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穿戴 穿着 健身器 设计

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毕业设计（论文）中期报告 题目： 穿戴式健身器的设计、建模与 1. 设计（论文）进展状况： 首先确定了实验所需数据。 根据人体形体结构的特点，上肢与身高的比值约为 固和 尺骨的长度和与上肢的比值约为 骨长与尺骨长的和与上肢的比值约为 臂、前臂、手掌的比值约为 么身高 人，大臂长度为 321臂长 263高 人，大臂长度为 276臂长度为 226 颈部：先置于中立位，颈部活动度为：前屈 35 45 ，后伸 35 45 ，左右侧屈各 45 左右旋转各 60 80 腰部：采取直立，腰伸直自然体位，其活动度为：前屈 90 ，后伸 30 ，左右侧屈各 30，左右旋转各 30 。 肩关节：先置于中立位，其活动度为：前屈 90 ，后伸 45 ，外展 90 ，内收40 ，内旋 80 ，外旋 30 ，上举 90 。 肘关节：先置于中立位，其活动度为：屈曲 140 ，过伸 0 10 ，旋前 80 90 ，旋后 80 90 。 腕关节与手：腕关节先置于中立位。其活动度为：背伸 35 60 掌屈 50 60 ，桡偏 25 30 ，尺偏 30 40 。 由 人体解剖学 1可知，人体上肢的运动主要由 肩关节 、 肘关节 和 腕关节 的 相对运动 来实现。 依据人体上肢的驾驶 动作分析 和 机器人 机构学 原理 2，可将人体上肢系统简化为由 3 个 连杆 (上臂、 前臂 和手腕 ) 组成的 铰链 机构。可用上臂水平屈伸、上臂侧举上臂旋转、 前臂 弯曲和 手腕弯曲 (见图 1) 表达的 5自由度 来建立人体上肢运动模型。若以 别代表 5自由度 ，则通过这些 自由度 动作就可实现人体上肢对操作域空间目标 (操控元件 ) 的拾取 (操作 )。其 动作可以实现肩部 球面副 运动， 作可实现 肘部 手臂的运动， 作可实现腕部手掌的运动。 根据 机器人 机构学 及其回转 变换矩阵 原理 2，以人体肩部球窝关节中心为坐标原点， 取人体上肢运动空间 坐标系 (见图 2)，其中 坐标系 o0 x0 y0 基础 坐标系 ， o1 x1 y1 o5 x5 y5 各 局部坐标系 ；坐标原点 合在 肩 关节 处， 立在 肘关节 上， 立在 腕关节 上， 立在掌心上； 臂长 、 前臂长 和掌心距。根据图 2所示的坐标系，采用 4 4 阶位姿矩阵 示初始位置时坐标系 oi x i y i z i 在坐标系 1 1 1 1 中的位姿，则在图 2 初始位置时可以得到相应的 4 4 阶位姿矩阵 生理学 知识及人体的实际动作姿态考虑，本文规定 肘关节 在 x3 o3 面内与 x3 呈 45 。设 转动角度依次为 1 5 ，依据 变换矩阵 原理，即可得到 5 自由度上 肢动作的相应回转 变换矩阵 肢关节转动后的相应坐标系 oi x i y i z i 在 1 1 1 z i - 1中的位姿矩阵 i = 故可得到手部掌心相对于基础坐标系的位姿矩阵 T = Q 2 式中 : n、 o、 a 分别表示掌心 位置矢量 的位姿； 其次，确定了上肢运动规律曲线和所受力 如以手臂运动的仿真为例，设起始姿态和有关关节的状态为 b ， b 为具有六个分量的向量；到达目标位置时手臂的状态为 e 。 ，将 的各个分量)6,.,1i(i 规范化，使 1,0i 。设整个动作时间为，将时间 T 规范化，使动作期间任一时刻 1,0t 。 将 p 个样本输入网络，让网络进行学习，取 9p ，即输入 9个样本， 也就是完成某一动作过程中的 9 个姿态（包括起始和终止动作）。图 3 是与手臂运动有关的关节转动能量与时间的关系。 未能确定使用哪个软件进行建模 解决措施：在老师的指导纠正下进行了建模 第 11：确定数据，根据机械运动简图计算数据 第 14：根据所有数据和模型进行建模以及运动仿真 第 16 周：进行毕业设计总结，编写毕业设计论文，并作好答辩的准备。 指导教师签字： 年 月 日 毕业设计（论文）开题报告 题目： 穿戴式健身器的设计、建模与 真 1. 毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况） 目背景、研究意义 能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。纵观人类社会发展的历史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。能源的开发利用极大地推进了世界经济和人类社会的发展。