人体运动信息从而对电机进行控制。图1.8 中科院外骨骼机器人1.2.2 驱动方式军用下肢外骨骼机器人的主动驱动方法有多种选择，常见的驱动方式有：液压气压驱动、电机直接驱动关节、电机带动绳子驱动。1） 液压气压驱动 液压气压驱动常见于最早一批研究的军用外骨骼机器人，由于人体在运动时肌肉会提供非常大的力，而早期外骨骼的想法是对人体大小腿肌肉进行助力，由此需要外骨骼系统能提供足够大的力，所以常采用液压气压驱动。气压驱动结构相对简单，但缺点在于控制精度低、整体结构体积过大，不适合现实应用，因此在往后发展的过程中，这种驱动方式被逐渐摒弃，外骨骼的驱动方式更加青睐于电机驱动。直到2010年随着外骨骼机器人柔性概念的引入以及软体机器人技术的日益成熟，液压气压驱动在改进尺寸设计后又重新被采用，其主要用于驱动软体机器人部分从而驱动外骨骼机器人，如图1.9所示，为上海交通大学与掣京公司联合研发的软体康复机器人手套。图1.9 软体康复手套2） 电机直驱电机驱动是现今外骨骼机器人普遍采用的驱动方式之一。该种驱动的盛行主要得益于人们对助力对象的改变。研究发现，人体在运动过程中是通过肌肉产生足够大的力来驱动关节转动。因此，可以让外骨骼机器人的助力点直接作用于关节，通过电机产生的扭矩来驱动关节旋转。电机直驱的优点在于驱动高效率且便于控制，但会造成驱动的外骨骼机器人关节部位体积较大（电机行业有更多的超薄电机正在被研发制作，此问题有朝一日可以完全解决）。同时电机的转动惯量大，结构复杂，仍具有一定安全隐患。3） 绳驱为了解决电机直驱的问题，通过电机带动绳子驱动的绳驱方式也被普遍采用。由于电机作为驱动源往往置于背后或者腰间的相对固定位置，有助于增加穿戴人机界面的紧凑性；在人机交互的过程中提供更好的舒适性和人体工程学特性10，也极大得提高了驱动模块的安全性能，同时线绳一端通过线轮固定在电机端，另一端作用在驱动对象上，可以使驱动器传递到在关节处的功率密度增加5倍并且提供更高的接触刚度11。柔性外骨骼机器人的驱动方式一般都采用此种驱动方式，本文所采设计的军用柔性下肢外骨骼机器人的驱动方式也是绳驱。下面对上述三种外骨骼机器人驱动方式的优缺点进行总结见表1.1。表1.1 各种外骨骼驱动方式的优缺点驱动方式优点缺点气压液压驱动供力大，功率大价格便宜，清洁能源效率低，噪音大，体积大，安全性能低，控制精度低，结构复杂电机直驱简单直接，效率高，控制精度高体积大，安全性能低，结构复杂绳驱安全性能高，人机协调性能好，功率密度大需要合理的布线结构，线绳选择要求较严格1.3本论文的主要内容军用下肢外骨骼由于使用环境的特殊要求，其既需要尽可能得拥有柔性外骨骼的柔性特征，又需要承担起刚性外骨骼的载重功能。本文基于这样一款军用柔性下肢外骨骼的结构设计，开展了一下研究：1） 整体方案设计。结合人体功能学确定军用柔性下肢外骨骼的总体方案。2） 机械结构设计。在三维建模软件上完成详细建模设计。3） 零件校核。通过有限元软件对关键部位进行受力分析校核。第2章 下肢外骨骼机器人总体方案为使外骨骼机器人与单兵的协调性达到最优，外骨骼机器人的设计尺寸应尽量贴合人体尺寸，其运动轨迹应尽量符合人体正常运动，人机物理交互界面应尽量友好，因此需要进行人体工程学分析研究。2.1人体运动学分析2.1.1人体基本面与轴为了研究人体下肢运动学，需要了解人体解剖学中人体基本轴和基准面（如图2.1所示）的定义12 如下：图2.1 人体基本轴与基本平面垂直轴（vertical axis）：为上自头侧，下至尾侧，并与地平面相垂直的轴。矢状轴（sagittal axis）：是指从前至后，同时与垂直轴成直角交叉的轴。 