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穿戴式机械腿机构设计【9张CAD图纸】【优秀】

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穿戴式机械腿机构设计

41页 15000字数+说明书+任务书+开题报告+9张CAD图纸【详情如下】

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实习论文docx

封面docx

弹簧DWG

摘要docx

目录docx

穿戴式机械腿机构设计开题报告doc

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管子DWG

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装配图dwg

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中文摘要I

Abstract II

第一章绪论1

11研究背景1

12下肢康复机器人概况 2

121康复机器人研究历史2

　　122下肢康复机器人分类3

13下肢康复机器人的研究现状5

131国外研究现状5

　　132国内研究现状;9

14下肢康复机器人研究存在的问题11

15课题意义及主要研究内容11

第二章穿戴式机械腿机构运动分析13

21 引言13

22人体下肢生物骨骼模型13

23骨骼的运动与下肢关节13

第三章穿戴式机械腿机构设计19

31穿戴式机械腿设计19

311三维模型设计19

312膝关节、踝关节及脚部设计21

313下肢连接器26

314大小腿弹簧助力器及保护26

315下肢骸部设计28

316 腿部固定30

第四章强度校核31

41关节旋转连接器受力分析31

设计总结34

参考文献36

致谢38

中文摘要

本论文研究穿戴式机械腿机构。穿戴式机械腿是一种典型的人机一体化系统，该机构是一种穿戴于人体腿部帮助有下肢乏力的患者进行康复治疗的机械结构。本文在人-机相容性方面做了详细的分析，使本机构在较好的穿戴位形下依靠人体的运动信息控制穿戴式机器人，在运动过程中提高人机步态的一致性，达到更好的康复治疗的目的。

论文分析了国内外研究现状，了解了国内外相关研究的背景情况、研究进展和未来的发展问题，总结了下肢康复机器人研究中还存在的问题，进而确定了本文的主要研究内容及所需解决的关键问题。

本文确定了下肢康复机器人机构的自由度，对机构进行了关节布位，通过自由度的分析对人-机联接模式和约束性质进行了研究，从而确定了骨骼-机构联体模型。在人体骨骼模型的基础上，提出了一种机构构型方案。对人-机相容性进行了定义，分析了人-机相容性的影响因素。在此基础上分别对人体下肢骨骼模型和这种机构构型进行了三维模型设计。

关键词:康复机器人,人-机相容性,机构设计

Abstract

This study discusses lower extremity rehabilitative robot The lower extremity rehabilitative robot is a typical man-machine integrated system; it is worn on the body of a limb to help patients with physical disabilities rehabilitation of mechanical devices In this paper, man-machine compatibility has done more analysis and with well wearing this equipment to rely on the human body configuration under the control of lower extremity rehabilitative robot motion information It improves the consistency rehabilitation of human gait in the course of the campaign to achieve better purposes

This paper analyzes the research situation and has a research about the background of relevant research at home and abroad, progress of research and future development Lower extremity rehabilitation robot research summarized the problems still exist, and then this article determines the main contents, and the key issues need to be resolved

This paper has identified the DOF of lower extremity rehabilitative robot and the joint distribution of digital agencies Through the analysis in freedom this article do the research on the human-machine connection mode and the nature binding Two programs of mechanism are proposed based on the bone一body conjoined model The study defines the compatibility of human-machine and analyzes the compatibility factors of human-machine On this basis, the human skeleton model and the configuration of the two agencies are conducted by the three-dimensional model design respectively

Keywords: rehabilitative robotics, man-machine compatibility, mechanism design

第一章绪论

11研究背景

我国已经进入老龄化社会，老龄化问题逐渐得到关注。《2009年度中国老龄事业发展统计公报》称，2009年我国60岁及以上老年人口己达到16714亿，占总人口的125%;到2015年我国60岁及以上老年人口将达到216亿，约占总人口的167%。在老龄人群中有大量的脑血管疾病或者神经系统疾病患者，其中以脑卒中患者居多，而这类患者多数会留下偏瘫等症状。另外，近十年来我国各类交通运输工具的保有量迅速增长，因交通事故造成身体损伤的人数每年超过30万人。据统计，我国目前有8296万残疾人，有康复需求的接近5000万，每年因车祸、疾病等原因新增的残疾人数量达100多万。医学理论和临床医学证明，这类患者除了早期的手术治疗和必要的药物治疗外，正确的、科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要的作用。

由于脑的可塑性，医学上通常是通过重复的、特定任务的训练让患者进行足够的重复性活动，从而使重组中的大脑皮质通过深刻的体验来学习和储存正确的运动模式。减重活动平板步行训练的治疗方法就是基于上述原理对患者进行训练并且取得了良好的临床效果，成为下肢康复医疗采用的主要方法。训练采用悬吊式减重器和活动平板(医用跑步机)配合工作来协助患者完成步行动作。其悬吊装置可以不同程度地减少患者上身体重对下肢的负荷，患者在康复治疗师的帮助下借助于运动平板进行康复训练。训练过程中一般需要两名治疗师相互协调，一名治疗师在患者侧面帮助并促进患者侧下肢摆动，确定脚跟先着地，防止出现膝关节过伸，保证两腿站立时间与步长对称;另一名治疗师站在患者身后，促进重心转移至负重腿上，保证骸屈伸、骨盆旋转和躯干直立。减重步行训练可以获得较为理想的肢体功能恢复效果，但是这种治疗师对患者“手把手”式的训练方式存在一些问题。

首先，一名患者需要两名治疗师进行运动训练，效率低下，并且由于治疗师自身的原因，可能无法保证患者得到足够的训练强度，而且治疗效果会受到治疗师自身经验和水平的影响。

其次，不能精确控制和记录训练参数(运动速度、轨迹、强度等)，不利于治疗方案的确定和改进;不能记录描述康复进程的各种数据，康复评价指标不够客观;无法建立训练参数和康复指标之间的对应关系，不利于对患者神经康复规律进行深入研究。

1.2下肢康复机器人概况

康复机器人是康复医学和机器人技术的完美结合，人们不再把机器人当作辅

助患者的工具，而是把机器人和计算机当作提高临床康复效率的新型治疗工具。

下肢康复机器人是目前康复机器人研究领域的一个主要研究对象。它主要用

于辅助患有脑血管疾病或神经系统疾病的患者进行下肢的康复训练，帮助他们重

获步行能力。它可以在专业的医疗机构甚至在家中使用，使患者获得更强的独立

生活能力，并能相当大的提高他们的生活质量。在过去的几年中，下肢康复机器

人在世界各国己经有了很大的发展并取得了相当多的成果，一些企业在其技术开

发及投资方面有了很大的投入，下肢康复机器人技术正在向产业化和普及化发展。

1.2.1康复机器人研究历史

第一次尝试把为残疾人服务的机器人系统产品化是在20世纪的60年代到

70年代，实践证明这些尝试都失败了。失效原因主要有2个方面:其一是设计

的不理想，尤其是人机接口;另一个不是技术的原因，而是因为单价太高导致了

康复机器人产品化的失败。

20世纪80年代是康复机器人研究的起步阶段，美国、荷兰和瑞士在康复机

器人方面的研究处于世界领先地位。90年代以来，全世界己有超过20所大学的

实验室及康复医疗机构相继开展了基于机电结合机器人技术的下肢康复训练系

统的研制和实验研究工作。

首先在机械手方面取得了一定的成就。1993年，Lum P. S.等研制了一种称作“手-物体-手”的系统(hand-object-hand system），如图1-1左图，用来对一只手功能受损的患者进行康复训练。这种双手物理治疗辅助机器包括两个置于桌面上可绕转轴转动的夹板状手柄，其中一个手柄下端连接在驱动电机上，电机可以辅助患者完成动作。

1995年，Lum P. S.等又研制了一种双手上举的康复器(bimanual lifting

rehabilitator），如图1-1右图，用来训练患者用双手将物体举起这一动作。该设备为两自由度连杆结构，当患者双手握住手柄将其举起时，设备既可测量被举物体的垂直位置及倾斜角度参数，也可以在左手(患侧手)无法产生足够大的力时

予以辅助，机器所施加的力可以按患者的需要改变，从而保持上举动作的平衡。

参考文献

【1】李研彪，刘毅，李景敏，计时鸣，赵章风，新型拟人机械腿的参数优化， 2013

【2】计时鸣，刘毅，李研彪，李景敏，一种新型拟人机械腿的运动传递性能分析，1001-4551(2012)10-1125-05

【3】伊蕾，助行康复机器人控制策略研究，2012,04

【4】邓楚慧，穿戴式下肢康复机器人机构分析及优化设计，2012,6.10

【5】刘毅，一种新型拟人机械腿的性能研究，2012,12

【6】尹军茂，穿戴式下肢外骨骼机构分析与设计，2010，05

【7】赵豫玉，穿戴式下肢康复机器人的研究，2009,03

【8】王志鹏，郭险峰，穿戴式下肢外骨骼康复机器人机械设计，1672-3791(2012)11(c)-0005-03

【9】余联庆，吴昌林，马世平，基于仿生研究的步行机缓冲型腿机构设计，1671-512( 2005) 06-0105-03

【10】金振林，曲梦可，六足步行机器人的并联机械腿设计，10. 3788/OPE. 20122007. 1532

【11】金振林，曲梦可，三自由度并联机械腿静力学分析与优化，1002-6819(2012)-20-0041-09

【12】孙恒陈作模葛文杰. 机械原理西北工业大学机械原理及机械零件教研室编，第七版，高等教育出版社，2006.5

【13】濮良贵纪名刚.机械设计西北工业大学机械原理及机械零件教研编，第八版，高等教育出版社，2006.5

【14】周建方等.材料力学机械工业出版社，普通高等教育机电类规划教材，2002.1

【15】机械制图大连理工大学工程图学教研室编，第六版，高等教育出版社，2007.7

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【18】Low K. H., Liu Xiaopeng. Yu Haoyong. Development of NTU Wearable Exoskeleton System for Assistive Technologies. Proc. of the 2005 IEEE Int. Conference on Mechatronics and Automation. 2005.7，1099-1106

