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下肢健身外骨骼的设计与析,下肢,健身,骨骼,设计
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本科毕业设计 (论文 ) 题目 ： 下肢健身外骨骼的设计与分析 肢健身外骨骼的设计与分析 摘 要 下肢健身外骨骼是一种穿戴在人体身上，跟随人体一起运动的装置。本文针对外骨骼的模型构建及有限元分析展开研究工作。本文主要进行了如下研究。 对人体下肢解剖学、下肢关节结构和运动进行研究分析，明确人体下肢关节运动副结构及其自由度情况。在此基础上，设计一款拟人结构的外骨骼机器人。 之后，采用有限元分析软件对外骨骼重要零件进行仿真分析，优化设计，保证其应力应变在许可范围内。 关键词：外骨骼；结构设计；拟人化；有 限元分析 of is a of on of on in of to to of of On a of of by in V 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 . 11 文研究内容 . 13 2 基于人体生物力学的下肢健身外骨骼设计 . 15 体下肢解剖学概述 . 15 肢关节运动机理研究 . 16 肢健身外骨骼设计 . 19 . 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 . 26 章小结 . 27 3 下肢健身外骨骼有限元分析 . 28 腿重要零件的有限元分析 . 28 腿重要零件的有限元分析 . 29 章小结 . 31 4 基于 . 32 用 . 32 5 结论 . 34 文研究内容总结 . 34 作展望 . 34 参考文献 . 35 致谢 . 38 毕业设计（论文）知识产权声明 . 39 毕业设计（论文）独创性声明 . 40 1 1 绪论 文研究背景、目的及意义 景介绍 21世纪是一个注重创新的世纪，更是一个绿色环保的世纪。能源是人类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 年我国在北京成功举办奥运会之后 ,人们越来越注重身体锻炼 ,越来越注重健身。因此，健身房如雨后春笋般在我国各地迅速发展壮大。而据统计计算一个正常的成年人健身一小时消耗的能量为 么一个健身房如果存在 30台这样的设备且每天工作五个小时，那就需要消耗大约 标准煤来产生设备需要的能量。如果我们采用一种不需要能量驱动同时又能起到锻炼作用的设备，那么每天我们就可以节约 标准煤。这不仅 可以为健身房降低运营成本也可以为国家减少能源浪费，减少环境污染。 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。 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，适宜人体穿戴的下肢健身外骨骼机器设备。 外骨骼技术来源于生物学中外骨骼。在生物学中，外骨骼是一种能够为 生物内部柔软器官进行构型、建筑和保护的坚硬外部结构，例如虾、蟹、昆虫等节肢动物体表坚韧的几丁质骨骼，主要起到保护和支持等作用。古代人类在战争中使用的盔甲是最早应用的外骨骼技术。外骨骼对生物体具有非常重要的作用。首先它起到支撑生物身体的作用，其坚硬的外骨骼具有一定的机械承载能力，并且能够在生物各种活动中如捕食承受剧烈运动的冲击和负载等危害；其次外骨骼还有保护生物内部重要器官的功能。当生物受到意外攻击或伤害时，其坚硬的外骨骼可以起到保护作用；最后外骨骼还起到感知外界环境的作用，其功能类似于传感器 1。 生物外 骨骼这些突出的特点，逐渐引起了学者们的关注。特别是二十世纪九十年 2 代以来，外骨骼技术发展迅猛，国内外许多大学和研究机构都在从事外骨骼技术的研究。外骨骼机器人是一种可穿戴式的机电智能系统，可以跟随穿戴者一起运动。它可以感知穿戴者的动作，从而获取运动信息，通过其自身的动力装置起到增强穿戴者身体机能的作用。外骨骼机器人技术可以应用在军事、医疗、民用等领域，具有广阔的应用前景和强劲的发展势头。 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。 在医疗领域，下肢外骨骼机器人 可以应用于脑中风患者的步态康复。每年全球有数以千万的人因为脑中风而无法正常行走，必须进行步态康复之后才能够正常行走。但是传统的步态修复装置需要耗费大量的时间而且必须在理疗师的全程监护下才能够进行使用。而下肢外骨骼机器人可以在不需要理疗师全程监护的情况下，辅助脑中风患者进行步态康复训练，并且按照提前规划好的健康步态引导脑中风患者进行步态康复训练 2。此外，下肢瘫痪或者萎缩的病人也可以使用下肢外骨骼机器人进行康复训练，并且在拐杖的辅助下能够实现正常的行走，从而对轮椅说“再见”。 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下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下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。背部机构通过下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。 