冠状轴或额状轴（coronal axis）：为左右方向与水平相平行与前两个轴相垂直 的轴。 矢状面（sagittal plane）：是指前后方向，将人体分成左、右两部分的纵切面， 该切面与地平面垂直。经过人体正中的矢状面为正中矢状面，该面将人体分成左 右相等的两部分。 冠状面（coronal plane）：是指左右方向，将人体分为前后两部分的纵切面，该 切面与矢状面及水平面相互垂直。 水平面（horizontal plane）：也称横切面，是与地平面平行将人体分为上、下 两部的平面，该平面与冠状面和矢状面相互垂直。2.1.2人体下肢运动学分析在人前进过程中，下肢通过腿肌带动各关节的旋转，从而进行双腿的弯曲和伸直，人体整体始终处于平衡重心前移失衡支撑平衡的运动状态。因此人在运动过程中无论是慢走还是跑步都包含着抬腿与支撑两项助力项，对应着各关节的正逆旋转运动。下肢关节包含着髋关节、膝关节、踝关节，下肢结构解剖图如图2.2所示。图2.2 下肢解剖图1） 髋关节运动特征分析髋关节是全身负荷受力最大的关节。髋关节连接了人体的上躯干和下肢，因此具有很大的活动度和非常高的稳定性，如图2.3所示为人体髋关节解剖图。其具有内/外展、内/外旋、屈/伸多个自由度。但为了防止髋关节过度运动所造成的损害，其运动范围应局限在屈曲-10120、外展020、外旋-2020，即可保证日常活动的进行，如图2.4所示。在承重和步行中髋关节运动占有非常重要的位置，其运动特征如下：支撑前期为一侧腿着地支撑，一侧腿刚提起状态，此时，一侧髋关节开始屈曲，一侧髋关节开始伸展，一直持续到支撑中期，支撑中期为一侧足跟着地，一侧足趾着地状态，然后进入摆动期。摆动期一侧髋关节以伸展为主，另一侧以屈曲为主，随后（摆动之后），进入支撑后期。髋关节上述运动在行走时不断循环反复。其中大腿肌肉作用力较大的时刻为支撑前期做伸展运动的的一侧髋关节初伸展初期及摆动期后期。图2.3 髋关节解剖图图2.4 髋关节运动形式2） 膝关节运动特征分析膝关节是由胫股关节和髌股关节组成的双关节结构，其中，内侧胫股关节面、外侧胫股关节面和髌股关节面这三个关节面均围在同一个关节囊内，如图2.5所示。膝关节在屈膝活动中开始以滚动为主，后以滑动为主，其运动表现为膝关节沿垂直轴方向变瞬心的旋转运动。膝关节伸直时不能沿冠状轴做旋转运动；屈曲90后沿冠状轴约有30的旋转活动。膝关节这种旋转活动是伴随膝关节屈伸活动进行的，为不随意运动，且屈曲后运动范围在日常行走与负重中少有体现，因此运动过程中膝关节可以近似得被认为只有一个自由度，如图2.6所示。 图2.5 膝关节解剖图 图2.6 膝关节运动形式3） 踝关节运动特征分析踝关节是连接足与下肢的重要关节，在人体运动中，踝关节的旋转运动最为频繁，同时踝关节具备多个自由度，但旋转安全角度范围都比较小。如图2.7所示为踝关节的结构图及踝关节的运动形式图。 （a）（b）图2.7 踝关节解剖图及运动形式下肢关节运动范围详见表2.1。表2.1 下肢各关节运动范围 运动类型功能性运动范围髋内旋/外旋-3060屈/伸 -30120外展 090膝屈/伸 0130踝背屈/拓屈-2040内收/外收-20202.2军用柔性下肢外骨骼机器人总体方案2.2.1 设计原则与要求本设计方案有以下几点要求：1）安全性：军用柔性外骨骼机器人设计的首要准则必须是完全保证穿戴者的安全。外骨骼机器人与穿戴者之间的安全隐患在电机驱动的主动关节处，为了防止电机故障转动导致关节旋转角度超过人体关节旋转安全角度，主动关节旋转副处的机械限位尤其必要；对于人体关节本身的非安全自由度，例如踝关节的内收/外展（会导致崴脚），应在外骨骼机器人设计时取消或调整其运动范围。