自 2008年我国成功举办奥运会后健身在我国越来越流行健身房如雨后春笋般在我国发展，这是我国健身行业发展最强有力的后盾。根据测算每一个成年人锻 炼一小时消耗能量 h。那么如果一个健身房有 30台这样的设备每台每天工作 5小时，相当于为国家节约 对于有多个连锁分店的健身企业来说无疑是一个最为有效和最为简便的降低健身房的能源成本的方法。通过该设计旨在锻炼学生运用现代设计方法基本原理进行设计和工程分析，使学生受到机械工程师基本训练。 内外相关研究情况 健身器材或称为健身器械，就是用于人体健身的器材或器械。近十多年来，它在世界各国却有了极其广泛的应用范围。它不仅适用于人体的健身、健美，而且还广泛应用于群众性的体育锻炼、 专业运动的基础训练和体能训练、体疗康 - 1 - 复锻炼以及体育性的文化娱乐和体闲等方面。健身运动最早在美国兴起， 1998年美国健身产业的产值就己达到 631亿美元，甚至超过了石油化工 (533亿美元 )、汽车制造 (531 亿美元 )及航空、初级金属和木材加工等重要工业部门当年的产值，这一产值占美国当年 11. 3%，在国民经济中居 22 位。到 1999 年，美国健身产业的产值增加到 2000 亿美元，成为美国的支柱产业。伴随这一运动产生的健身器材行业也成为一种热门行业，至今仍方兴未艾。健身器材己在国际市场上立足了 20 多年，仅美国每年 就有 120 亿美元的销售额。 随着社会的发展，我国居民的生活水平不断提高，生活方式发生了相应的变化，体育生活逐渐进入到人们的生活方式之中。随着我国的家庭结构口趋小型化，家庭劳动社会化，以及五天工作制的实施，人们拥有了充足的余暇时间，同时，人们的思想观念口益理性化，“与其花 100 元治病，不如花 1 元钱防病”这种健康新理念的广泛传播，使越来越多的民众积极参与健身并为此投资。健身活动的升温，拉动了健身运动器材的俏销 2。 穿戴式健身器目前在国内外健身领域运用并不是很广泛，是一个新兴的需要开发的项目。可借鉴国内外 对于可穿戴式肢体机器的的原理与相关研究内容对其进行进一步的研究和创新。 2. 本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施 计 (论文 )的主要内容（理工科含技术指标）： 题目内容主要包括三个方面，专用穿戴式健身器的设计，建模和工程分析： A. 在设计方面要求依据设计参数，设计穿戴式健身器的方案，结构。 B. 在建模方面要求建立穿戴式健身器的实体装配模型。对实体装配模型进行工程简化。 C. 运动分析方面要求提取穿戴式健 身器的速度，加速度，特性。并输出运动规律曲线。 D. 健身器总重： 肢长度范围： 965肢髋关节摆动最大角度：40；腿肢膝关节转动角度范围： 20 腿肢踝关节摆动最大角度： 40；腿肢弹簧负载范围： 5N；腿肢弹簧可调力范围： 0用身高范围： 155 究方案 : 方案 A - 2 - 通过对人体全身大肌肉群锻炼运动的分析，对上肢下肢各大肌肉群单独的分析，设计独立机构方案和结构，各部分完成后进行 整体的连接和调整。 方案 B 参考国内外上、下肢可穿戴康复机器人的结构原理，加入肌肉训练的运动分析，进行设计和建模。 3. 本课题研究的重点及难点，前期已开展工作 本课题研究的重点：人体各大肌肉群的运动分析和机械原理的掌握与运用 难点：机构的运动分析与建模 前期已开展工作：查阅机械原理和健身器材以及肌肉运动分析相关资料，了解穿戴式健身器机构的组成及运动分析，为进一步周密的设计做好充分准备。 4. 完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写 ) 第 1 周：收集资料，借阅参考书，下载相关英文文献。 第 28 周：要求依据设计参数，设计方案，结构。 第 8 14 周：建立实体装配模型。对实体装配模型进行工程简化。 第 14 16 周：要求合理确定约束条件，用 件对实体进行运动以及特性曲线分析。 第 16 18 周：分析结论撰写论文。 5 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见） 指导教师： 年 月 日 - 3 - 参考文献 1 徐执陶 但斌 自行车蹬踏过程中肌肉运动分析 重庆大学振 动研完室 2 艾保全 (先菊，刘国涛，刘良钢，郑华 2 广东广州510275; 北武汉 430062) 肌肉运动的动力学模型 3 单大卯 人体门尸肤刃 L 肉功能模裂及其应用的研究 4 陈磊 可穿戴式下肢康复机器人的本体设计和步态规划 5 孙恒 陈作模 葛文杰 机械原理 6 an i 7 F, 971, 233: 533 一 538. 8 H, c;as an of J 1997, 3(1):47 一52. 