3 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下肢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，保证人体穿戴下肢健身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下肢健身外骨骼设备，并通过相应的机械限位以及有限元分析等方法，确保人体在穿戴下肢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 国外下肢外骨骼机器人研究起步较早。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 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 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。 图 通用公司设计的 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。 1960 年至 1971 年，通用公司最早开始了外骨骼机器人研究。它计划研制出一款可穿戴的单兵外骨骼装备 该项目设计的初衷是为了缓解单兵长时间行军作战时引起的疲劳，以及在航空母舰上快速地完成搬运导弹等任务。但是，该项目由于伺服控制系统以及平衡等问题没有解决，最终只研究成功了一只手臂。 麻省理工学院于 1978 年开始进行穿戴式外骨骼机器人的研究，虽然进展相对缓慢，但是有一些值得借鉴的研究成果。 2006年， abs 图 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。 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图 5 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 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，它包括上肢和下肢以及背部机构，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，包括下肢及背部机构，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下肢外骨骼机器人（ 称 ,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，该下肢外骨骼系统包括 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 体可以在负载重量 75无负载的情况下可以以 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 。这两款下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。 司联合研制的一款外骨骼机器人，如图 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。 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 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。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。 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 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， 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 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，在医疗领域使用的下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下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 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， 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、腰部结构以及下肢供电的腿部结构，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。 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 ，并且从 2008年 10月开始量产，年产量五百套左右。穿戴 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。 约 23 公斤。穿戴 后，可以帮助人体增加 40右的负重能力。 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， 一种类似于 与 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， 5。 图 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、力量和耐力的下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、截肢患者下肢康复训练外骨骼系统图 和 在主动医疗康复下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。