其次，在外骨骼机器人与人体直接连接处，应辅以柔性材料以避免外骨骼与人体硬性接触造成的冲击伤害。2）轻量化：为满足军用柔性下肢外骨骼机器人的便携与快速穿脱功能，应尽量减轻外骨骼的质量与体积，轻量化外骨骼同时也是为了使外骨骼更加紧凑，提高更控制的精确度和更优的人机交互界面。3）柔性：军用柔性下肢外骨骼中柔性是最大的特征，同时也是外骨骼系统发展中不可或缺的考虑要素。“柔性”是指外骨骼机器人应尽量顺应人体运动趋势，能实现各关节“同步”伴随运动。在人体运动时，外骨骼机器人不应当产生阻碍运动。“柔性”既是为了安全性能和人机交互着想，也是为了提高外骨骼的助力效果。因此此特性是本设计的重点。2.2.2 尺寸设计及外观设计方案通过对人体下肢的长度测量，参考正常成年人下肢尺寸图（如图2.8所示），本方案设计出如图2.9所示的军用柔性下肢外骨骼，除了下肢各关节和关节连接段，为了能将外骨骼自重及其所负荷重量全部支撑到地面，因此踝关节仍需要通过连接向下延伸到脚板处。在满足体积小且结构紧凑的前提下，考虑到人体尺寸，本设计的髋关节直径为60mm，踝关节的直径为35mm，大腿段即髋关节到膝关节上连接的直线距离为290mm，小腿段即膝关节下连接到踝关节的直线距离为370mm，踝关节到脚底板的直线距离为105mm。图2.8 正常成年人人体尺寸图图2.9 军用柔性下肢外骨骼模型图由于每个成年人的具体尺寸设计都不完全相同，其差别主要体现在各关节之间的直线距离，因此本方案在大腿段和小腿段的设计增加了可粗调长度的连接，如图2.10所示。值得一提的是，膝关节处设计本身为柔性关节设计，其尺寸可根据人体尺寸进行自适应得连续调节，所以外骨骼的整体长度也可以进行自适应得连续调节，但受膝关节的尺寸约束，其自适应调节的范围较少。出于对结构简化的要求和膝关节自适应调节长度的局限性，大小腿的长度调节为间断式调节而非连续性调节。大腿段可调节的长度范围有5级，分别为10mm、20mm、30mm、40mm、50mm；小腿段可调节的长度范围有2级，分别为10mm、20mm。 图2.10 大腿小腿段可调长度连接结构2.2.3 驱动与传动方案考虑到外骨骼轻量化的要求，应尽量减少电机的使用。由于单兵行走过程中膝关节处的运动最为频繁，因此本设计仅将膝关节作为主动关节，对其驱动助力，其余各关节自由度都依据其功能需求设计为弹性被动自由度或非弹性被动自由度。如表2.2所示为军用柔性下肢外骨骼机器人各关节自由度选择。表2.2 外骨骼机器人各关节自由度选择 主动自由度非弹性被动自由度弹性被动自由度髋屈/伸内收/外展内旋/外旋膝屈/伸踝背屈/拓屈内收/外展综合各种常见驱动方式优缺点，本设计方案选择绳驱驱动。绳驱驱动的重点在于布线设置即电机端到执行端的过度装置。为了解决绳线松弛问题，需要在整个过度装置中安装线轮以张紧线绳，如图2.11所示，两条线绳以粗线表示。 图2.11 绳驱线绳过度装置2.3 本章小结 本章节结合人体运动学及人体相关尺寸，对军用柔性下肢外骨骼机器人的整体设计进行了描述：1）本方案的设计原则，始终以加强人机交互安全性和舒适性作为核心理念；2）外骨骼机器人的整体尺寸选择；3）为提高外骨骼通用性而设计的长度级数调节连接；4）外骨骼主被动关节的选择；5）绳驱方案中绳子的布局以及绳线的传动装置。后续将会对各部分结构内容分别进行具体的介绍。第3章 下肢外骨骼机器人结构设计在满足军用柔性外骨骼机器人设计原则下，应着重考虑其功能性。柔性外骨骼机器人的实用性与各结构细节设计息息相关，机构设计是产品实现的重要环节。本章节阐述该外骨骼机器人各部分详细设计，包含各关节主/被动自由度的选择原则和结构设计、关节限位装置、绳线传动装置和长度调节装置。