6 所在系审查意见： 系主管领导： 年 月 日 本科毕业设计 (论文 ) 题目 ： 穿戴式健身器的设计 建模与 真 2 穿戴式健身器的设计建模与 真 摘 要 穿戴式健身器是一种帮助人体进行康复锻炼，跟随辅助人体进行运动的设备。本论文针对穿戴式健身器进行了设计、建模并采用 行了动力学仿真等工作。本文主要进行的工作如下： 根据人体的结构特点，对人体的上肢解剖学、关节结构进行了详尽的分析。确定人体上肢的尺寸，各个关节的运动副和自由度等。 在对人体上肢的各个运动部分进行分析之后，根据人体的属性，设计出一款可用于人体上肢穿戴式的 健身器。 在此基础上，本文采用 所设计的机构进行了仿真，实现了机构运动的模拟。确保各个部分的运动都与人体的运动相符。 关键词：穿戴式；健身器；设计建模；仿真 3 is a to by In a of as to of a of of of to of be to a On to of in of 4 目 录 1 绪论 . 1 文研究背景、目的及意义 . 1 景介绍 . 1 文的研究目的及意义 . 3 内外研究现状及发展趋势 . 3 外研究现状 . 3 内研究现状 .文研究内容 . 13 2 基于人体生物力学的穿戴式健身外骨骼设计 . 15 体解剖学概述 . 15 体基本轴和基本平面 . 15 转关节 . 16 肢关节运动 . 16 肢关节运动机理研究 . 16 肢关节运动坐标 . 19 肢外骨骼设计 . 20 骨骼人上肢构型设计 . 20 骨骼机器人各关节设计 . 21 骨骼机器人其余部件设计 . 23 簧的选择及安装 . 25 章小结 . 26 3 穿戴式健身外骨骼运动仿真析 . 27 构运动仿真 . 27 真接口 . 28 真分析 . 28 章小结 . 32 4 结论 . 33 文研究内容总结 . 33 作展望 . 33 参考文献 . 34 致谢 . 37 5 1 绪论 文研究背景、目的及意义 景介绍 健身器材或称为健身器械，就是用于人体健身的器材或器械。近十多年来，它在世界各国却有了极其广泛的应用范围。它不仅适用于人体的健身、健美，而且还广泛应用于群 众性的体育锻炼、专业运动的基础训练和体能训练、体疗康复锻炼以及体育性的文化娱乐和体闲等方面。健身运动最早在美国兴起， 1998 年美国健身产业的产值就己达到 631 亿美元，甚至超过了石油化工 (533 亿美元 )、汽车制造 (531 亿美元 )及航空、初级金属和木材加工等重要工业部门当年的产值，这一产值占美国当年 11. 3%， 在国民经济中居 22 位。到 1999 年，美国健身产业的产值增加到 2000 亿美元，成为美国的支柱产业。伴随这一运动产生的健身器材行业也成为一种热门行业，至今仍方兴未艾。健身器材己在国际市场上立足了 20 多年，仅美国每年就有 120 亿美元的销售额。 随着社会的发展，我国居民的生活水平不断提高，生活方式发生了相应的变化，体育生活逐渐进入到人们的生活方式之中。随着我国的家庭结构口趋小型化，家庭劳动社会化，以及五天工作制的实施，人们拥有了充足的余暇时间，同时，人们的思想观念口益理性化，“与其花 100 元治病，不如花 1 元钱防病”这种健康新理念的广泛传播，使越来越多的民众积极参与健身并为此投资。健身活动的升温，拉动了健身运动器材的俏销。 传统的健身设备例如跑步机等，都需要电能来进行驱动。人在健身的同时也是在消耗电能。随着 健身的人群越来越壮大，对能源的消耗也变得越来越大。这对环境的破坏和影响也越来越大。因此，设计一种不需要能源驱动，同时又能起到健身作用的健身设备是十分必要的。 能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。纵观人类社会发展的历史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。能源的开发利用极大地推进了世界经济和人类社会的发展。自 2008 年我国成功举办奥运会后健身在我国越来越流行健身房如雨后春笋般在我国发展，这是我国健身行业发展最强有力的后盾。根据测算每一个成年人锻炼一小时消耗能量 h。那么如果一个 健身房有 30 台这样的设备每台每天工作 5 小时，相当于为国家节约 标准煤。这对于有多个连锁分 2 店的健身企业来说无疑是一个最为有效和最为简便的降低健身房的能源成本的方法。 本论文就是在这种背景条件下展开的。通过查阅相关文资料，并对健身器材的研究分析，设计一款不需要能源驱动，适宜人体穿戴的健身设备。 外骨骼来源于生物学中的专有名词，其基本的功能是为生物体提供支撑、运动、防护三项功能相结合的外部结构。