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， 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 目前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。其中研究助力型下肢外骨骼的主要有华东理工大学、中科院合肥研究图 12 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 下肢外骨骼机器人，如图 且 制系统以及驱动系统也已搭建完成。通过相关调试和测试， 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，如图 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下肢的屈、伸自由度，使其无法向后伸展。当下肢向后伸展时，气弹簧的反力矩机构阻止了外骨骼下肢的运动，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下肢康复性训练，属于主动的下肢康复医疗装置。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。 图 髋关节反力矩装置 图 13 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室也一直从事下肢外骨骼机器人的研究， 并且分别在 2005和 2009年成功研制出气动下肢步行柔性外骨骼系统和脑中风患者下肢运动康复训练柔性下肢外骨骼系统（如图 示）。其中脑中风患者柔性下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。 自 2004 年起，中科院合 肥智能所机器人传感实验室致力于开展可穿戴智能助力机器人的研究。采用理论研究、仿真分析、模型试验研究相结合的方法，对可穿戴步行助力机器人的构型、感知和控制方法等进行了分析，取得了一定的研究成果，并研制出一款可穿戴型步行助力机器人原型样机，可为使用者提供额外动力，帮助使用者增强其下肢运动能力，其原型机如图 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。尽管目前国内下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下肢外骨骼机器人。因此，本文主要围绕下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 1)髋关节、膝关节、踝关节设计； 图 浙江大学研制的下肢康复训练外骨骼系统 图 中科院助力机器人原型 14 2)大腿、小腿长度调整机构； 3)弹簧选择； 2、采用有限元分析软件进行强度应力校核。 15 2 基于人体生物力学的下肢健身外骨骼设计 体下肢解剖学概述 下肢外骨骼机器人是穿戴在人体上的，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 矢状面指向前后方向，将人体分为左、右两个部分的纵切面，此纵切面与地平面垂直。此外，经过人体正中的矢状面为正中面，它将人体分为左右对称相等的两个部分。冠状面又称为额状面沿着左右方向，将人体分为前后两部分的纵切面 ，它与水平面和矢状面相互垂直。水平面又称作横切面它将人体分为上、下两部分并与地面平行，与其余两个面两两垂直。 矢状轴是矢状面与水平面的交线，在矢状面内并且垂直于额状面；冠状轴又称为额状轴是冠状面与水平面的交线，在额状面内并且垂直于矢状面；垂直轴是额状面与图 体的基本平面和基本轴 16 矢状面的交线，垂直于水平面 1。 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。人体下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，如髋关节的屈伸运动。但是膝关节则刚好相反，当小腿向后贴近大腿侧时为膝关节的屈，反之为伸。在足部，足上抬，向小腿靠近时为踝关节的伸，又称作背屈；足尖下垂称作踝关节的屈，又称作跖屈。外展内收运动是指运动环节在额状面内绕矢状轴运动，接近正中面的为内收，远离正中面的为外展。旋内旋外运动是运动环节在水平面内绕垂直轴旋转，由前往后旋转为旋内运动，由后往前旋转为旋外运动。如图 肢关节运动机理研究 人体下肢包括骨带盆以及下肢骨，主要有髋关节、膝关节、踝关节等关节组成。人体下肢做出的各种运动，都是下肢各个关节之间相互运动产生的。图 人体下肢关节图。 髋关节由髋骨的髋臼和股骨头组成，属于典型的球窝关节，如图 示。在髋臼的边缘有关节盂附着，增加了关节窝的厚度。髋关节周围有很多韧带来限制髋关节运动范围。髂股韧带，呈人字形，长而坚韧，主要限制大腿过度后摆，对维持站立姿态具有非常重要的意义。耻骨韧带位于关节囊下部，起到限制大腿过度外展和旋 外的图 人体下肢关节运 动形式 17 作用。坐骨囊韧带位于关节囊后部，有限制大腿旋内的作用。髋关节为多轴性关节，能够完成旋内旋外、内收外展、屈伸等运动。但是由于股骨头深入髋臼较深，加 之关节囊比较厚以及关节韧带的原因使得髋关节沿各个轴的运动受到一定限制 11。 综上所述，髋关节具有三个自由度，分别是矢状面屈伸自由度、额状面外展内收自由度以及水平面旋内旋外自由度。 