3.1髋关节如前文所述，髋关节连接了人体的上躯干与下肢，是全身最稳定的关节，其具有内/外展、内/外旋、屈/伸三个功能性自由度。为了顺应人体髋关节运动，外骨骼髋关节的设计也应采用三自由度设计。同时，由于髋关节三个自由度正逆旋转运动均为有效运动，因此髋关节所有自由度均设计为非弹性自由度，如图3.1所示为外骨骼机器人髋关节整体模型。图3.1髋关节整体模型为了使得外骨骼机器人与穿戴者的人机误差达到最小，外骨骼机器人髋关节的旋转中心应全部与人体髋关节的旋转中心对齐。因此，内收/外展和屈/伸的外骨骼旋转关节分别置于人体左侧与后侧，其轴线完全对准髋关节旋转轴线，而内/外旋自由度旋转由于其特殊性，需要另外布置为RCM机构。1） 内收/外展设计要求：人体下肢带动机械关节做内收/外展运动时，人机误差应尽量达到最小。内收/外展的设计方案如图 3.2 所示。转动关系设计：髋连接板相对于腰带连接绕轴发生相对旋转。轴向定位设计：腰带模块连接位于轴的中间部位，连接两侧装有止推轴承，两侧髋连接板与止推轴承相贴，然后挡边轴承装在髋连接板的两侧，以实现中间零件的轴向定位，最后由轴两端末的卡簧，实现轴上全部零件的轴向定位。图3.2 内收/外展自由度结构图2） 屈/伸：设计要求：人体下肢带动机械关节做屈/伸运动时，人机误差应尽量达到最小。屈/伸的设计方案如图 3.3 所示。转动关系设计：髋连接板通过螺纹连接与轴固定，滚动轴承内圈夹装在轴上，大腿连接板夹装在轴承外圈，大腿连接板可通过轴承相对于轴作旋转运动，即大腿连接板相对于髋关节连接板旋转。轴向定位设计：由于髋连接板与轴连接固定，所以髋连接的轴向定位得以保证。大腿板与滚动轴承通过轴肩定位，防止其向左侧位移。轴右侧末端装有卡簧，此时，轴上全部零件实现轴向定位，阶梯轴的结构如图3.4所示。 图3.3屈/伸自由度结构图图3.4 髋关节阶梯轴结构图3）虚拟旋转中心（RCM）机构人体髋关节内/外旋自由度的旋转轴线在人体大腿内部，所以外骨骼髋关节旋转副无法通过直接放置对齐人体旋转轴线。为解决以上问题，本方案设计了拥有虚拟旋转中心（RCM）的结构，如图3.5所示。图3.5 RCM结构图RCM机构由六根杆组成，其本质是一个平面六杆机构。其原理利用了平行四边形性质，由两个相接的平行四边形组成。如图3.6所示，平行四边形ABCD与平行四边形ABCC相接于BC边，AB边与腰带相连，因此AB边固定，AB端与髋关节屈/伸自由度旋转副相连，为活动端，AB边与AB边的延长线交于O点，O点为固定点且在人体髋关节内/外旋自由度的旋转轴线上。其原理如下：由于四边形ABCD为平行四边形，所以边AB始终平行于边AD，边AD始终平行于边BC；又因为四边形ABCC为平行四边形，所以边CC（BC）平行于边AB，因此边AD平行于边AB（OA），则ADAO组成一个平面平行四边形，此时，AB始终绕定点O旋转，O点为整个机构的虚拟旋转中心。图3.6 RCM机构原理图4)限位设计由于外骨骼机器人髋关节为非弹性被动自由度设计，所以其旋转运动完全由人体下肢带动进行，瞬间旋转角度始终为人体下肢髋关节的旋转角度，不会超处人体关节安全旋转角度范围，因此各自由度旋转副不需要增加旋转限位。3.2膝关节膝关节是人体运动过程中使用和磨损最频繁的关节，且其自由度近似被认为仅有屈曲单个自由度，因此选择膝关节的的驱动作为主动驱动。但是，膝关节的运动并非多单纯的定点旋转运动，其本身是个复杂的变瞬心运动，为了顺应人体运动趋势，本文设计出一款凸轮扇形变瞬心结构，如图3.7所示。 图3.7 膝关节整体模型3.2.1 主动自由度设计柔性外骨骼机器人膝关节由多个如图3.8所示的凸轮结构组成，其闭合与张开状态如图3.9所示，其限位由凸轮槽实现。 