【19】H. Kazerooni, J. L. Racine, L. Huang, R. Stegre .On the Control of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX). Proc. of the 2005 IEEE Int. Conference on Robotics and Automation, 2005. 4, 4353-4360

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【21】Kawamoto H., Lee S., Kanbe S., Sankai Power Assist Method for HAL-3

Using EMG-Based Feedback Controller. Proc. of the 2003 IEEE Int. Conference on Systems, Man and Cybernetics, 2003. 10, 1648-1653

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内容简介：: 扬州大学广陵学院毕业设计（论文）任务书教科部：机械电子系专业：机械设计制造及其自动化学生姓名: 蒋璞学号: 100007117 毕业（论文）题目：穿戴式机械腿机构设计起迄日期： 2014.2.22-2014.6.6 设计（论文）地点：扬州大学江阳路南校区指导老师：周建华专业负责人：发任务书日期： 2014年 4月9 日扬州大学广陵学院本科生毕业论文任务书论文题目穿戴式机械腿机构设计年级大四专业机械设计制造及其自动化学生姓名蒋璞学号100007117主要内容：1. 具有较好的机械设计理论基础，能熟练掌握二维和三维的制图软件，具有比较强的独立研究和探索能力，具有较强的主动沟通意识。2. 穿戴式机械腿机构设计,完整的机械设计过程及其说明；3. 完成二维或者三维的设计图纸绘制；4.查阅文献15篇以上，翻译不少于5000印刷符的英文资料；5.撰写开题报告：包括工作任务分析、调研报告或文献综述、方案拟定与分析以及实施计划等；6.撰写毕业论文，篇幅不少于1万字。主要任务及基本要求（包括指定的参考资料）：主要任务及基本要求：1、撰写开题报告：包括工作任务分析、调研报告或文献综述、方案拟定与分析以及实施计划等；2、查阅文献14篇以上，翻译不少于5000印刷符的英文资料；3、熟练运用二维三维绘图软件；4、撰写毕业论文，篇幅不少于1万字。主要参考文献：【1】李研彪，刘毅，李景敏，计时鸣，赵章风，新型拟人机械腿的参数优化， 2013. 09. 【2】计时鸣，刘毅，李研彪，李景敏，一种新型拟人机械腿的运动传递性能分析，1001-4551(2012)10-1125-05 【3】伊蕾，助行康复机器人控制策略研究，2012,04【4】邓楚慧，穿戴式下肢康复机器人机构分析及优化设计，2012,6.10【5】刘毅，一种新型拟人机械腿的性能研究，2012,12【6】尹军茂，穿戴式下肢外骨骼机构分析与设计，2010，05【7】赵豫玉，穿戴式下肢康复机器人的研究，2009,03【8】王志鹏，郭险峰，穿戴式下肢外骨骼康复机器人机械设计，1672-3791【9】余联庆，吴昌林，马世平，基于仿生研究的步行机缓冲型腿机构设计，1671-512( 2005) 06-0105-03【10】金振林，曲梦可，六足步行机器人的并联机械腿设计，10. 3788/OPE. 20122007. 1532【11】金振林，曲梦可，三自由度并联机械腿静力学分析与优化，1002-6811【12】孙恒陈作模葛文杰. 机械原理西北工业大学机械原理及机械零件教研室编，第七版，高等教育出版社，2006.5【13】濮良贵纪名刚.机械设计西北工业大学机械原理及机械零件教研编，第八版，高等教育出版社，2006.5 【14】周建方等.材料力学机械工业出版社，普通高等教育机电类规划教材，2002.1【15】机械制图大连理工大学工程图学教研室编，第六版，高等教育出版社，2007.7发出任务书日期： 2014年2月22日完成期限：2014年4月9日指导教师签名：专业主任签名：年月日蒋璞穿戴式机械腿机构设计扬州大学广陵学院毕业设计（论文）前期工作材料学生姓名：蒋璞学号： 100007117 教科部：机械电子系专业：机械设计制造及其自动化设计（论文）题目：穿戴式机械腿机构设计指导老师：周建华材料目录序号名称数量备注1毕业设计（论文）选题、审题表12毕业设计（论文）任务书13毕业设计（论文）实习调研报告14毕业设计（论文）开题报告（含文献综述）15毕业设计（论文）外文资料翻译（含原文）16毕业设计（论文）中期检查表1 2014 年 4月 9日扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）题目申报表设计（论文）题目穿戴式机械腿机构设计题目类型1题目来源A面向专业机械设计制造及其自动化指导教师周建华职称副教授学位博士从事专业机械，计算机行业题目简介：现代机器人所具有的机械动力装置使得机器人可以轻易地完成很多艰苦的任务，比如举起、搬运沉重的负载等。虽然现代机器人控制技术有了长足的发展，还远达不到人的智力水平，包括决策能力和对环境的感知能力。与此同时，人类所具有的智能是任何生物和机械装置所无法比拟的，人所能完成的任务不受人的智能的约束，而仅受人的体能的限制。因此，将人的智能与机器人所具有的强大的机械能量结合起来，综合为一个系统，将会带来前所未有的变化，这便是穿戴式机器人的设计思想。审核意见：审核人签名：年月日题目类型1、为结合科研；2、为结合生产实际；3、为结合大学生科研训练计划；4、为结合学科竞赛；5、模拟仿真；6、其它题目来源A.指导教师出题； B.学生自定、自拟；扬州大学广陵学院毕业设计（论文）实习调研报告学生姓名：蒋璞学号： 100007117 专业：机械设计制造及其自动化指导老师：周建华扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）中期自查表（中期教学检查用）学生姓名蒋璞学号100007117专业机械设计制造及其自动化班级机械81001班指导教师周建华职称副教授设计（论文）题目穿戴式机械腿机构设计个人精力实际投入每天平均工作时间6小时迄今缺席天数无出勤率%100%指导教师每周指导次数2每周指导时间（小时）2未指导的周次及原因无毕业设计（论文）工作进度（完成）内容及比重已完成主要内容（30%）待完成主要内容（70%）进展正常存在问题及解决方案指导教师意见：指导教师签名：年月日扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）指导教师审阅意见表设计（论文）题目穿戴式机械腿机构设计学生姓名蒋璞专业机械设计制造及其自动化班级机械81001班指导教师姓名周建华职称副教授得分指导教师审阅意见：指导教师签名：年月日扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）评阅人意见表设计（论文）题目穿戴式机械腿机构设计学生姓名蒋璞专业机械设计制造及其自动化班级机械81001班评阅人姓名职称得分评阅人意见：评阅人签名：年月日扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）答辩结果表设计（论文）题目穿戴式机械腿机构设计学生姓名蒋璞专业机械设计制造及其自动化班级机械81001班答辩记录：答辩小组意见：得分组长签名日期答辩委员会意见：指导教师评分评阅人评分答辩小组得分结构分最终成绩主任签章日期8实习论文 3月11日，下午2点半，扬州大学广陵学院机械电子工程系组织一次参观实习活动，我们去的是扬州海昌粉末冶金有限公司。扬州海昌成立于2001年1月，注册资本500万，厂房占地37亩,工厂建筑面积12000平方米。2013年6月组建粉末注射(MIM)和齿轮箱事业部。拥有多条标准的粉末冶金生产线，目前贵公司有国内先进的高精度机械式成形机和精整机60余台，连续式的烧结炉，高温烧结炉，蒸汽处理炉，渗碳炉，深冷设备10余台，丰富精密的检测设备：三次元，投影仪，粗糙度仪，轮廓度仪，金像分析仪等30余台。 “诚信经营，精良品质，卓越服务”是贵公司的的企业宗旨。积极、高效、专业的人才是他们的成长基石，而同事间则是相互信任、尊重和坦诚的。贵公司重视科技与人才，通过斥巨资购买国内外粉末冶金专业设备，同时培养吸纳一批粉末冶金的专业团队。贵公司自成立以来，实行严密的检测手段和管理制度，于2004年1月通过ISO9001:2000认证，并在2011年10月获得了TS16949质量体系管理证书。目前贵公司可依照 GB、 JIS 、 DIN 、 MPIF 标淮为世界500强的电动工具，汽车，家电企业配套，主要生产专业粉末冶金的各类铁基、铜基含油轴承、高强度齿轮件及各种结构等零件。此次半天参观实习，和去年4月份去洛阳一拖实习性质差不多，我们坐校车去该贵公司，路途中，学校老师就跟我们介绍贵公司，我心中十分好奇，真想立马就到。不到一小时，我们终于到了，迎面扑来的是高端大气上档次的厂房，我们能闻到机械原料味道和熟悉的机械工作声音，相当于导游一样的贵公司介绍人，开始带我们去参观实习。贵公司介绍人主要带我们去看了PM生产设备，MIM生产设备，Gear-box生产设备，检测设备，Gear-box检测设备。 PM是预防维护和生产维护的总称，（1）清扫：不只是表面，要将犄角旮旯清扫干净，让设备、工装的磨损、噪音、松动、变形、渗漏等缺陷暴露出来，及时排除。 2）润滑：少油、缺脂造成润滑不良，使设备运转不正常，部分零件过度磨损、温度过高造成硬度、耐磨性减低、甚至形成热疲劳和晶粒粗大的损坏。应定时、定量、定质、及时加油、加脂。 3）紧固：紧固螺栓、螺母，避免部件松动、振动、滑动、脱落而造成的故障。 4）堵漏：防止、堵塞润滑油脂、压缩空气、蒸汽、水、冷却介质、冷气、热量泄漏。 MIM技术作为一种制造高质量精密零件的近净成形技术，具有常规粉末冶金、机加工和精密铸造方法无法比拟的优势。