外骨骼机器人 (与生物外骨骼对应的一种可穿戴的机器人，该机器人融合了传 感设备、控制系统、信息藕合技术及移动计算技术，能够为操作者提供支撑与防护并能够在控制下完成一定的功能和实现预定任务的一种机械机构。外骨骼和操作者组成的人一机外骨骼系统能够增强个人在完成某些任务时的能力，可使操作者对环境有更大的适应能力，因此近年来对外骨骼机器人的研究越来越成为科研工作者争相追逐的目标，在军事装备、医疗器械、康复机构等众多领域有了较为广泛的应用和发展 1。 外骨骼机器人的最初的设计思想是将人的智能和机器人所具有的强大的机械能量结合起来，使之综合成一个系统。人体外骨骼机器人起源于美国 1966 年 的哈德曼助力机器人的设想及研发，到今天整体仍处于研发阶段，能源供给装置以及高度符合人体动作敏捷及准确程度要求的控制系统和力的传递装置都有待大力投入研发和试验尝试。 20 世纪 80 年代是康复机器人研究的起步阶段， 1990 年后康复机器人的研究进入全面发展时期，康复机器人的设计任务是用来替代医师进行一些辅助的康复训练工作，根据康复医学理论，实现一些有针对性的康复训练功能。由于它有很大的使用价值，所以现在几乎超过了工业方面的增长速度。但是以目前的康复机器人水平还不能够完全的取代医师进行康复训练，如一些诊断性的工作等还 得依靠医生亲自完成，然而利用机器人进行工作强度大、重复性高的康复训练工作，可以降低医生的劳动强度、保证了患者的有效的持续性的训练。 在军事方面，外骨骼机器人主要用来增强单兵负载能力。单兵在行军或者执行任务时需要背负大量的武器弹药、食品以及急救药品，而这些物品重约 30 公斤甚至更高。这就大大降低了单兵的机动性以及作战能力。而外骨骼机器人则大大增加了士兵的作战能力，使其成为超级士兵。它可以作为单兵行军或者攀爬复杂地形时的负重机构，使士兵在背部负载很重的情况下仍然能够完成快速行走，攀爬，跳跃等一系列动作。另外，对于 机动车辆无法到达的复杂地形，通常需要士兵搬运物资，这往往消耗士兵大量体力。但是，穿戴外骨骼机器人之后，士兵不仅可以承受很大的负载而且还 3 能够实现正常行走，奔跑等。这在很大程度上保存了士兵的体力，增加了士兵的机动性以及作战能力。 在民用领域，外骨骼机器人也有广阔应用前景。例如登山爱好者可以穿戴上肢外骨骼机器人来帮助承受背部负载，这样就可以携带更多的食物药品等。在事故发生现场，有些情况下，不便于机器进入救援。这时救援人员可以穿戴外骨骼机器人进入事故现场，进行紧急救援等。此外，装有特定背部机构的上肢外骨骼机器人能够 轻松实现搬运物资，减轻人体背部实际负载，从而保护人体背部。我国每年有很多体力劳动者因为腰椎突出或者腰肌损伤等原因不能正常工作，这大多与他们背部长时间承受过重载荷或者由于工作时姿势不正确等原因造成的。而穿戴装有背部减力机构的外骨骼机器人可以很好的解决这类问题 3。背部机构通过上肢外骨骼将加在人体背部的载荷传递到地面，减少了对人背部的压力，进而减少了对人体背部的损伤。 文的研究目的及意义 本论文主要依据已知的设计参数完成穿戴式健身外骨骼的三维建模分析。该模型应当符合人机工程学原理 ,适宜人体在健身 的情况下穿戴 ,并配合人体完成相应的健身动作 ,而不借助于任何能源。之后，利用有限元分析软件，对模型的主要部件进行分析，主要是强度分析和应变分析，确保主要部件应力低于材料的强度极限，形变在可接受范围内，保证人体穿戴健身器外骨骼健身时绝对安全。 本论文设计了一款不借助于任何能源的穿戴式健身外骨骼设备，并通过相应的机械限位以及有限元分析等方法，确保人体在穿戴健身外骨骼设备时绝对安全。这种设备与一些传统健身设备例如跑步机等相比，不需要任何能源输入，只需要采用拉压弹簧，实现健身功能。 内外研究现状及发展趋势 外研究现状 早在 20 世纪 60 年代末期，美国和前南斯拉夫就开始进行外骨骼技术的研究。 1960年至 1971 年，美国通用公司进行了 骨骼系统的研制开发，并计划研制出一整套外骨骼装备。由于技术限制，最后只成功研制了一只手臂。 1971 年，前南斯拉夫 授成功研制出了第一个应用于脊髓损伤患者的气缸驱动上肢外骨骼。之后一段时间，外骨骼机器人的研究趋于沉寂，关于这方面的报道也鲜有。直到20 世纪九十年代末，关于外骨骼机器人的研究又一次兴起。 4 目前世界上 许多国家在从事外骨骼技术方面的研究，而研究相对成功的有美国、日本等国家。特别是美国，其研制的外骨骼机器人代表了外骨骼机器人技术的最高水平。因此，主要对美国和日本外骨骼机器人的研究现状和进展做了解。 2006 年， abs 制的穿戴式上肢外骨骼机器人（如图 示）能够帮助减轻背部背负重物的负载。它可以直接将背部负载的重量大部分传递到地面，有效减少人体背部实际负载。