图3.8 膝关节处凸轮结构为了顺应人体膝关节变瞬心运动，外骨骼机器人膝关节运动也应为变瞬心运动。其柔性原理如下：外骨骼机器人膝关节可以通过连接多个滚动凸轮产生多个不同的旋转曲率，因此在人体膝关节旋转时，外骨骼膝关节中心的位置和状态可以随时得到调整，外骨骼膝关节便可以弯曲到一个与人体膝关节非常相似的曲率。此外，在进行凸轮设计时，凸轮啮合曲线为凸轮零件右下侧底面轮廓线与凸轮零件右上侧槽的底面轮廓线的啮合。通过调整凸轮零件力矩臂的长度还可以实现高扭矩的传递，而且由于每个滚动凸轮相当于沿圆弧运动，因此能量损失最小。 （a） （b）图3.9 膝关节闭合与展开状态图3.2.2 绳驱结构设计柔性下肢外骨骼机器人膝关节为主动驱动，采用电机加绳线传动的驱动方式，其布线格局与线绳过度装置如图3.10所示。图3.10 布线结构图其驱动原理如图3.11所示，通过电机正反转来控制两条绳线在过度机构中的总线长，当线绳在过度机构中的总线长缩短时，便会驱动膝关节展开与闭合。图3.11 绳驱原理图3.3踝关节 人体踝关节自身有3个自由度，分别为内/外展、背屈/拓屈、内旋/外旋，其3个自由度在日常人体运动中往往是辅助人体运动的自由度。内/外收自由度为危险自由度，很容易造成人崴脚受伤，尤其是在人体穿戴外骨骼进行侧向运动时，由于外骨骼机器人所负荷重量较大，在重力作用下会轻易扭伤人体踝关节。但兼顾到人体部分越障行为中，需要侧身微倾，此时要求踝关节必须有内/外收自由度，但运动范围较小，因此本方案将踝关节内/外收的自由度设计为弹性被动自由度。当人体侧身倾斜时，人体脚踝会受到外骨骼所提供的弹性回复力，以保护人体踝关节不被扭伤。内/外旋自由度为牵连性自由度，运动范围很小，其往往用于辅助人体下肢旋转，而人体下肢旋转主要由髋关节内/外旋运动完成。因此出于结构简化的目的，本方案取消下肢外骨骼机器人踝关节的内/外旋自由度。背屈/拓屈自由度为功能性自由度，脚踝的背屈/拓屈运动并非是有效运动，其往往是被动运动。当人体重心前移时，在重力作用下踝关节会发生背屈/拓屈，人体会消耗能量以维持下肢平衡；当人体行走下肢末支撑时期，受地面支持力踝关节也会发生背屈/拓屈，此时人体消耗能量以支撑人体重量。因此本方案将踝关节背屈/拓屈自由度设计为弹性被动自由度。当人体向前/后倾斜时，外骨骼机器人所提供的弹性回复力可用于支撑人体或维持平衡，以达到减少人体代谢助力效果。踝关节整体模型如图3.12所示。 图3.12 踝关节整体结构图1） 内/外收设计要求：人体下肢在带动机械关节做内/外收运动时，机械关节应提供有 效阻力。内收/外收的设计方案如图 3.13 所示。转动关系设计：小腿末板与小腿固定，其中央设计有一个圆柱形凸台作为轴，凸台轴与轴承内圈配合，旋转板与轴承外圈配合。旋转板性对于凸台轴通过轴承旋转实现内/外收自由度。同时，小腿末板两侧分别设计有销状凸台作为限位使用，如图3.14所示。轴向定位设计：凸台轴与小腿末板为一整体，因此凸台轴与小腿末板轴向相对位置固定；旋转板与小腿末板相贴合，最后端盖与凸台轴相连接并与旋转板贴合，由此实现旋转板的相对位置固定。弹性环节设计：弹性环节由旋转板弧形槽与小腿末板凸台间的两根弹簧实现。当无外力作用时，凸台与弧形槽上下两侧，左右两侧弹簧压缩量相同，此时，旋转板所受弹簧回复力平衡，旋转板处于水平位置且相对小腿末板静止；当人体施加外力，带动旋转板相对小腿末板旋转时，凸台在弧形槽内进行滑动，若旋转板顺时针转动，此时弧形槽与凸台间左下弹簧与右上被压缩变形，被压缩端提供弹性回复力，压缩量越大，弹性回复力越大。 