图 人体下肢关节 图 关节解剖图 图 关节剖面图 18 膝关节主要由股骨、胫骨以及髌骨之间的关节面构成，具体包括股骨内外侧的髁关节面、髌面、胫骨的内外侧髁关节面和髌骨的 后面。膝关节的关节面为椭圆形，周围韧带多而强，特别是 膝关节内交叉 的 两条韧带。前交叉韧带附着于胫骨髁间前窝，斜向后外上方，止于股骨外侧髁内面的后 端 ， 主要限制 胫骨前移。后交叉韧带位于前交叉韧带的后内侧，较前交叉韧带短，起自胫骨髁间后窝及外侧半月板的后端，斜向前上内方，附于股骨内侧髁外面的前份， 主要 限制胫骨后移 11。 因此，膝关节绕垂直轴运动范围很小，在伸直时，韧带拉得更紧，不能做任何旋转运动。所以通常情况下，一般认为膝关节仅具有屈伸自由度，可以将其看做一个铰关节。 踝关节主要由胫骨下 关节面、内踝关节面与外踝关节面共同形成的一个叉状关节窝和以距骨上方的髁状关节面为管接头而连接形成的一个髁状关节，如图 示。踝关节只有一个主要的运动轴，绕额状轴可做屈足背、屈跖等动作。同时，由于距骨的髁状关节面前宽后窄，当足屈时，髁状关节面较窄的部分未能填满关节窝，这使得踝关节可绕矢状轴做微小的外翻和内翻运动。此外，踝关节还可以做小幅度内收外展动作 11。 因此，通常情况下，认为踝关节具有屈足背、屈跖以及外翻和内翻两个自由度。 综上所述，可以得知髋关节、膝关节、踝关节的自由度情况，见表 图 踝关节解剖图 19 表 体下肢各关节自由度情况 参考面 关节 髋关节 膝关节 踝关节 矢状面 屈伸 屈伸 屈足背、屈跖 冠状面 外展内收 无 外翻和内翻 横截面 旋内旋外 无 无 接下来对人体下肢各关节运动角度作一下定义： 首先对人体下肢关节角度以及转矩的正负以及数值大小确定做如下说明。当人体双脚水平站立时，各关节角度为 0。行走时，关节角度方向从主动近端关节到被动远 端关节逆时针方向为正，角度大小为主动近端关节与被动远端关节轴线之间夹角。力矩的定义相同，如图 肢健身外骨骼设计 在完成对人体下肢关节运动机理研究之后，开始进行下肢健身外骨骼结构设计。下肢健身外骨骼与穿戴者组成一个人机耦合系统，因此在设计时应考虑如下因素：首先，下肢健身外骨骼在设计时应当考虑人机作用方式，即下肢健身外骨骼与穿戴者的作用方式。在充分考虑人机工程学以及仿生学的基础上，应该尽可能采用拟人化的设计方法。具体体现在，下肢健身外骨骼关节位置以及关节自由度需尽可能与人体匹配，以满足人体下肢关节运动范围的要求。其次，下肢健身外骨骼应具有良好的适应性。由于不同人身高体重的不同，其下肢的几何尺寸也 是不同的。因此，在设计时，下肢健身外骨骼系统结构尺寸应当在一定范围内可调节，以适应更多的人穿戴。这就需要图 关节角度定义 20 参考人体相应的标准加以设计。然后，下肢健身外骨骼系统应当具有轻便、快速穿戴及解脱、便携、坚固耐用等特点。这就需要从材料选择、机构设计方面加以保证。最后，也是最重要的一点，就是下肢健身外骨骼系统必须足够安全，不管是在正常工作还是在故障条件下，系统都不会对人体造成伤害。这就要从可靠性以及控制等方面进行规划加以保证。此外，系统还应考虑的因素包括系统散热性能、噪音性能等。 以往外骨 骼机器人的设计大致分为两类，一类是非拟人化设计如 一类为拟人化设计，最典型的为伯克利的 面分别介绍一下这两种方式的优缺点。 非拟人化设计是比较常见的，它在设计时不以人体为基础，与人非同构性，不反映人体运动特征，只考虑如何实现设计目的，如自行车的设计。外骨骼机器人如果采用非拟人化设计的话，结构会相对简单，只需保证与人体不产生干涉就可以。由此带来的后果是系统所需空间大，比较笨重；不能保证人体的安全，在行走时可能会强制人体做出不需要的动作，从而对人体造成伤害；不能很好的跟随人体一起 运动，对人体运动产生阻碍。 图 外骨骼机器人结构图 21 拟人化设计也分为两种：完全拟人化设计、半拟人化设计。完全拟人化设计要求系统与人体结构完全相同；半拟人化设计则要求系统关键部分与人体结构相同即可。人体下肢关节结构非常复杂，基于目前技术限制，完全模仿是不可能的，我们只能做到半拟人化设计。当我们采用半拟人化设计时，外骨骼机器人结构与人体下肢结构基本相同。系统模仿人体下肢主要关节，满足人体下肢各关节各自由度运动范围。基于拟人化设计的外骨骼系统，系统空间体积相对较小，能够很好地跟随人体运动；不容易与人体产生干 涉；控制相对简单。 基于两种方法优缺点的综合考虑，我们选择拟人化设计 ,系统三维模型如图 骨骼机器人各关节设计 采用拟人化设计方法设计的外骨骼机器人系统，包括背部机构和仿生腿，如图 统下肢各关节与人体下肢关节类似，具体设计如下。 通过上述分析，我们可知髋关节为球窝关节，具有三个自由度，分别是矢状面屈伸自由度、额状面外展内收自由度以及水平面旋内旋外自由度。从机械设计方面考虑，我们完全可以设计出类似的球窝关节，但是考虑到关节驱动问题，目前对球窝关节关节进行驱动还是比较困难的。 因此在设计时，我们做了如下变通，在结构方面没有模仿人体髋关节结构，而是在功能上进行模仿即设计的外骨骼髋关节具有上述二个自由度，即屈伸自由度、旋内旋外自由度。 根据上述分析，设计的外骨骼髋关节如图 图 a） 外骨骼机器人髋关节结构 图 b） 旋内旋外自由度实现 22 图 2.9(b)为髋关节旋内旋外自由度，转动角度为 可以外加机械限位机构进行限位用来保证人体安全。图 2.9(b)为髋关节旋内旋外自由度，在设计时综合考虑了大腿长度调整方式。内套筒与大腿杆利用大腿杆上夹紧机构夹紧，可进行高度调整。转动件相对于大腿杆与内套筒可以自由转 动，进而实现髋
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