通过对原型机的实验测试表明，该外骨骼可以将 80%负载重量直接传递到地面 ，当然具体传递的重量也与步态周期的不同阶段有关系。但是它存在一个问题，目前其选择的运动模式可能会干涉到人体正常运动步态 4。虽然如此，其减轻负载重量的能力是非常值得学习和借鉴的。 图 戴式外骨骼机 器人 图 用公司设计的 5 在 2000 年，美国国防高级研究计划局（ 动了“外骨骼增强人体体能表现”（ 划。该计划投资 5000 万美元，资助了多家单位进行外骨骼机器人的研究和开发。其中，雷神公司（ 购的萨克斯 (司、加州大学伯克利分校 (橡胶岭国家实验室（ 及千年禧飞行器（ 司负责设计和研制整套的外骨骼系统，其他一些获得资助单位则主要负责外骨骼动力供应设备的开发研制 5。四家单位进行独立研制，分别设计出了自己的外骨骼机器人。 首先介绍一下萨克斯公司研制的“ 列负重机器人，如图 示。“ 骨骼系统是 士 及其团队 为了创造出超人士兵 而研制的 ， 并且 由美国国防部高等研究计划局 (供了 1000 万美元的军事研究预算 ， 经过 7 年秘密研发， 成功设计的一款全身外骨骼系统。它 代表了机械外骨骼领域最尖端的技术。利用附在身体上的传感器 ，“ 可 以 毫不延迟地反应身体动作，输出强大力量。当穿上 “ 举起 200 磅（ 物时 ，人体实际只承受了 20 磅 （ ， 而且 连续举 50500 次没 有 问题 。此外它的 金属拳头，可 以很轻松地 穿透目标 6。但 “ 有一个重大缺陷， 即它需要一根电缆来传输能量， 利用自带的电池只能使用 40 分钟 。 如果解决 了能源 问题，相信 “ 很快就可以实用化了。 2010 年，雷神公司推出了第二款“ 骨骼系统 “ ”。“ ”在研制时注重减少系统能源消耗，其能源消耗仅相当于“ ”的 50%。“ ”重约 95采用高强度铝合金和钢材料，既满足了系统的力学性能要求，还减轻了系统的整体重量。 图 外骨骼机器人 6 “ ” 可以使单兵工作速度加快，工作时间延长，工作能力提高了 1 到 2 倍。虽然目前的系统还需要缆绳供电，但无需缆绳的系统 也已开始 研制。 “ ” 可以轻松 完成 踢足球和击打沙 袋等灵巧动作，而且右手的吊钩可以击穿墙壁。 目前“ 列外骨骼机器人有两种型号，一种是后勤补给型的外骨骼机器人，它包括上肢和上肢以及背部机构，主要进行后勤补给 ,可以完成搬运物资和挂弹等一系列任务。日常任务中，士兵每天需要搬运的负载约 16000 磅左右。穿戴“ 后，单兵可以轻松完成这些负载搬运工作且其完成的工作量与三个士兵相当。另一种是战斗型的外骨骼机器人，包括上肢及背部机构，主要为单兵作战时使用，用来协助单兵行军并承载背部负载。 “ 列外骨骼机器人的控制策略为利用传感器检测系统信号，通过控 制系统来判断人体下一个动作，然后再决定施加在外骨骼需要的力，再通过控制液压系统将需要的力传递给外骨骼系统。另外， 系统 通过 采用结构传感器、传动器和控制器，可对使用者的行动做出响应，无需使用操纵杆进行控制。 加州大学伯克利分校在 授及其团队的努力下，也成功研制出了伯克利上肢外骨骼机器人（ 称 ,示。 肢外骨骼采用拟人化设计思想，它由两条拟人化的金属仿生腿、 图 7 液压驱动单元、能源动力装置、控制装置以及一个背包组成。 过自身的支撑，可以承受绝大部分的负载，减轻人体的负重，从而使人行走更加省力。为了保证外骨骼与人体的协同性，该上肢外骨骼系统包括 40 多个传感器元件和 8 个液压驱动器。其控制策略选用的是基于虚拟力矩的方法。通过利用外骨骼机器人的动力学方程来控制液压驱动系统 7。通过布置在其特定位置的传感器感知装置的当前运动状态，反馈到中心控制电脑，中心控制电脑在分析处理反馈数据后发出控制指令，控制系统做出下一个相应的运动。通过实验表明，穿戴 ，人体可 以在负载重量75情况下以 s 的速度行进，在无负载的情况下可以以 s 的速度行走。而且，当穿戴者背负 重物行走时，实际承受的重量只有 此之外，伯克利分校在 础上进行改进，研制成功了 改良版 。这两款上肢外骨骼机器人具有更加简洁的机械结构，穿戴、携带更加方便。 由伯克利分校与洛克希德马丁（ 司联合研制的一款外骨骼机器人，如图 示。在穿戴 且负重的情况下 ，单兵可在水平地面以 4 千米 /小时的速度行进 20 千米，持续最大速度为 11 千米 /小时，爆发时最大速度 为 16 千米 /小时。 采用了拟人形设计，主要结构使用钛金属材料。系统采用电池供电，使用者可灵活地进行下蹲、匍伏以及上肢举重。 统不带电池时重24 公斤，可以携带 91 公斤的负载。其总体高度可以进行调节，适用于身高约为 8 米至 的人穿戴。该外骨骼装备可通过系统内装的微型计算机进行控制，无需外部控制机制。 通过这种微型计算机感知使用者的需求并作出相应的调整。