图3.13 内/外收自由度结构图 图3.14 小腿末板结构图 2） 背屈/拓屈：设计要求：人体下肢在带动机械关节做背屈/拓屈运动时，机械关节应提供有 效阻力。背屈/拓屈的设计方案如图 3.15 所示。转动关系设计：限位块所在的零件与外骨骼机器人踝关节以上部分连接，脚支撑板与轴采用螺纹连接，因此轴与脚支撑板固定。限位块所在的零件与轴之间夹装有滚动轴承，因此限位块所在零件可通过轴承相对于轴作旋转运动，即限位块所在零件与脚支撑板作相对旋转运动。轴向定位设计：轴的设计如图3.16所示，脚支撑板与轴固定，限位块所在零件通过轴肩定位，不再有向右窜动的趋势；轴的右侧端盖与限位块所在的零件通过螺纹连接固定，端盖面到脚支撑板的距离刚好为总轴长，此时轴上各零件实现完全定位。弹性环节设计：弹性环节由轴右端的扇形弧面和限位零件内部槽间的两根弹簧实现，为了确保弹簧工作正常，弹簧的两端都有导向块作为弹簧导向。当踝关节上连接与脚支撑板相对静止时，踝关节内两弹簧压缩量完全相同，扇形轴面两端所受弹簧力相同，弹性单元不工作；当人体踝关节带动脚支撑板相对踝关节上连接作旋转运动时，若为顺时针旋转，脚支撑板带动扇形轴面相对限位块零件槽旋转，此时，踝关节内右侧弹簧压缩量减少，左侧弹簧压缩量增加，左侧弹簧的弹性回复力大于右侧弹簧的弹性回复力，则轴整体受左侧弹簧的弹性回复力以阻碍轴的顺时针运动，此时整个柔性单元会提供一部分支撑力。此外，为了防止所负载的力超过弹簧可提供的极限弹性回复力，该关节内设计有限位块，轴（脚支撑板）相对于上连接板的旋转角度只能为-2020。 （a） （b）图3.15背屈/拓屈自由度结构图图3.16 踝关节轴结构图3.4 非关节处1）大腿段：外骨骼机器人大腿段的主要作用是连接外骨骼机器人髋关节和膝关节，常用连接形式为简单直接的单侧面连接。本方案出于造型设计和正面防护的目的，将大腿段设计为前侧面连接。对比大腿段前侧面连接与单面连接，前侧面连接中外骨骼机器人与人体接触面更大，同时前侧面连接呈包裹人体状，因此在一定程度上加强了人机连接的紧凑性，如图3.17所示。 图3.17 大腿段结构图 图3.18 小腿段结构图2）小腿段：外骨骼机器人小腿段的主要作用是连接外骨骼机器人膝关节和踝关节，本方案对外骨骼机器人小腿段的设计如图3.18所示。3）脚底支撑：为了将整体外骨骼机器人重量及其所负荷质量导到地面支撑，本方案针对脚底支撑设计出如图3.19所示的机构，设计脚底支撑的目的亦是为了防止下肢外骨骼机器人的纵向窜动，同时增加阻尼轴，使脚底板可以调整角度。图3.19 脚底支撑结构图为了提高下肢外骨骼机器人的通用性，本方案在脚底支撑形式的选取上抛弃了常见的支撑形式，即特殊定制一双军靴，通过改造军靴将其固定至外骨骼机器人上。本方案采用了半开放支撑形式，穿戴者只需穿着自己的鞋子，踩在底部脚板上，然后将绑带固定至鞋面即可完成固定。3） 人机连接：由于外骨骼机器人始终是穿在人体身上的，所以人机连接的设计必不可少。外骨骼机器人由刚性金属材料制成，一些关节部位若直接与人体接触，遭遇巨大冲击时难免会造成穿戴者不适甚至受伤，因此本设计方案在关键接触部位，附上一层如图3.20所示的海绵软垫。同时考虑到穿戴舒适性，连接部分采用如图3.21所示的柔性连接，此种连接可调节长短范围，因此有很强的适用性。 图3.20 海绵软垫 图3.21 卡扣连接3.5 本章小结本章节对军用柔性下肢外骨骼机器人做了详尽的描述：1）髋关节，膝关节，踝关节主/被动，弹性/非弹性自由度选择的原因；2）髋关节，膝关节，踝关节各自具体的结构特征，髋关节设计有RCM机构极大得减少了人机误差，膝关节凸轮机构使外骨骼机器人整体呈柔性输出，踝关节有柔性单元分别起到了被动保护与助力的效果；3）非关节处大腿段的前侧弧面设计以及大小腿段、人及连接处长度调节设计使外骨骼机器人的通用性更强，外观科技感更强烈。