（1）能象生产塑料制品一样生产形状复杂的小型金属零件（0.1-500g）。（2）制件各部分组织均匀、尺寸精度高、相对密度高（95%）。（3）表面光洁度好。（4）产品质量稳定，生产效率高，易于实现大批量、规模化生产。 MIM技术适合材料：铁基合金钢、不锈钢、镍基合金、钨合金、硬质合金、钛合金、磁性材料、Kovar合金、精细陶瓷等。 Gear-box是变速箱的意思。我觉得主要应用在汽车上，因为学车时，老记得教练说变速箱的东西，变速箱主要指的是汽车的变速箱，它分为手动、自动两种，手动变速箱主要由齿轮和轴组成，通过不同的齿轮组合产生变速变矩；而自动变速箱AT是由液力变扭器、行星齿轮和液压操纵系统组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。功能为：一、改变传动比；二、在发动机旋转方向不变情况下，使汽车能倒退行驶；三、利用空挡，中断动力传递，以发动机能够起动、怠速，并便于变速器换档或进行动力输出。看到上面的图片，不由得想起了机械设计的原理，齿轮1传2,2传3，一直往下去，最终推动设备的运动，感觉书上学的，今天能派上用场，感觉好窃喜啊! 检测设备有很多种类，工厂常用的检测设备有很多，包括测量设备卡尺、天平等，另外还有质量检测分析仪器，材质检测、包装检测设备等也是常见的检测设备。在包装环节中比较常见的有包装材料检测仪、金属检测设备、非金属检测设备以及无损检测设备等。之后，贵厂介绍人带我们去他们产品分类处，有专门的老师傅给我们介绍，还给我们自己去感受，他们产品主要分类是电动工具类，家电类和汽车类三大类。汽车类，主要是变速箱，我重点看了家电类，因为这距离自己最短，最贴合实际，老师傅介绍最多的是螺纹，垫片和圆柱销。螺纹：在圆柱或圆锥母体表面上制出的螺旋线形的、具有特定截面的连续凸起部分。螺纹按其母体形状分为圆柱螺纹和圆锥螺纹；按其在母体所处位置分为外螺纹、内螺纹，按其截面形状（牙型）分为三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹及其他特殊形状螺纹。考研那会，看了机械设计，什么外螺纹，内螺纹，对这个映像比较深刻，它的作用是（1）联结机件。如：螺栓螺母。（2）传递动力，并改变运动形式。（将旋转变为直线）如：台虎钳，丝杠千斤顶，机床工作台的运动，外径千分尺等。垫片（gasket）是两个物体之间的机械密封，通常用以防止两个物体之间受到压力、腐蚀、和管路自然地热胀冷缩泄漏。由于机械加工表面不可能完美，使用垫片即可填补不规则性。垫片通常由片状材料制成，如垫纸，橡胶，硅橡胶，金属，软木，毛毯，氯丁橡胶，玻璃纤维或塑料聚合物（如聚四氟乙烯）。特定应用的垫片可能含有石棉。垫圈（washer）是薄板（通常圆型）的一个漏洞（通常在中间）通常是用于分配的负荷线程紧固件。其他用途是作为间隔，弹簧（贝尔维尔垫片，波垫片），耐磨垫，预显示装置，锁装置。橡胶垫圈也用在水龙头（阀门）以切断流动的液体或气体。橡胶或硅垫片也可使用，以减少风扇的振动。通常垫片外径是内径的两倍左右。垫圈的作用主要有减压、增加摩擦、密封、减震、固定等五大作用。圆柱销主要用于定位，也可用于连接，他依靠过盈配合固定在销孔内。圆柱销用于定位是通常不受载荷或者受很小的载荷，数量不少于两个，分布在被连接件整体结构的对称方向上，相距越远越好，销在每一被连接件内的长度约为小直径的12倍。圆柱销也有普通圆柱销、内螺纹圆柱销、螺纹圆柱销、带孔销、弹性圆柱销等几种。圆柱销也可以做轴用，一个直轴也可以做圆柱销，甚至是定心销。那么轴和销的区别是什么呢？轴可以用来传递扭矩，承受弯矩和扭矩，圆柱销用来定位，承受挤压力和剪切力。某种意义上来说（如小型设备），圆柱销也可以做轴用。虽然就短短的2小时，感受到机械发展真是快，那全自动的设备，真是高大上，还有许多专业术语不是太懂，不过，回来可以请教老师，编程，画图,操作，我要学精，我感觉这三方面最为重要。扬州大学广陵学院本科生毕业论文毕业设计题目穿戴式机械腿机构设计学生姓名蒋璞专业机械设计制造及其自动化班级机械81001班指导教师周建华完成日期 2014年 5 月 30 日中文摘要本论文研究穿戴式机械腿机构。穿戴式机械腿是一种典型的人机一体化系统，该机构是一种穿戴于人体腿部帮助有下肢乏力的患者进行康复治疗的机械结构。本文在人-机相容性方面做了详细的分析，使本机构在较好的穿戴位形下依靠人体的运动信息控制穿戴式机器人，在运动过程中提高人机步态的一致性，达到更好的康复治疗的目的。论文分析了国内外研究现状，了解了国内外相关研究的背景情况、研究进展和未来的发展问题，总结了下肢康复机器人研究中还存在的问题，进而确定了本文的主要研究内容及所需解决的关键问题。本文确定了下肢康复机器人机构的自由度，对机构进行了关节布位，通过自由度的分析对人-机联接模式和约束性质进行了研究，从而确定了骨骼-机构联体模型。在人体骨骼模型的基础上，提出了一种机构构型方案。对人-机相容性进行了定义，分析了人-机相容性的影响因素。在此基础上分别对人体下肢骨骼模型和这种机构构型进行了三维模型设计。关键词:康复机器人,人-机相容性,机构设计 Abstract This study discusses lower extremity rehabilitative robot. The lower extremity rehabilitative robot is a typical man-machine integrated system; it is worn on the body of a limb to help patients with physical disabilities rehabilitation of mechanical devices. In this paper, man-machine compatibility has done more analysis and with well wearing this equipment to rely on the human body configuration under the control of lower extremity rehabilitative robot motion information. It improves the consistency rehabilitation of human gait in the course of the campaign to achieve better purposes. This paper analyzes the research situation and has a research about the background of relevant research at home and abroad, progress of research and future development. Lower extremity rehabilitation robot research summarized the problems still exist, and then this article determines the main contents, and the key issues need to be resolved. This paper has identified the DOF of lower extremity rehabilitative robot and the joint distribution of digital agencies. Through the analysis in freedom this article do the research on the human-machine connection mode and the nature binding. Two programs of mechanism are proposed based on the bone一body conjoined model. The study defines the compatibility of human-machine and analyzes the compatibility factors of human-machine. On this basis, the human skeleton model and the configuration of the two agencies are conducted by the three-dimensional model design respectively. Keywords: rehabilitative robotics, man-machine compatibility, mechanism design III目录中文摘要.IAbstract .II第一章绪论.11.1研究背景.11.2下肢康复机器人概况 .2 1.2.1康复机器人研究历史.21.2.2下肢康复机器人分类.31.3下肢康复机器人的研究现状.5 1.3.1国外研究现状.51.3.2国内研究现状.;.91.4下肢康复机器人研究存在的问题.111.5课题意义及主要研究内容.11第二章穿戴式机械腿机构运动分析.132.1 引言.132.2人体下肢生物骨骼模型.132.3骨骼的运动与下肢关节.13第三章穿戴式机械腿机构设计.193.1穿戴式机械腿设计.19 3.1.1三维模型设计.19 3.1.2膝关节、踝关节及脚部设计.21 3.1.3下肢连接器.26 3.1.4大小腿弹簧助力器及保护.26 3.1.5下肢骸部设计.28 3.1.6 腿部固定.30第四章强度校核.314.1关节旋转连接器受力分析.31设计总结.34参考文献.36致谢.38扬州大学广陵学院毕业设计(论文)开题报告学生姓名：学号：专业：机械设计制造及其自动化设计(论文)题目：穿戴式机械腿机构设计指导老师： 2014年 4 月 9 日扬州大学广陵学院本科生毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目穿戴式机械腿机构设计题目来源指导老师出题题目类型为结合科研指导教师周建华学生姓名蒋璞学号100007117专业机械设计制造及其自动化开题报告内容：（调研资料的准备与总结，研究目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段、内容及时间安排；完成毕业设计（论文）所具备的条件因素等。）