统穿戴方便，在设计时考虑到意外情况下能够实现快速解脱逃跑，因此穿戴者可以很快完成穿戴并且可在 30 秒时间内脱下并打包。 统具备可替换的模块化部件，便于更换和维修。 过封闭空间内的柔性、可延伸单板微电子系统进行支持。驱动装置可吸收微型计算机和其它电子设备产生的热量，无需使用风扇。另外系统的高压液压系统使用的是标准液压油。此外，系统具有多种任务附件，可携带装甲、保暖、制冷和传感器等集成系统。 2010 年 10 月，洛克希德马丁公司在纳提克士兵中心对 行实验室试验，包括生物机械试验、动态负 重试验以及环境试验等。此外还通过沙尘、吹风、淋雨、温度、湿度等对系统的可维护性进行了一系列测试 8。 在能源方面， 骨骼装备最初使用的是锂聚合电池，工作时间比较短。在之后的设计中，整个外骨骼系统以节能省电为标准进行设计，以确保在电池电量低的情况下可以承受很大负重。此外，在 2010 年 1 月，洛克希德马丁公司与普罗通内克斯技术公司签订了合同，开始研制供 门使用的燃料电池供电系统，计划将其单次供电时间增加到 72 小时。配备了可充电电池的 士兵在长时间执行任务时携带的电池数量减少。 伯克利分校 除了在单兵使用军用外骨骼研究成果显著外，在医疗领域使用的上肢外骨骼机器人研究方面同样成就斐然。伯克利分校仿生实验室在 授的带领下设计了一款适合上肢瘫痪或者需要进行步态矫正患者使用的外骨骼机器人 图 示）。 以 骨骼系统为原型，进行设计改造的。他们将 肢外骨骼进行了相应改造设计，从而使 骨骼穿戴使用更加方便。它由一个机械框架和拐杖组成，拐杖中有传感器可以对机械框架进行控制。当拐杖中的传感器感知到穿戴者向前移动右拐杖时， 腿随之向前移动，以此来协助患者完成行走等基本动作。整套外骨骼重量为 45 磅（约 20 公斤）。另外，该外骨骼系统自带电池，电池使用寿命超过 6 小时。 9 日本在机器人研制方面具有强大优势，近年来他们对外骨骼机器人也进行了很多研究。日本神奈川工科大学 授研制的“动力辅助服” 图 够使人体多承受 倍自身体重的重量。他们于 1990 年开始设计可穿戴式助力服，在 1991 年完成了手臂设计， 1994 年开发出了配套使用的供电模块、腰部结构以及上肢供电 的腿部结构，最终于 2002 年完成了整个系统设计工作。 专门为医院护士研制的，用来帮助他们照料无法行走的病人或者体重比较大的病人。它由便携式镍镉电池、微型气泵、嵌入式微处理器以及许多传感器组成。它使用肌肉压力传感器来分析穿戴者当前的状态，进而控制气压传动装置来增加人的力量。每个关节都有双轴线，从而可以使得手臂、腰部、腿能够弯曲。肘、腰和膝盖的关节都是利用新开发的直流驱动执行器。而执行器是由镍镉电池驱动的微型空气泵来驱动的。它的控制单元安装在背部，与电池进行连接。 铝合金制作而成，整个系统重量大约为 30 公斤 9。 日本筑波大学也成功研制了类似于“ 全身外骨骼机器人。筑波大学的山海嘉之教授研制的混合负重肢体外骨骼机器人 。 图 10 现在已经发展到第五代 图 示 )，并且从 2008 年 10 月开始量产，年产量五百套左右。穿戴 ， 绑在使用者身上，但是人体不会感到沉。另外肩部、肘、髋部和膝盖等部位安装有一些小型的直流电动马达，这些马达可以充当外骨骼服的肌肉，为穿戴者的运动提供动力支持。 要 采用航空飞机机翼使用的硬铝合金材料，重约 23 公斤。穿戴 后，可以帮助人体增加 40右的负重能力。 感器主要分为三部分，能够检测到外骨骼服和穿戴者的情况：一部分是安装在各关节的传感器，能够提供各关节的角度；另一部分是安装在脚底的传感器，能够检测穿戴者在行走过程中与地面的相互作用力；最后一部分是紧贴在穿戴者皮肤上的生物电流感应器，它被安装在肩、肘、髋、膝盖等部位。生物电流感应器主要利用了人体在行走时，大脑会向相应肌肉发电脉冲，当电脉冲沿着肌肉纤维运动时相应的肌肤表面就会产生微弱的生物电信号 。当生物电流感应器感应到这些电信号后，就可以通过控制器判断人体的运动意图。因此， 用了两种不同的控制策略。第一种类似于 与 不完全相同。它靠贴附在人体皮肤表面的电机检测微弱的生物电流来判断穿戴着想要的出力方式。第二种控制策略是靠控制系统记忆穿戴者的动作特点，比如如果某条腿比较无力， 会自动调节更加密切的配合使用者 5。 图 骨骼服 11 另外，韩国、新加坡、瑞士、德国、法国等国家也在进行外骨骼机器人研究。韩国西江大学研制的外骨骼机器人 要用来帮助行走 不方便的老人，增加他们的活动能力以及运动范围。新加坡南洋理工大学 授也在研究和开发一种可以增强人体速度、力量和耐力的上肢增力型柔性外骨骼系统。瑞士 G 公司和德国的神经康复中心分别研制了卒中、截肢患者上肢康复训练外骨骼系统图 示 )和 在主动医疗康复上肢外骨骼机器人系统中性能最好的当属 且现在它已经实现了产业化。