第4章 下肢外骨骼机器人结构校核为了保证所设计的机械零件能安全的、可靠地工作13。必须对设计的机械零件进行结构校核，通过校核结果对设计进行优化改进。由于膝关节为柔性结构，故暂不对其进行强度校核，踝关节作为外骨骼机器人所有重量的负荷关节，其受力最大，因此需要重点校核。轴类零件或规则零件本文通过拟合公式进行强度与刚度校核；对于非规则零件，由于公式计算过于复杂，本文通过有限元分析14得出零件的应力应变图以校核刚度强度。4.1重要轴、连接件的载荷分布4.1.1 髋关节处由于下肢外骨骼机器人髋关节以上仅有背包模块，因此其主要承受人体额外负荷重量。由于本方案运动指标为下肢外骨骼机器人可承载人体额外负荷15kg质量，不妨令髋关节处所受载荷质量为15kg，取重力加速度为9.8m/s2。外骨骼机器人髋关节中屈/伸自由度轴在大腿连接板与髋连接板处于竖直位置时所受力最大，其受力分析如图4.1所示，其等效力学模型如图4.2所示。 图4.1 髋关节屈/伸自由度轴受力图 图4.2 髋关节轴简化力学模型根据力与力矩平衡得： (4.1) 式中：Le0 轴的等效质心至轴与髋连接板连接面的距离，Le0=6mm；Le1 大腿连接板以下所有零件的等效质心至轴与髋连接板连接面的距离，Le1=15mm；Ge0 轴的等效重力，Ge0=0.196N；Fe1 大腿连接板以下所有零件自重对轴的反向作用力，Fe1=49N；Fsp1 轴与髋连接板螺纹连接处螺钉对轴的支持力，N；Tsp1 轴与髋连接板螺纹连接处螺钉对轴施加的力矩，Nmm。4.1.2 踝关节处外骨骼机器人踝关节作为下肢外骨骼机器人与地面接触的支撑关节，其承受着下肢外骨骼机器人踝关节以上上的全部质量约28kg，单条腿所承受质量为14kg，单侧踝关节所承受质量为7kg。踝关节侧后的连接段为悬臂梁，应力较为集中，其受力分析如图4.3所示，其等效力学模型如图4.4所示。 图4.3 踝关节侧后连接板受力图 图4.4 踝关节连接简化力学模型以踝关节侧后连接板和踝关节的连接为坐标原点，以踝关节内/外收自由度旋转轴线为x轴，踝关节背屈/拓屈自由度旋转轴线方向为y轴，踝关节竖直方向为z轴，建立空间坐标系。根据力与力矩平衡得： (4.2)在此处键入公式。式中：Lx4 踝关节侧后连接板质心到y轴的距离，Lx4=23.65mm；Ly4 踝关节侧后连接板质心到x轴的距离，Ly4=25.79mm；Lx3 踝关节侧后连接板与小腿连接板连接面到y轴的距离，Lx3=25 mm；Ly3 踝关节侧后连接板与小腿连接板连接面到x轴的距离，Ly3=35mm；Ge4 踝关节侧后连接板的等效重力，0.294N；Fsp3 连接板对小腿连接板以上外骨骼机器人所有零件及所有负载支持力的反向作用力，Fsp3 =68.6N；Fsp2 踝关节对连接板的支持力，N；Txz2 踝关节对连接板的在x-z平面内的力矩，其方向由x轴指向z轴，Nmm；Tzy2 踝关节对连接板的在y-z平面内的力矩，其方向由y轴指向z轴，Nmm。4.2 轴的校核4.2.1 轴的强度校核本方案中所有轴均承受弯矩，应按弯扭合成强度条件计算，其强度条件为： (4.3)式中：ca 轴的计算应力，MPa；M 轴所受的弯矩，Nmm；T 轴所受的弯矩，Nmm；W 轴的抗弯截面系数，mm3；-1 对称循环变应力时轴的许用弯曲应力，MPa。其中，对于圆形截面，轴的抗弯截面系数计算公式为： (4.4)式中：W 轴的抗弯截面系数，mm3；d 轴的截面直径，mm。髋关节屈