本毕业设计（论文）课题应达到的目的：（1）培养学生的调查研究以及资料、信息的获取、分析等综合能力；（2）培养学生的工程设计能力，主要包括设计、计算及绘图能力；（3）培养学生的综合运用专业理论知识，分析解决实际问题的能力；（4）培养学生的在设计过程中使用计算机的能力；（5）培养学生的撰写设计说明书、论文的能力；（6）培养学生创新能力和创新精神。本毕业设计（论文）课题工作进度计划：起止日期工作内容2014-02-222014-03-312014-04-12014-05-302014-06-012014-06-07毕业设计开始，查阅中外文资料，完成外文翻译，完成实习调研和实习报告，完成开题报告；进行毕业设计，接收毕业设计中期检查，根据设计要求，进行机械结构原理设计和结构设计，撰写毕业设计论文；修改完善毕业论文、准备毕业答辩、整理毕业设计期间的所有资料、成果并归档。文献综述一、课题研究的内容及意义穿戴式智能设备”是应用穿戴式技术对日常穿戴进行智能化设计、开发出可以穿戴的设备的总称，如Ekso Bionics机械腿，鞋等。机械腿的研究是步行机器人研究的核心内容。步行机器人是一个交叉学科的研究，它涉及仿生学、机械学、控制学及信息处理技术等。步行机器人在多个行业具有很多应用优势，逐渐成为国内外机器人研究领域的一个热点。步行机器人与其他履带式、轮式机器人相比，具有以下的运动特性。(1)步行机器人具有良好的地面自适应性步行机器人可以在复杂的地形上利用离散的点来选择最优的地面支撑点，并且可以跨越一定的障碍物。(2）步行机器人的腿部运动系统比较稳定步行机器人的腿部运动系统可以保证身体相对地面的稳定，因其腿部具有多个自由度，灵活性大，同时可以通过调节腿的伸展度来调整重心，因此不易翻倒，稳定性高。仿人机器人作为步行机器人的一种形式，是提高机器人机动性和节省能源的一条重要途径。仿人机器人是机器人研究领域最高研究成果的代表。相对于其他机器人，仿人机器人具有人的外形，并具备良好的人机交互能力，所以在娱乐服务等领域，仿人机器人具有更明显的优势。仿人步行机器人具有诸多的优势，使其成为日前研究的热点。为使机器人腿部能协调而稳定的运动，机械结构设计和控制系统算法的研究都比较复杂，使其研究充满挑战。二、课题国内外现状1.国外研究现状 2000年，德国自由大学Hesse Stefen等人研制了一种下肢康复训练机器人MGT 。 2001年，德国弗朗霍费尔研究所(Franhofer Institut IPK)基于吊线木偶原理，研制了一种绳驱动式下肢康复训练机器人Stringman，配合踏步车使用。 Ekso Bionics，是一款可穿戴的、通过电池供电的仿生机械腿，将之穿在身上后，它可以提供必要的支撑力，让人重新站立。而且整套系统还采用了仿生设计，以内置电动马达为动力，当人们把它穿在身上，就能重新获得行走的能力！Ekso Bionics图2.国内研究现状在下肢机器人方面，国内研究起步较晚，取得的成果也不多。目前的研究机构主要有上海大学、浙江大学、哈尔滨工业大学和哈尔滨工程大学等。具有代表性的是:哈尔滨工程大学开发的辅助型下肢康复训练机器人和浙江大学开发的可穿戴式的下肢步行外骨骼。从2004年，中科院合肥智能机械研究所也开始从事相关的研究工作。 2002年，哈尔滨工程大学机电一体化研究所研制出了一种下肢康复训练机器人样，如图1-16所示，该机器人由三自由度步态机构、姿态机构和重心平衡机构等组成。其优点是可实现脚的姿态调整，在机器人的远程控制技术、虚拟现实技术及减重控制策略方面进行了实验或仿真研究，后续研制并开发了可与该机器人配合使用的四自由度绳索牵引骨盆运动并联康复机器人。 2006年，上海大学机电工程与自动化学院也研究了一套可穿戴式助力机械腿，如图1-17所示。单侧下肢有两个自由度，分别为骸关节屈/伸和膝关节屈/伸。 2007年，哈尔滨工程大学机电一体化实验室的研究小组研制了被动式步态康复训练器。2009年，该研究小组又提出了步态训练机器，机器人可控制双足矢状面内六自由度的运动，具有承载能力强，步幅、步态、足底姿态可灵活调整等优点。通过不同的轨迹规划，机器人能够模拟上、下楼梯，平地行走等步态动作。利用柔顺控制等多种控制策略，可模拟沙地、草地等多种路况的行走。实验研究表明，该机器人可实现多种步态的控制，且具有较好的训练效果。三.发展的趋势 2006年中国人口老龄化发展趋势预测研究报告表明，到2023年，我国老年人口将达到2.7亿，与0-14岁少儿人口数量相等。而到2051年，中国老年人口规模将达到峰值4.37亿，约为少儿人口数量的2倍。针对我国人口老龄化的口益严重、脑卒中患者数量多、治疗医师资源缺乏的情况，开发一种可以为偏瘫、截瘫等肢体残疾人员及体弱老年人提供康复训练和助行服务的机器人，对降低老年人跌倒的比例、帮助偏瘫患者树立重新行走的信心、提高老年人独立生活的质量减轻社会负担具有重要的研究意义。同时，机器人辅助设备可以极大的降低康复师的工作量，促进患者的主动参与，可以客观的评价康复训练的强度、时间和效果，使康复治疗更加系统化和规范化。穿戴式机械腿应用于医疗上越来越多，帮助残疾人站起来。尽管目前己经开发出了多种助行康复机器人，但机器人在机械结构精巧、人机协调、自动适应用户的行为、工作延续性、提高用户的舒适度等方面还远远达不到实际应用的要求。同时，由于目前的康复训练机器人运用于临床康复的训练方案、训练的评价方法等还处于摸索阶段，机器人技术完全应用于临床康复训练还需要深入、系统的研究和探索。因此，对机器人进行改良，开展与其它临床康复方法的有机结合以提高其临床康复效果，扩展其治疗手段是非常有必要的。综上所述，研究助行康复机器人技术，使其满足康复训练、辅助行走、节省能耗、携带方便等需要，并且更加符合人体生理习惯，令使用者步态更自然，提高老年人的生活质量，减轻社会负担，使其真正服务于需要的人，有着重要的意义。四.存在的问题近年来，关于外骨骼机构的人一机运动相容性设计问题开始得到研究者的关注，一些研究者对上肢外骨骼机构的运动相容性进行了分析，并基于人机工程学原理对上肢外骨骼机构的运动学设计方法进行了研究。但是对下肢康复机器人机构的人一机相容性问题以及影响人一机相容性的因素方面研究较少，主要问题如下。 (l)人一机联接模式对人一机相容性的影响现有下肢康复机器人中，人一机之间采直接绑缚或通过穿戴具以紧致穿戴的形式相联接，缺乏有关人一机联接模式和约束性质的深入研究，更未分析联接模式对人一机运动相容性的影响。 (2)机构构型对人一机相容性的影响现有的下肢康复机器人机构的骸关节多采用单自由度回转副或由2个回转副进行运动等效，膝关节为单自由度回转副，机构的尺度参数根据下肢骨胳的比例和长度确定。优点是机器人机构的构型相对简洁且机构的设计简便易行。但机器人机构的关节数目少于下肢骨骼的关节数目，而且对应关节的运动属性也有所不同，构型的选取会直接影响人一机之间的运动相容性。 (3)机构参数优化对人一机相容性的影响由于下肢康复机器人机构与人体骨骼机构在关节数目、关节运动特性上的差异以及机器人机构的外挂属性，若机器人机构参数或联接参数设计不够合理，也会导致人一机运动不相容，在联接部位发生运动干涉与冲突。此外，在机构设计中，材料选择、结构美观和机构可调性等也是研究的重要问题。本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）1.研究或解决的5大问题 (1)可穿戴性要好:下肢外骨骼康复机器人要有良好的可穿戴性经过简单的训练即可非常容易顺利快速地穿脱。 (2)可调节性要强:下肢外骨骼康复机器人面向的患者群体年龄跨度大，外骨骼应能适应各种身高体重的患者，因此其在长度及宽度方向都应能调节以适应不同患者穿戴。 (3)结构要轻巧:外骨骼机器人应尽量轻巧、简便方便穿戴和驱动，节省能源。 (4)相互干扰性要小:尽量减小人与外骨骼的直接接触面，减小人机相互干扰，从而减小对人体各方面的限制。 (5)柔顺、舒适性要好:下肢外骨骼机器人的运动与人体下肢的运动要具有很好的协调性。其结构、自由度的配置要与人体结构与自由度相匹配。使穿戴着感觉柔顺自然。 2.研究手段（1）弄清楚穿戴式机械腿机构特点1穿戴式机械腿的结构布局特点机械腿通过三个电机驱动，实现膝关节和踝关节的运动，类似于人体膝关节和踝关节的结构特点，其驱动装置安放在固定件的位置上。该机构的运动杆件不必承载驱动电机的重量，减少了电机数量，这种拟人机械腿具有结构简单、承载能力强、运动惯性小、运动灵活等优点，克服了传动系统复杂、动态特性差等缺点。这种穿戴式机械腿的结构布局特点如下:三个直线移动副P1、P2和P3相互平行;三个直线移动副P1、P2和P3均安装在基座上;当杆FO2垂直于而MNO2、平行于杆FO1，且各移动副输入均为零时，这种膝关节和躁关节机构处于初始位姿。移动副P1、P2和P3的初始长度分别为Lio （i=1,2,3),Z分别为各直线移动副的输入位移。建立两个坐标系:静坐标系R(O1X1Y1Z1)、动坐标系S(O2X2Y2Z2)，如图1所示，点O2为这种机构的参考点。图1（2）穿戴式机械腿设计方案 1. 基于机械腿的参数优化结果，同时考虑加工与装配工艺性，给出一种拟人机械腿的设计方案，如图2(a)所示，这种拟人机械腿与球而三自由度并联机构(作为拟人骸关节机构原型)串联在一起，构成拟人下肢的设计方案，如图2(b)所示。这种拟人机械腿机构的膝关节和踝关节采用4- DOF欠驱动机构为机构原型，通过三个电机实现膝关节和踝关节的运动方式，电机等固定件靠近腰部附近，减小电机等固定件产生的力矩，增加腿部的承载能力，减小运动惯性，发挥并联机构的优点，同时，这种新型拟人下肢可实现任何步态状况，具有主动控制步态的优点。