现在，世界上许多治疗脑中风的研究机构已经开始使用该设备。条腿只有髋关节屈伸和踝关节 屈伸两个自由度，分别有驱动器控制直流伺服电机运动。通过传感器测量关节角度、电机输出力矩以及患者与外骨骼之间的接触力等，传输给控制系统，控制系统分析后发出控制命令控制装置运动。如图所示， 统通过平行四边形连杆机构与下面的跑步机以及悬挂系统相连接，整个系统十分稳固。 内研究现状 国内在外骨骼机器人这方面的研究在上个世纪还不够广泛，清华大学胡宇川、季林红等人研制了用于偏瘫患者上肢复合运动康复训练机器人。该结构是由手臂支撑和肢体训练机械臂两部分组成。患者在使用时需要握住机构末端的手柄， 上肢在装置的图 12 带动下在平面空问内完成复合运动，该装置也能够固定在手臂外侧完成 3 个自由度的分别训练。运动范围能够实现人体上肢正常的运动，能够实现主动、被动、抗阻、助力四种训练模式。研究人员通过对比康复期间画出圆和直线的轨迹及运动学相关数据进行对比定性的给出患者的恢复情况。 哈尔滨工业大学机器人研究所的王东岩，李庆玲等人设计了 5骨骼式用于上肢偏瘫的康复机器人系统。该机器人的设计共有 5 个自山度，分别是肩部的外展和内收、肩部的弯曲和伸展、肩部的弯曲和伸展、一手腕的弯曲和伸展以及手腕的内旋和外旋。机器人采用了 仿人体外骨骼式的结构，解决了患者在运动过程中身体的支撑问题。机器人的控制系统采用肌电信号作为网络控制信号。在控制状态下机器人系统能够很准确的识别上肢康复训练的程度，实现对偏瘫患者的主动、被动和辅助运动三种训练方式。 图 五自由度康复机器人 进入 21 世纪以来国内许多大学以及研究机构都在从事外骨骼机器人的研究，如浙江大学、上海大学、北京林业大学、中科院合肥研究所、华东理工大学、南京理工大学、中国科学技术大学等。其中研究助力型上肢外骨骼的主要有华东理工大学、中科院合肥研究所、南京理工大学等，而浙江大 学主要从事助力型外骨骼机器人以及步态修复型外骨骼机器人领域的研究并取得了一些阶段性成果。 目前华东理工大学已经研制出第三代 上肢外骨骼机器人，如图 且 械结构平台已经搭建完成，控制系统以及驱动系统也已搭建完成。通过相关调试和测试， 上肢外骨骼机器人具有一定的负重助力功能。 13 图 器人 括两条仿生金属腿、脚底以及背部机构三部分。髋关节处有三个自由度，膝关节有一个自由度，踝关节处有两个自由度。驱动采用液压驱动，但是每条腿只 有膝关节处采用了一个液压缸来支撑，在髋关节处采用了一个气动弹簧反力矩装置来抵消或者减少重物产生的力矩。气弹簧的主要作用如下为：当人双腿支撑站立状态时，气弹簧能够在一定程度上限制外骨骼上肢的屈、伸自由度，使其无法向后伸展。当上肢向后伸展时，气弹簧的反力矩机构阻止了外骨骼上肢的运动，同时向后运动的趋势将腰部向上顶起，从而将将负载和背架支撑起来，从而使人在双腿支撑站立状态时，减小了负载对人产生的作用力，使人穿戴起来更舒适 10。 哈尔滨工业大学研制的外骨骼机器人主用于上肢康复性训练，属于主动的上肢康复医疗装置。 严格意义上讲，它不属于外骨骼的范畴。它主要是通过模拟正常人行走的步态和踝关节运动的姿态带动患者按照正常步态行走，同时依靠装置的重心控制系统来模拟控制正常人行走时的运动规律。该装置主要采用的是被动的控制策略，带动患者进行被动的步态训练最终达到康复的目的。 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室也一直从事上肢外骨骼机器人的研究，并且分别在 2005 和 2009 年成功研制出气动上肢步行柔性外骨骼系统和脑中风患者上肢运动康复训练柔性上肢外骨骼系统。其中脑中风患者柔性上肢外骨骼系统具有四个自由度，每个关节由液压线性执行器驱 动，它可以根据患者的病情进行调节，带动患者进行主动、半主动、被动等多种康复训练 1。 文研究内容 外骨骼机器人技术是一项高度集成的高科技技术，它的实现和突破离不开能源技 14 术、材料技术、加工技术、驱动技术以及控制技术的支撑和推动。尽管目前国内上肢外骨骼技术研究取得了很大进步，但是距离实用阶段和市场推广阶段仍然有很长的路要走。本文旨在设计一款方便穿戴，与人体有良好适应性的上肢外骨骼机器人。因此，本文主要围绕上肢外骨骼机器人的结构设计和分析展开工作。具体工作如下： 1、采用 立穿戴式健身外骨骼机 器人模型； 1)肩关节、肘关节、腕关节设计； 2)大臂、小臂长度调整机构； 3)弹簧选择； 2、采用 件软件进行仿真分析。 15 2 基于人体生物力学的穿戴式健身外骨骼设计 体解剖学概述 体基本轴和基本平面 穿戴式健身器是穿戴在人体上的，因此其与人体解剖学具有密切联系。解剖学上定义了人体基本平面和基本轴。