因此，这种新型拟人下肢具有结构简单、承载能力强、运动惯性小、运动稳定等优点。图2（a）图2（b）（3）机械腿结构的优化按照机构原理图的设计图想，其中较难设计的部分为膝关节所在支链的平面四杆机构而如果完全按原理图的设计，将转动副F.通过个单独的杆件与基座固连，那么机械腿显得不够紧凑和灵巧。在传动副F点的固定问题上可以去掉杆件IF,将传动副F直接表示图3 图4 图5 为机架固连，图3，那么再设计传动副F只要固连任何与机架相连的地方即可，图3为了使机械腿的结构史紧凑，将图3中的AIFJ支链翻转180度.再将点J上的杆件固连到点E 上，如图4所示，这样I改动不改变原有的工作原理。移动副采用滚珠丝杆实现，根据改进的机构简图，设计了如图5所小的膝关口听在支链结构设计，扣将转动副F固定丝杠导轨的基座上，而该基座与机械腿的静平台基座固连，这样使得拟人机械腿结构紧凑，同时减轻重量。（4）加入胡克铰结构胡克铰（图6）在并联机构中使用倾率很高，而该结构的设计直接彩响了整个并联机构的性能。因为在研究机构的工作空间时，在考虑约束的影响中，胡克铰两个方向的转动范围是一个重要因素。对这个拟人机械腿机构，没有杆件之间的干涉，胡克铰的性能对这个机构性能(工作空间)起了决定性的作用。图6 （5）装配体结构对三条运动支链进行合理布局，避免杆件发生运动干涉，同时根据装配工艺要求设计运动支链与动、静平台的连接方一式。拟人机械腿的装配体结构图如图7所示。三条运动支链通过上、下平台连接在一起，并通过板件对其加固。电机固定上平台上，上平台上与关节相连。下平台设计为脚底板，直接与地面接触。图7（6）机械腿的方案最终实现简图图8 穿戴式机械腿机构设计目录中文摘要.IAbstract .II第一章绪论.11.1研究背景.11.2下肢康复机器人概况 .2 1.2.1康复机器人研究历史.21.2.2下肢康复机器人分类.31.3下肢康复机器人的研究现状.5 1.3.1国外研究现状.51.3.2国内研究现状.;.91.4下肢康复机器人研究存在的问题.111.5课题意义及主要研究内容.11第二章穿戴式机械腿机构运动分析.132.1 引言.132.2人体下肢生物骨骼模型.132.3骨骼的运动与下肢关节.13第三章穿戴式机械腿机构设计.193.1穿戴式机械腿设计.19 3.1.1三维模型设计.19 3.1.2膝关节、踝关节及脚部设计.21 3.1.3下肢连接器.26 3.1.4大小腿弹簧助力器及保护.26 3.1.5下肢骸部设计.28 3.1.6 腿部固定.30第四章强度校核.314.1关节旋转连接器受力分析.31设计总结.34参考文献.36致谢.38中文摘要本论文研究穿戴式机械腿机构。穿戴式机械腿是一种典型的人机一体化系统，该机构是一种穿戴于人体腿部帮助有下肢乏力的患者进行康复治疗的机械结构。本文在人-机相容性方面做了详细的分析，使本机构在较好的穿戴位形下依靠人体的运动信息控制穿戴式机器人，在运动过程中提高人机步态的一致性，达到更好的康复治疗的目的。论文分析了国内外研究现状，了解了国内外相关研究的背景情况、研究进展和未来的发展问题，总结了下肢康复机器人研究中还存在的问题，进而确定了本文的主要研究内容及所需解决的关键问题。本文确定了下肢康复机器人机构的自由度，对机构进行了关节布位，通过自由度的分析对人-机联接模式和约束性质进行了研究，从而确定了骨骼-机构联体模型。在人体骨骼模型的基础上，提出了一种机构构型方案。对人-机相容性进行了定义，分析了人-机相容性的影响因素。在此基础上分别对人体下肢骨骼模型和这种机构构型进行了三维模型设计。关键词:康复机器人,人-机相容性,机构设计 Abstract This study discusses lower extremity rehabilitative robot. The lower extremity rehabilitative robot is a typical man-machine integrated system; it is worn on the body of a limb to help patients with physical disabilities rehabilitation of mechanical devices. In this paper, man-machine compatibility has done more analysis and with well wearing this equipment to rely on the human body configuration under the control of lower extremity rehabilitative robot motion information. It improves the consistency rehabilitation of human gait in the course of the campaign to achieve better purposes. This paper analyzes the research situation and has a research about the background of relevant research at home and abroad, progress of research and future development. Lower extremity rehabilitation robot research summarized the problems still exist, and then this article determines the main contents, and the key issues need to be resolved. This paper has identified the DOF of lower extremity rehabilitative robot and the joint distribution of digital agencies. Through the analysis in freedom this article do the research on the human-machine connection mode and the nature binding. Two programs of mechanism are proposed based on the bone一body conjoined model. The study defines the compatibility of human-machine and analyzes the compatibility factors of human-machine. On this basis, the human skeleton model and the configuration of the two agencies are conducted by the three-dimensional model design respectively. Keywords: rehabilitative robotics, man-machine compatibility, mechanism design 第一章绪论1.1研究背景我国已经进入老龄化社会，老龄化问题逐渐得到关注。2009年度中国老龄事业发展统计公报称，2009年我国60岁及以上老年人口己达到1.6714亿，占总人口的12.5%;到2015年我国60岁及以上老年人口将达到2.16亿，约占总人口的16.7%。在老龄人群中有大量的脑血管疾病或者神经系统疾病患者，其中以脑卒中患者居多，而这类患者多数会留下偏瘫等症状。另外，近十年来我国各类交通运输工具的保有量迅速增长，因交通事故造成身体损伤的人数每年超过30万人。据统计，我国目前有8296万残疾人，有康复需求的接近5000万，每年因车祸、疾病等原因新增的残疾人数量达100多万。医学理论和临床医学证明，这类患者除了早期的手术治疗和必要的药物治疗外，正确的、科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要的作用。由于脑的可塑性，医学上通常是通过重复的、特定任务的训练让患者进行足够的重复性活动，从而使重组中的大脑皮质通过深刻的体验来学习和储存正确的运动模式。减重活动平板步行训练的治疗方法就是基于上述原理对患者进行训练并且取得了良好的临床效果，成为下肢康复医疗采用的主要方法。训练采用悬吊式减重器和活动平板(医用跑步机)配合工作来协助患者完成步行动作。其悬吊装置可以不同程度地减少患者上身体重对下肢的负荷，患者在康复治疗师的帮助下借助于运动平板进行康复训练。训练过程中一般需要两名治疗师相互协调，一名治疗师在患者侧面帮助并促进患者侧下肢摆动，确定脚跟先着地，防止出现膝关节过伸，保证两腿站立时间与步长对称;另一名治疗师站在患者身后，促进重心转移至负重腿上，保证骸屈伸、骨盆旋转和躯干直立。减重步行训练可以获得较为理想的肢体功能恢复效果，但是这种治疗师对患者“手把手”式的训练方式存在一些问题。首先，一名患者需要两名治疗师进行运动训练，效率低下，并且由于治疗师自身的原因，可能无法保证患者得到足够的训练强度，而且治疗效果会受到治疗师自身经验和水平的影响。其次，不能精确控制和记录训练参数(运动速度、轨迹、强度等)，不利于治疗方案的确定和改进;不能记录描述康复进程的各种数据，康复评价指标不够客观;无法建立训练参数和康复指标之间的对应关系，不利于对患者神经康复规律进行深入研究。再有，不能向患者提供实时直观的反馈信息，训练过程缺乏吸引力，患者多为被动接受治疗，参与治疗的主动性不够。可以看出，单纯依靠治疗师进行康复训练，无疑会制约康复训练效率的提高和方法的改进。因此，开拓更加广泛的康复训练手段和进一步提高康复效率是解决患者运动功能障碍的当务之急。而突破这个问题的关键在于科学技术的创新，下肢康复机器人技术的发展和运用解决了这个问题。首先，机器人不存在“疲倦”的问题，能够满足不同患者对训练强度的要求;其次，机器人可以将治疗师从繁重的训练任务中解放出来，而专注于制定治疗方案、分析训练数据、优化训练内容并改进机器人的功能;再次，机器人可以客观记录训练过程中患者患肢的位置、方向、速度以及肌力恢复状态等客观数据，供治疗师分析，以评价治疗效果;更进一步，机器人所记录下的详细数据，使得治疗师有可能从中发现数据与治疗结果之间的对应关系，从而有可能深入了解中枢神经康复的规律;还有，使用机器人技术可以通过多媒体技术为患者提供丰富多彩的训练内容，使患者能够积极参与治疗，树立康复信心，并及时得到治疗效果的反馈信息;最后，机器人治疗技术使得远程治疗和集中治疗(一名治疗师同时为几名患者提供指导)成为可能，通过将成熟的产品推广应用，最终使所有的患者受益。1.2下肢康复机器人概况康复机器人是康复医学和机器人技术的完美结合，人们不再把机器人当作辅助患者的工具，而是把机器人和计算机当作提高临床康复效率的新型治疗工具。下肢康复机器人是目前康复机器人研究领域的一个主要研究对象。它主要用于辅助患有脑血管疾病或神经系统疾病的患者进行下肢的康复训练，帮助他们重获步行能力。它可以在专业的医疗机构甚至在家中使用，使患者获得更强的独立生活能力，并能相当大的提高他们的生活质量。在过去的几年中，下肢康复机器人在世界各国己经有了很大的发展并取得了相当多的成果，一些企业在其技术开发及投资方面有了很大的投入，下肢康复机器人技术正在向产业化和普及化发展。1.2.1康复机器人研究历史第一次尝试把为残疾人服务的机器人系统产品化是在20世纪的60年代到70年代，实践证明这些尝试都失败了。失效原因主要有2个方面:其一是设计的不理想，尤其是人机接口;另一个不是技术的原因，而是因为单价太高导致了康复机器人产品化的失败。 20世纪80年代是康复机器人研究的起步阶段，美国、荷兰和瑞士在康复机器人方面的研究处于世界领先地位。90年代以来，全世界己有超过20所大学的实验室及康复医疗机构相继开展了基于机电结合机器人技术的下肢康复训练系统的研制和实验研究工作。首先在机械手方面取得了一定的成就。1993年，Lum P. S.等研制了一种称作“手-物体-手”的系统(hand-object-hand system），如图1-1左图，用来对一只手功能受损的患者进行康复训练。这种双手物理治疗辅助机器包括两个置于桌面上可绕转轴转动的夹板状手柄，其中一个手柄下端连接在驱动电机上，电机可以辅助患者完成动作。 1995年，Lum P. S.等又研制了一种双手上举的康复器(bimanual liftingrehabilitator），如图1-1右图，用来训练患者用双手将物体举起这一动作。该设备为两自由度连杆结构，当患者双手握住手柄将其举起时，设备既可测量被举物体的垂直位置及倾斜角度参数，也可以在左手(患侧手)无法产生足够大的力时予以辅助，机器所施加的力可以按患者的需要改变，从而保持上举动作的平衡。图1-1 手-物体-手训练系统目前康复机器人技术有了较大的发展，从技术上能够较好地满足各种残障人士和老年人的需要，但是在实用能力上还需要进一步完善和提高。1.2.2下肢康复机器人分类（1)牵引型下肢康复训练机器人系统主要由减重装置和数个牵引机器人组成，机器人操作端分别与患肢的膝、踩部柔性连接。康复训练的过程是患者经吊带减重后，由机器人牵引患肢的连接部位按预期的操作端轨迹进行康复训练运动。典型的牵引型下肢康复机器人系统有美国Health-S outh公司研制的Auto-Ambulato:系统和美国加州大学洛杉矶分校研制的ARMS系统等，其中Auto-Ambulator系统的牵引机器人数目为2个，ARMS系统的牵引机器人数目为4个。牵引型下肢康复机器人系统可根据康复训练需要对系统进行重组，并具有牵引运动形式多样、对患肢的适应性较强等优点，但其机械及控制系统的组成相对复杂，国内未见有相关研究的报导。（2)运动踏板型下肢康复训练系统主要由减重装置和一对运动踏板组成，康复训练的过程是患者经吊带减重后，双足与运动踏板保持接触，运动踏板根据预先规划的轨迹运动，在患者自重(体重与减重量差值)与运动踏板推力共同作用下进行患肢的康复训练运动。典型的运动踏板型康复训练系统有德国Fraunhofer研究所与柏林自由大学研制的Haptic-Walker系统、Mechanized Gait Trainer系统和口本Tsukuba大学研制的Gait-Maste:系统等。其中，Haptic-Walker和Gait-Master为多自由度运动踏板训练系统，Mechanized Gait Traine:为单自由度(每个踏板)运动踏板训练系统。国内从事运动踏板型康复训练系统研究的机构主要有清华大学和哈尔滨工程大学，并研制出具有单、多自由度的卧式及立式运动踏板训练系统。多自由度运动踏板训练系统对患肢不同的训练需求具有较强的适用性，可以模拟正常的下肢运动步态和脚踩运动位姿，还能够根据训练需要灵活调整、设计踏板的运动规律。 (3)穿戴型下肢康复训练机器人系统由减重装置、运动平板以及与支撑装置相连的穿戴型下肢康复机器人(外骨骼)组成。康复训练的过程是患者穿戴下肢康复机器人并经吊带减重后，机器人根据预先规划的运动规律和控制策略，导引患者下肢协同运动进行康复训练。同时患者的双足依次与运动平板相接触，在运动平板的带动下进行踩关节的康复训练。穿戴型下肢康复机器人系统既能进行下肢的被动康复训练，也可以对下肢进行主动康复训练。对于手术恢复期后以及因偏瘫导致运动功能损伤严重的患者，可先经吊带减重后由下肢康复机器人导引患肢进行被动康复训练，逐步恢复患肢关节的运动功能和肌肉组织的伸展功能。当患肢的运动功能恢复到一定程度后，根据功能恢复状况可适当降低下肢康复机器人的驱动功率，由患肢与机器人驱动器共同承担机器人机构的负载并协同运动，实现患肢的主动康复运动训练。1.3下肢康复机器人的研究现状康复机器人技术在欧美等发达国家得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视，许多研究机构都开展了有关的研究工作，近年来取得了一些有价值的成果。我国对康复机器人的研究起步比较晚，辅助型康复机器人的研究成果相对较多，康复训练机器人方面的研究成果则比较少。1.3.1国外研究现状瑞士HOCOMA医疗器械公司与瑞士苏黎士Balgrist医学院康复中心合作推出的LOKOMAT步行康复训练机器人是当今产业化程度最高的一种面向下肢瘫痪患者的医疗康复器械。 LOKOMAT于1999年研制成功，2001年在汉诺威世界工业展览会上展出，并在随后的几年中口臻完善并且己经开始进入实际应用阶段。 LOKOMAT根据瘫痪患者康复训练的特点，将下肢外骨骼设计成骸关节和膝关节两个自由度，分别由驱动器控制直流伺服电机进行运动。关节的角度、电机的输出力矩、患者与外骨骼之间的接触力均由相应的传感器进行测量。整个LOKOMAT系统通过一个平行四边形连杆机构与跑步机及悬吊系统相连接，稳固可靠。训练时，患者的下肢通过六个绑带与LOKOMAT相连，最基本的被动训练只需控制四个关节的角度和角速度，以带动患者模仿人体步行运动。为了适应不同患者的需要，该机器人的各个关节均可调整，如图1-2所示。为了让患者感到舒适，所有与患者接触的绑带都是宽而软的。LOKOMAT的优点是:患者的训练状态能够被监测、评价和引导;能够根据患者个体不同提供相应的步态模式和训练方案;能够通过虚拟现实技术为患者提供反馈以提高患者参与训练的主动性。图1-2 LOKOMAT机械腿 LOPES(Lowerextremi typowered Exoskeleton)也是一套主动医疗康复外骨骼，如图1-3所示。它的设计初衷与LOKOMAT一样，是面向于下肢活动能力受损的心脑血管或神经疾病患者。所不同的是，LOPES更加关注于所开发的机电系统与患者的兼容性和患者穿戴外骨骼训练时的舒适性。当然，对康复外骨骼的一些常规要求，如:较大的带宽、较高的定位精度、良好的结构坚固性等，也在LOPES中得到了相应的体现。由于设计关注的方面不同，其驱动方式也与LOKOMAT大相径庭。LOPES采用绳缆拉线式的传动方式控制四个关节，并采用了一系列的弹性构件组成了系统的力反馈环节。其独特的驱动方式，使得系统具有更加轻便的关节结构以及更为简洁的外骨骼结构，从而提高了效率。另外，出于舒适性的考虑，外骨骼也为患者提供了更多的关节自由度，包括:骸关节的屈、伸主动自由度，膝关节的屈、伸主动自由度，踩关节的外展、内收被动自由度，骨盆的上、下移动被动自由度。图1-3 LOPES机械腿 2001年，德国弗朗霍费尔研究所(Franhofer Institut IPK)基于吊线木偶原理，研制了一种绳驱动式下肢康复训练机器人Stringman，配合踏步车使用，如图1-4所示。 Stringman由自动减重绳驱机构和姿态控制机构两部分组成，共六个自由度。Stringman采用了复杂的控制结构，包括多个控制环，具有庞大的传感器系统，底层控制采用基于位置的鲁棒力控制以及柔顺控制。减重水平根据检测到的病人支撑腿的情况自动调整。姿态和平衡控制基于零力矩点概念，通过控制绳的张力控制zMp位置及足底反作用力。目前该机器人仍处于样机研究阶段。图 1-4 Stringman机械腿图1-5 Arthur机械腿 2002年，美国加利福尼亚大学David Reinkensmeyer等人研制了两自由度平面康复训练机器人ARTHUR，如图1-5所示。该机器人采用V型机构测量和控制其顶点的位置，机构顶点可与患者患侧的脚踩或膝盖连接，辅助患肢抬脚或抬腿。与大多数机器人不同的是，ARTHUR具有高度的逆向可驱动性。日本研制了一种旋转式下肢康复训练机器人，如图1-6所示。它采用一个大的回转臂通过束具与患者的躯干连接，支撑患者的部分体重，同时患者在回转臂的带动下沿圆周路线行走。该机器人的缺点是行走过程中机器人始终对患者附加一个不同于正常行走的侧向驱动力，病人膝盖会承受多余的剪切载荷。针对口本回转式步态训练机器人的缺点以及采用祛码等传统悬吊减重方式存在的减重力变化的问题，Seungho Kim等人分别开发了气压和电气驱动的减重移动车式步态康复训练机器人(walking training robot)。