人体解剖学姿势均以身体直立，面向前方，两眼平视前方，两足并拢，足尖朝前，上肢下垂于躯干的两侧，掌心向前的姿势为标准 1。为了方便，将人体分为矢状面、冠状面和水平面三个平面， 而三个平面两两相交线又有三个基本轴即矢状轴、冠状轴、水平轴，如图 示。人体标准的解剖姿势及人体基本轴和基本平面 : (1)矢状轴 (:图 示的 X 轴，方向从后至前。 (2)冠状轴或额状轴 ( 示的 Y 轴 :方向从左至右。 (3)垂直轴 (:图 示的 Z 轴，方向从下至上。 (4)矢状面 (:又叫纵切面，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。 (5)冠状面 (:又叫额状面，将人体分为前后两部分的纵切面，该平面与矢状面和水平面相互垂直。 (6)水平面（ 也称横切面，是与地平面平行并将人体分为上、下两部分的平面。 图 体的基本平面和基本轴 16 转关节 在空间中，要确定一个物体的几何状态需要确定其 3 个位移坐标 (或称为位置自由度 )和 3 个旋转坐标 (或称为姿态自由度 )。在机器人学术术语中，将一个空间物体的上述 6 个自山度状态称为该物体的位姿。肩、肘和腕三部分一共有七个自山度是有冗余的，六自由度模型是非冗余自由度。从外骨骼机器人的发展到现在为止， 6器人设计及运动学理论己相当的成 熟，而且在给定的空间内可以完成任意位置和姿态的作业。肩、肘和腕关节自由度和运动范围参考 ， ， O 对正常人所做的测量和实例相关资料。 由于外骨骼是穿戴在人体上的，因此外骨骼运动形式与人体基本平面内关节运动形式也有密切关系。人体运动主要来自于关节，关节的运动形式和范围也相应决定了人体对应部位的运动形式和范围。人体上肢关节的运动主要为旋转运动，包括屈伸、外展内收、旋内旋外等方式。 屈伸运动是指在矢状面内，运动环节是相邻两关节中心之间的部分，绕着额状轴转 动。一般来说，关节的屈指向腹侧面成角，伸则相反。图 部结构原理图 肢关节运动 肢关节运动机理研究 由人体解剖学可知，人体上肢的运动主要由肩关节、肘关节和腕关节的相对运动来实现。依据人体上肢的驾驶动作分析和机器人机构学原理，可将人体上肢系统简化为由 3 个连杆 (上臂、前臂和手腕 ) 组成的铰链机构。可用上臂水平屈伸 (图 上臂侧举 (图 上臂旋转 (图 前臂弯曲 (图 手腕弯曲 (图 表达的 5自由度来建立人体上肢运动模型。若以 别代表 5 自由度，则通过这些自由度动作就可实现人体上肢对操作域空间目标 (操控元件 ) 的拾取 (操作 )。其 动作可以实现肩部球面副运动， 作可实现肘部手臂的运动， 17 作可实现腕部手掌的运动。 a b c d e 图 体上肢 5 自由度动作 肩的运动实为肩复合体的联合运动。肩复合体包括关节和骨骼肌、韧带等。关节部分包含盂肱关节、肩锁关节、胸锁关 节和功能性关节。功能性关节又包括肩胛胸壁关节、肩峰下关节 。关节盂仅容纳肱骨头 1/41/3。盂肱关节由肩胛骨关节盂和肱骨头构成，如图 示。肱骨头向后旋转约 30 向上倾斜 45，如图 示。关节囊内附关节盂周缘，但上方附于盂上结节内，将其包裹；关节囊外附解剖颈，但内侧附于外科颈。滑膜包裹肱二头肌长头，并随二头肌长头下降于结节间沟内，形成腱鞘，如图 示。盂肱上韧带、盂肱中韧带、盂肱下韧带、喙肱韧带。肩胛骨在冠状面上偏斜角约为 30。肩胛前间隙是肩胛下筋膜与胸廓外筋膜间。肩胛前间隙被前 锯肌分为前后两个间隙，前间隙位于前锯肌与胸廓外筋膜之间，后间隙位于前锯肌肩胛下筋膜之间。肩胛骨的运动包括外展与内收、上升与下降上旋与下旋，详见表 图 肱关节 图 18 图 鞘 图 胛前间隙 表 胛骨的运动 外展 远正中线 前锯肌 胸长 N 内收 近正中线 菱形肌、斜方肌 肩胛背 N、副 N 上升 向上移动 斜方肌上部、肩胛提 肌 副 N，胸长 N 下降 向下移动 斜方肌下部 肩胛背 N 上旋 060 斜方肌、前锯肌 副 N、肩胛背 N 下旋 600 肩胛提肌、菱形肌 副神经 腕关节由桡尺骨远端、八块腕骨、五块掌骨构成。腕关节包括桡腕关节、腕骨间关节、腕掌关节，如图 示。桡腕关节近侧关节面包括桡骨下端腕关节面，尺骨下面三角软骨盘。远侧关节面包括手舟骨、月骨、三角骨近侧关节面组成的弓形关节面，如图 示。腕掌关节由远侧腕骨和掌骨底构成。第一掌骨底与大多角骨构成拇指腕掌关节，如图 示。 19 图 关节 图 侧关节面 图 掌关节 肢关节运动坐标 根据机器人机构学及其回转变换矩阵原理，以人体肩部球窝关节中心为坐标原点， 取人体上肢运动空间坐标系 (见图 其中坐标系 o0 x0 y0 基础坐标系，o1 x1 y1 o5 x5 y5 各局部坐标系；坐标原点 合在肩关节处，立在肘关节上，