该机器人由轮式移动平台和恒力减重系统两部分组成，轮式移动平台可工作在训练模式或者跟随模式下。训练模式中，由移动平台引导患者按照计算机或安装于平台上的操纵杆制定的路径行走，由移动平台跟踪患者的运动方向和速度。针对电机驱动和气压驱动减重系统分别设计了基于滑模力控制和采用模糊力控制的恒力减重控制系统。图1-6 旋转式康复训练机器人图1-7 MaKiKawa 的机器人日本的Makikawa实验室结合机器人技术、生物信号测量技术、虚拟现实技术研制出一种下肢康复机器人，如图1-7所示。该机器人可以使病人模拟正常人走路、上斜坡、爬楼梯、滑行等各种运动，从而达到康复锻炼的目的。图1-8是美国芝加哥PT公司研发的平衡机器人。它的作用是帮助失去身体平衡的人进行康复训练的机器人，右图是患者在侧向移动。这种康复机器人能够帮助人体平衡，而且对躯干受伤的人，或者行走失去平衡的人有非常好的效果。它能够迅速准确地确定患者微小的动作，从而帮助患者达到预想的动作，这种康复设备不会主动地带人行走。图1-8 芝加哥PT公司平衡机器人 AKROD (Active Knee Rehabilitation Device For Human)康复机器人是由美到东北大学机电与机器人实验室研发的，如图1-9所示。康复机器人在应用上也七过去更贴近普通人，现在这台AKROD膝关节康复机器人己经在美国波士顿医完投入使用，对于膝关节由于撞击受伤的患者尤其有效。图1-9 AKROD 康复机器人1.3.2国内研究现状国内在下肢机器人方面的研究起步较晚，所取得的成果也不多。目前的研究机构主要集中在上海大学、浙江大学和哈尔滨工程大学等。具有代表性的是，哈尔滨工程大学开发的辅助型下肢康复训练机器人和浙江大学开发的可穿戴式的下肢步行外骨骼。自2004年开始，中科院合肥智能机械研究所开始从事这方面的相关研究工作。 2002年，哈尔滨工程大学机电一体化研究所研制了一种下肢康复训练机器人样机如图1-10所示。该机器人由三自由度步态机构、姿态机构和重心平衡机构等组成。其优点是可实现脚的姿态调整，在机器人的远程控制技术、虚拟现实技术及减重控制策略方面进行了实验或仿真研究，后续研制并开发了可与该机器人配合使用的四自由度绳索牵引骨盆运动并联康复机器人。图1-10 下肢康复训练机器人图1-11 助力机械腿 2006年，上海大学机电工程与自动化学院也开始研究了一套可穿戴式助力机械腿单侧下肢有两个自由度，分别为骸关节和膝关节的屈/伸自由度，这两个自由度分别由电动缸驱动，单侧下肢机构如图1-11所示。浙江大学流体传动与控制国家重点实验室也在这方面做了深入的研究，研究设计了一套下肢康复医疗外骨骼，如图1-12所示。这套系统具有骸关节和关节两个自由度，采用伺服电机驱动，并由独立的驱动器进行控制。并在此基础上开发了一套专用于此系统的虚拟仪器控制界面软件。另外，专为系统制定开发的两套步态训练控制策略，即被动步态训练位置控制和半主动步态训练轨迹自校正控制，可以满足不同康复时期下肢步态康复训练的不同要求。图1-12 伺服电动驱动的下肢康复医疗外骨骼自2004年开始，中科院合肥智能机械研究所就开始从事这方面的相关研究工作，如图1-13所示。机器人采用了类人结构，机构单侧共有五个自由度，分别是骸关节三个自由度，膝关节和踩关节各一个自由度。图1-13 可穿戴型助力机器人尽管国内在穿戴型下肢康复训练机器人领域的研究起步相对较晚，但在机器人系统关键技术研究与试验样机研制方面己经取得比较多的成果。进一步完善下肢康复机器人系统的性能，开展相关的康复训练实验研究是今后研究工作的重要内容。1.4下肢康复机器人研究存在的问题（1）人-机联接模式对人-机相容性的影响。现有下肢康复机器人中，人-机之间采用直接绑缚或通过穿戴具以紧致穿戴的形式相联接，缺乏有关人-机联接模式和约束性质的深入研究，更未分析联接模式对人-机运动相容性的影响。因此，需要进一步研究人-机之间的联接模式及其约束特性，在机器人机构的构型设计中分析联接模式的作用与影响，并以改善人-机运动相容性为前提对机器人机构的构型进行综合与优选。 (2)机构构型对人-机相容性的影响。现有的下肢康复机器人机构的骸关节多采用单自由度回转副或由2个回转副进行运动等效，膝关节为单自由度回转副，机构的尺度参数根据下肢骨胳的比例和长度确定。优点是机器人机构的构型相对简洁且机构的设计简便易行。但机器人机构的关节数目少于下肢骨骼的关节数目，而且对应关节的运动属性也有所不同，构型的选取会直接影响人-机之间的运动相容性。因此，在对人体下肢骨骼的生理结构、关节运动特性以及康复机器人机构的外挂属性进行分析的基础上，结合人-机系统的自由度分析提出较好的机构构型。 (3)机构参数优化对人-机相容性的影响。由于下肢康复机器人机构与人体骨骼机构在关节数目、关节运动特性上的差异以及机器人机构的外挂属性，若机器人机构参数或联接参数设计不够合理，也会导致人一机运动不相容，在联接部位发生运动干涉与冲突。因此，在优选机构构型的基础上，需要进一步研究基于运动相容性的机构参数及联接参数优化方法，定义运动相容性评价指标，构造基于运动相容性的机构参数优化模型并进行参数的优化设计。此外，机构设计中轻便、美观和机构杆长的可调性也是研究的关键问题。1.5课题意义及主要研究内容穿戴式智能设备”是应用穿戴式技术对日常穿戴进行智能化设计、开发出可以穿戴的设备的总称，如图1-14 Ekso Bionics机械腿，鞋等。机械腿的研究是步行机器人研究的核心内容。步行机器人是一个交叉学科的研究，它涉及仿生学、机械学、控制学及信息处理技术等。步行机器人在多个行业具有很多应用优势，逐渐成为国内外机器人研究领域的一个热点。步行机器人与其他履带式、轮式机器人相比，具有以下的运动特性。 (1)步行机器人具有良好的地面自适应性步行机器人可以在复杂的地形上利用离散的点来选择最优的地面支撑点，并且可以跨越一定的障碍物。 (2）步行机器人的腿部运动系统比较稳定步行机器人的腿部运动系统可以保证身体相对地面的稳定，因其腿部具有多个自由度，灵活性大，同时可以通过调节腿的伸展度来调整重心，因此不易翻倒，稳定性高。仿人机器人作为步行机器人的一种形式，是提高机器人机动性和节省能源的一条重要途径。仿人机器人是机器人研究领域最高研究成果的代表。相对于其他机器人，仿人机器人具有人的外形，并具备良好的人机交互能力，所以在娱乐服务等领域，仿人机器人具有更明显的优势。图1-14 Ekso Bionics机械腿第二章穿戴式机械腿机构运动分析2.1引言机械腿的结构设计必然是一个挑战。机械腿自身特点-穿戴性，决定了它需要更为合理的机构设计。机构设计的优劣直接影响穿戴的舒适性。机构的功能设计要反映下肢骨骼的运动特点。人体生物骨骼的关节结构、运动形式和步行的运动特征都是外骨骼设计的基本依据。通过分析人体骨骼模型和关节运动建立人体简化模型。通过分析步行特征初步掌握关节运动协调规律。采用简化模型分析人体运动学特性。通过这些特征的研究，合理设计出穿戴舒适、运动灵活可靠的外骨骼机构，使其与人体运动达到协调统一。无论机构如何进行空间构型设计，都必须要穿着于人体的框架之上，并要求保持机构结构与人体形态的相互统一，满足人体运动的空间需要。因而机构构型的空间设计首先必须满足人体骨骼的基本框架。因为人体结构的主架是骨骼，骨骼具有不可变性，所以机构在进行构型空间设计时，首先要考虑骨骼的形状和位置，这些是机构构型空间设计的不变因素。本章就以上问题进行了深入讨论。2.2人体下肢骨骼模型骨骼最基本机能是支撑和运动，而关节是骨与骨间的连接部分，决定着骨骼运动链的运动形式。人体下肢的骨骼运动链是以旋转为主的串并联混合结构。人体下肢骨骼运动包含了丰富的机构运动学问题。建立下肢随动外骨骼机构模型要以生物骨骼运动模型为基础。2.3 骨骼的运动与下肢关节 (1)下肢骨骼与关节研究人体运动学，首先必须确立参考系。通常临床医学、体育学及人体运动学研究使用三维坐标系统如图2-1所示:参考系包括三轴和三面:矢状轴、冠状轴(额状轴)、垂直轴;矢状面、冠状面(额状面)和水平面(横切面)。在该参考系下，通常把关节的基本运动形式分为屈曲/伸展、内收/外展、回旋和环转等。图2-1 人体基本平面及轴线图2-2 人体下肢骨骼与关节如图2-2所示，决定下肢运动状况的主要关节包括:骸关节、膝关节和踝关节，均属于活动关节。其次，脚部和踝部还包括一些不动和少动关节，也具有一定的调节功能。为简化起见，外骨骼的设计不考虑这些关节。骸关节是由一个球形股骨头与凹形的骸臼组成的杆臼(球窝)式滑膜关节，是典型的三轴关节或称多轴关节，具有3DOF，即可在三个相互垂直的运动轴上做屈伸、收展、旋转等多方向的运动，是全身位置最深的关节，构造既坚固又灵活，将躯干的重量传达至下肢，具有重要的负重和活动功能。伸屈活动时，股骨头沿横轴在骸臼内旋转，但大腿内外旋转时，是以股骨头中心至股骨踝间凹连线作为其活动的轴心。因此，股骨头在骸臼内还有极为微小的滑行。骸关节的活动受到肌肉韧带限制，其运动范围如下:前屈130度到150度;后伸10度到15度;内收20度30度;外展30度45度;外旋40度到50度;内旋屈骸时为40度到45度。膝关节由股骨下端、胫骨上端和骸骨构成，是人体最大最复杂的关节，属滑车球状关节，能做屈伸运动，屈可达130度，伸不超过10度。在屈膝状态下又可作屈位微小的旋内、旋外运动。在正常步行中，由于屈膝幅度不会很大，屈位微小，在一般的建模中，均忽略旋内、旋外的微量运动以简化设计。由于膝关节受到内外交叉韧带和胫侧、胖侧副韧带的限制，不能外展、内收。因此，膝关节简化为单轴关节，具有1DOF，绕额状轴在矢状面上屈伸。膝关节的生理结构也是球状关节，严格上属于球副，只是由于膝关节韧带绷紧的原因，只能在矢状面运动，如图2-3所示。严格的实验表明，膝关节运动是矢状面内的旋转与滑移的复合。但由于滑移量非常小，因此不予考虑。图2-3膝关节结构踝关节由胫骨远侧端关节面，胖骨远侧端关节面和距骨滑车关节面构成，为屈戌关节，运动轴在横贯距骨体的横轴上。踩关节运动的方式是由距骨体滑车关节面的形状所决定的，活动范围较小，能做足背屈、足庶屈和内翻、外翻运动。在矢状面背屈10度到20度，蹈屈25度30度。蹈屈时还可有轻微的旋转、内收、外展与侧方运动。踝关节在矢状面的屈伸运动轴由内上向外下微倾，踝背伸时足外旋，蹈屈时，足内旋。旋转范围13度25度，踝关节运动保证了足底支撑力向腿部骨骼的传递，在行走、上下楼梯、登山及跳跃时均有重要作用。值得注意的是，上述这些关节发生在任何一个平面内的运动都必然伴随着其他两个平面的运动，形成所谓的步行复合运动，这也是步行运动复杂性的体现，是仿生下肢设计的难点问题。 (2)步行运动序列一个完整的行走循环周期即为一个跨步，一个跨步包括了两个步长。如图2-4所示，步行的一个跨步分为单相支撑期和双相支撑期两个阶段。单腿支撑相期间表现为一条腿接触地面，另一条腿处于摆动中，因此这一时期又被称为某条腿的摆动相。它从一只脚离开地面开始到同只脚与地面发生碰撞结束。在人的步行运动中，单腿支撑相占跨步时间的80%-90%。双腿支撑相是两条腿同时接触地面的时期，在人的步行运动中，这一状态只占跨步周期的10%-20%。由图2-4可见，单相支撑期长而双相支撑期较短。就单下肢腿而言，又分为支撑相和摆动相，如上所述，在单相支撑期，有一条腿占用一部分跨步时间和地面接触，即为支撑相，该腿为支撑腿，可以支撑身体以及改变前进速度。同样，另一条腿占用一定的跨步时间向前摆动，作为摆动相，处于摆动相的腿成为摆动腿，这期间摆动腿离开地面向前摆动至下一个支撑相。在一个跨步中左右腿均分别占有一个支撑相和一个摆动相，但支撑相和摆动相的时间一般不相同。因此两腿运动的相互关系常常是定义运动模式的一个因素。例如，跑动中左右腿的运动就是完全不同步的，而跳跃中两腿的运动就完全是同步的。图2-4 单腿步行运动序列及状态划分从力学特性来看，当人在行走时，通过后脚对地面的作用而获得地面对人的推力，从而产生向前的加速度。当人的前脚着地的时候，地面对人的作用是阻碍其向前运动的，因此，会使人产生负的加速度，即人做减速运动。人在不断地迈步前进的过程中，推力在做周期性的变化，加速度也就做周期性的变化。随着重心的前移，最终完成向前跨步动作。步行中相关运动参考点的运动轨迹是描述步行运动的又一指标。关节点的轨迹曲线是行走的时间序列上捕获相关参考点的运动位置，在离散位置点插值或拟合而成的参考点运动曲线。人体下肢的运动主要运动是矢状面内的屈/伸运动，图2-5所示为单腿的骸关节和膝关节的矢状面轨迹曲线。仿真环境下直观的连续获取图像观察得到的主要参考点的矢状面轨迹。脚掌的运动及踝关节在支撑状态矢状面的轨迹如图2-6所示。图2-5 单腿运动演示运动轨迹图图2-6 脚掌运动及踝关节轨迹己知关节的运动角度变化数据，根据人体运动的实际情况研究各个关节点的运动轨迹也可以采用解析求解方法。 (3)各关节在步行运动中的功能分析根据上述分析知，下肢各关节活动范围大小各不相同，同时决定了各个关节在步行运动中的功能有所不同。图2-7为理想直行的运动序列模型。步行中，矢状面的3个屈伸运动自由度是前行的最主要运动。理想直线行走的过程中，骸关节额状面收展运动较小，主要调节单相支撑时身体左右两侧的重心平衡，水平面旋内、旋外自由度主要控制运动方向的改变，调节运动平衡并影响步幅大小。身体的一个跨步中，骸关节侧转实质上是由两个球窝关节的转动和两条腿的步态相位差来完成。在跨步过程中，骸关节内外旋运动使躯干水平面内两侧骸关节前后倾斜，重心前移。图2-7 下肢骨骼步行运动模型膝关节做屈伸运动，运动直接影响跨步长，同时，在惯性矩作用下调节矢状面的运动平衡。踝关节屈伸用于调节人体相对于地面的受力点，以此控制步行起停与支撑状态的平衡，而收展和旋转运动主要调节支撑状态下的受力平衡。第三章穿戴式机械腿机构设计 3.1穿戴式机械腿设计外骨骼连杆尺寸的确定要依据穿戴者的骨骼关节尺寸设计。根据前面章节的论述，人体的各个部位长度之间的相对比例是基本固定的。按图2-11 b)，人的总身高为H，则骸关节中心距为0.191H,骸关节与地面的距离为0.530H，膝关节至地面为0.285H，而踩关节至地面为0.039H。由此可以得到各个关节之间的相对长度，即大腿长为0.245H，小腿长为0.246H，脚底距踩关节中心为0.039H o在构型设计时充分考虑了身高兼容性，在较大范围内具有适应性，所以连杆尺寸要可调整。例如大多数人身高在155-185cm之间，因此其大腿、小腿连杆长度变化范围各应允许10厘米左右的可调整范围。3.1.1三维模型设计此模型有14个旋转副，单下肢各7个，骸部关节有收展、屈伸和旋转运动3DOF，膝关节1DOF，脚踩关节有相互正交的屈伸、收展和旋转3DOF。另外大腿位置设计了凸轮滑槽与滑移副机构。模型整体装配图及模型腿部如图3-1示及3-2所示。图3-1 模型整体装配图两条机械腿可以摆动，可以完成一个步行序列，摆动最大角度可为45度，保证人正常行走，并且表面打光滑，没有什么毛糙部分，这样既美观又安全，使人能够舒适穿戴此机械腿。图3-2 模型腿部腿部模型包括大小腿，3个关节型，开孔是为了调整长度，因为人的身高有高矮，下面会对大小腿和关节型做详细说明。3.1.2膝关节、踝关节及脚部设计膝关节有1DOF，完成沿额状轴的较大幅度的屈伸活动，可通过调整穿戴位置与骨骼膝关节同轴。膝关节的三维设计如图3-3。图3-3 膝关节设计此关节，我觉得是最好的关节型，因为，它转动幅度大，安装方便，还比较安全美观，不过这种关节型，润滑是最重要的，毕竟中间没有滚珠，都是面与面接触，所以我设计这种模型，需要定期加润滑油，减少表面粗糙度。脚踝设计也存在骸关节同样的问题，即收展关节运动不同轴而产生的偏差。考虑到脚踝外侧空间位置及脚部的连接，尽量使设计紧凑、贴近人体，从而减小偏差。三关节运动副外侧布置，沿小腿连杆方向从上到下依次为屈伸运动副、收展运动副和旋转运动副。屈伸关节运动副与骨骼踝关节屈伸同轴线。压力信息通过连接件与脚踝部分相连接的检测鞋测得。检测鞋与脚面有绑缚约束。脚踝设计，安装效果如图3-4，3-5及旋转连接器3-6。图3-4脚踝设计此脚踝solidworks 3维图，结构比较符合人的小腿部分，与人体协调，设计也比较美观。图3-5 脚踝安装效果图脚踝关节，跟上面关节型一样，它也有转动幅度大，安装方便，还比较安全美观等特点，同样，润滑是最重要的，中间没有滚珠，都是面与面接触，所以我设计这种模型，也需要定期加润滑油，减少表面粗糙度。图3-6 旋转连接器设计这个图形时，参考了一篇论文，不过，我简化了，他使用了滚珠去作为润滑工具，我觉得这虽然比较不错，不过对于我来说，一切简单实用是最好的原则，使用面与面接触，平常多加润滑剂即可。腿部连杆上有约束，膝以上约束位于外骨骼膝关节以上连杆根部膝关节附近。通过骸部的布位构型和大小腿近膝关节约束保证了外骨骼穿戴紧凑，人机膝关节同步，协调误差小。连杆在大小腿部分分别以较适合的空间位置以人体接近。脚部设计，跟平常鞋子一样，使人脚穿进去，固定，不滑动，在脚的两侧开孔，使得脚夹子能装上，这样使得脚能够实实在在固定，如图3-7脚部设计及3-8脚夹子设计。图3-7 脚部设计图此结构最容易设计错误的是安装两侧小孔的螺钉，我们需要安装螺钉，但是螺钉头较大时，容易抵触地面，使穿戴着行走不舒适，所以此点要注意。图3-8 脚夹子设计图其中脚夹子开孔处，插入螺纹，使得两个对应的孔对齐，然后直接使用螺钉固定。材料我使用一般牛皮材料，为了实用该机构的人，能够舒服地穿上。3.1.3下肢连接器根据人的身高情况，上下连接器，我开了多个孔，就是为了调节身高，身高高的，我们只需要两个转接最前面的孔对齐，然后，插入螺钉，最后固定，同理可以得出矮身高的大小腿长度。如下图连接器图3-9。图3-9连接器3.1.4大小腿弹簧助力器及保护此装置需要助力器，通过研究，我使用四根弹簧连接，使得人在步行时能够得到助力，考虑到，弹簧直接裸露到外面，与人体直接接触，我们需要管子，把它们套在里面，保护人体，这样既能够得到助力，又能保护，如图3-10弹簧，3-11管子。图3-10 弹簧弹簧，我使用了4根，其最大作用就是助力，作为支撑使用该机构人的外力机，我这弹簧跟一般弹簧不同，我两端生成圆环，为了就是能套上旋转连接器突出的圆柱体。图3-11 管子管子我使用了3个，大腿位移大，相互对插，里面装弹簧，而小腿，通过自己研究及参考人体运动规律，小腿位移小，我直接连接上，就是单单作为保护装置，不过，下面管子使用塑性材料，可以满足一般形变。3.1.5下肢骸部设计为了消除骸关节两旋转关节的穿戴干涉，在背部添加了背部旋转运动副。骸关节的3DOF位置关系由图3-12所示。矢状面的运动范围较大，收展运动要满足内收和外展两个方向的运动，因此设计要充分考虑空间关系和限位。按照构型设计的要求，收展关节位于背后，其轴线与屈伸关节轴线汇交于穿戴者骸关节中心，旋转位于腿部外侧屈伸关节上部，转轴位于屈伸轴线正交处，屈伸关节位于外侧轴线并通过人体模型骸关节中心。骸部机构安装腰部支撑，骸部收展关节位于体后侧，可调整骸部安装位置来保证收展关节轴线过骸关节球窝中心。机械零部件设计和安装效果如图3-13所示。图3-12 骸关节的3DOF位置关系图3-13 骸部机械设计图其中腰带扣，跟上下连接器一样，需要调节大小，因为人有胖瘦，所以，我在两端开了几个孔，跟腰带对齐。其中3-14为腰带，3-15为腰带扣。图3-14 腰带图 3-15 腰带扣腰带扣就是为了固定腰带，通过两者孔对齐情况，使得它的腰部可以伸缩。3.1.6 腿部固定图3-16 腿固定器突出的圆柱，上面导螺纹，与转接上的一小孔连接，可使大小腿不会脱离该装置。中间开了两个小孔，为了通绳子，这样，可以固定在两个大小腿上，如图3-16所示。第四章强度校核4.1 关节旋转连接器受力分析。关节旋转转接器的工作能力就是指它的强度、刚度和振动稳定性等方面。关节旋转连接器的工作能力主要取决于它的强度，所以我们要进行它的强度校核，以防止断裂或塑性变形。进行强度校核时，根据具体受载及应力情况，通过solidworks上的SimulationXpress应力计算，可以对此机构的强度校核情况有个很全面，直观的看法。下图4-1中绿色是夹具所夹位置，红色是突出圆柱所受的力。图4-2为所计算出的应力情况，图4-3为变形的位移情况。图4-4为它的安全系数。图4-1

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