（机械电子工程专业论文）套装式机器人设计与实验研究.pdf

d h 1 1 1 1 1 1i i i iiu li ! i i i i ii i l l l l l li l l l1 1 1 1 1 1 ：y 18 0 8 4 16 声 卜 ， c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g al o w e r l i m bp o w e ra s s i s t e dr o b o t d e s i g na n de x p e r i m e n t a l r e s e a r c h c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： b a os h i p i n g p r o f w a n gl a n a c a d e m i cd e g r e ea p p ii e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ： m e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m is s i o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者( 签字) ：龟垡蟒 日期： p io 年3 月7 妒 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文徊在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：徊。也其导师( 签字) ：砂盎 日期：加l o 年弓月lr 曰钞f 移年3 月i 厂目 产 量 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 摘要 套装式机器人是帮助老年人和体弱者独立行走的一种机器人。套装式机 器人技术的研究，对于提高各种由疾病、交通事故引起的下肢运动功能障碍、 运动和神经损伤的康复治疗效果有着重要的意义，同时对减轻社会负担也有 着重要的实际意义。 首先介绍了套装式机器人的国内外研究现状，在详细的分析套装式机器 人技术难点的基础上，设计了机器人的总体方案。在机器人的结构设计中， 依据拟人化的设计思想，考虑人体下肢的结构和运动特点，设计了具有8 自 由度的助力机器人。机器人的髋、膝关节分别由电机通过丝杠螺母机构驱动。 根据人体膝关节的结构特点，采用优化设计的方法，设计了四杆仿生膝关节。 控制系统的设计采用分散式的上下两级的控制方式。 应用d h 法对机器人进行了运动学分析，建立了机器人的运动学方程。 并且搭建了机器人单腿的s i m m c c h a n i c s 仿真模型，对运动学方程进行了验 证。根据获得的人体步态规律，采用三次样条插值的方法，对机器人髋、膝 关节角度变化规律进行了规划。 基于d s p a c e 建立了机器人单腿半物理实验系统，对机器人腿进行了位 置闭环控制。主要进行了机器人单腿的空载阶跃、正弦响应和带负载步行实 验，实验结果表明机器人能够实现步行规律，具有较强的负载能力。 关键词：套装式机器人；运动学；轨迹规划；步行实验 户 i - 哈尔滨l ：稃大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h el o w e rh m bp o w e ra s s i s t e dr o b o ti sak i n do fr o b o tt h a th e l p st h e e l d e r l ya n dt h ei n f i r mt ow a l ki n d e p e n d e n t l y t h er e s e a r c ho ft h el o w e rl i m b p o w e ra s s i s t e dr o b o tw i l lc o n t r i b u t eal o tt ot h et r e a t m e n ta n dr e h a b i l i t a t i o nf r o m d y s f u n c t i o no ft h el o w e rl i m p s ，s p o r ta n dn e r v ei n j u r i e sc a u s e db yv a r i o u sk i n d s o fd i s e a s e sa n dt r a f f i ca c c i d e n t s ，w h i c ha l s op r o v i d e st h e p r a c t i c a lf u n c t i o nt o l i g h t e nt h eb u r d e no ft h es o c i e t y f i r s t l y ，t h ep r e s e n tc o n d i t i o n so ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c ho nt h e l o w e rp o w e ra s s i s t e dr o b o ta r ei n t r o d u c e di nt h et h e s i s ，a n dt h eo v e r a l ld e s i g n o ft h er o b o ti sp r e s e n t e db a s e do nt h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h et e c h n i c a ld i f f i c u l t i e s i nt h el o w e rl i m bp o w e ra s s i s t e dr o b o t t h ed e s i g ni d e ao fp e r s o n i f i c a t i o ni s e m p l o y e da n dt h es t r u c t u r eo fh u m a n sl o w e rl i m p sa n dt h e i rs p o r tf e a t u r e sa r e r e g a r d e dc o n s i d e r a b l yi nd e s i g n i n gt h es t r u c t u r eo ft h er o b o t ，a n dt h ea s s i s t e d r o b o tw i t h8 - d o fi sd e s i g n e d r o b o t sh i pa n dk n e e sa r ed r i v e nt h r o u g ht h e s c r e w n u tb o d i e ss e p a r a t e l yb yt h ee l e c t r i cm o t o r a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so fh u m a n sk n e ej o i n t sa n d b ya d o p t i n gt h ed e s i g np l a no f o p t i m i z a t i o n ，f o u r - b a r k n e ej o i n ti sd e s i g n e d t h ec o n t r o l s y s t e m u s e st h e d e c e n t r a l i z e dw a y so fb o t ht h eu p p e ra n dt h el o w e rl e v e l s t h er o b o ti sa n a l y z e db yt h em e t h o do fd - hf r o mt h ep e r s p e c t i v eo f k i n e m a t i c s ，a n dt h ek i n e m a t i c a le q u a t i o no ft h er o b o ti se s t a b l i s h e d m e a n w h i l e ， s i m m e c h a n i c ss i m u l a t i o nm o d e lo fr o b o t s i n g l e l e g i ss e tu pt ot e s tt h e k i n e m a t i c a le q u a t i o n b a s e do nt h er e g u l a r i t yo fh u m a n sg a i t b yu s i n gc u b i c s p l i n ei n t e r p o l a t i o nm e t h o d ，t h ec h a n g e sp a t t e r no ft h er o b o t sh i pa n dk n e ej o i n t a n g l e si sp r o j e c t e d s i n g l el e gs e m i p h y s i c a le x p e r i m e n t a ls y s t e mi sf o u n d e db a s e do nd s p a c e ， p o s i t i o nc l o s e d - l o o pc o n t r o li se m p l o y e di nt h er o b o t sl e g s t h ee x p e r i m e n t ss u c h a sl o a ds t e p ，s i n er e s p o n s ea n dw a l k i n gw i t hal o a da r ec a r r i e do nt h er o b o t ，w h i c h p r o v e st h a tt h er o b o ta c h i e v e st h eg a i tr e g u l a r i t ya n dh a sas t r o n gl o a dc a p a c i t y 嘎 卜 产 哈尔滨t 程大学硕十学付论文 r罩 口爿弋 第1 章绪论1 1 1 课题背景和意义1 1 2 国内外发展现状2 1 2 1 国内发展现状2 1 2 2 国外发展现状3 1 3 课题技术难点分析一8 1 4 本文主要研究工作“9 第2 章套装式机器人总体方案设计”1 0 2 1 引言1 0 2 2 人体步态分析_ 1 0 2 3 机器人机构方案“1 2 2 3 1 机器人主要结构设计参数一1 2 2 3 2 驱动方式选择1 4 2 4 机器人控制方案一1 5 2 4 1 控制系统设计原则一1 5 2 4 2 控制方式的选择”1 5 2 4 3 实验控制方案设计1 6 2 5 本章小结1 8 第3 章套装式机器人整体结构设计1 9 3 1 引言”1 9 3 2 机器人结构设计原则1 9 3 3 机器人结构设计要点”1 9 3 3 1 机器人关节自由度分析1 9 3 3 2 机器人机构原理及驱动行程计算2 0 3 3 3 负载分析和驱动元件选型2 3 3 3 4 机构兼容性设计2 9 3 4 关节结构设计2 9 3 4 1 髋关节结构设计2 9 3 4 2 踝关节结构设计“3 0 产 0 哈尔滨t 稃大学硕十学付论文 3 5 膝关节结构设计3 0 3 5 1 四杆机构分类和主要运动特性3 0 3 5 2 关节四连杆结构设计”3 0 3 6 机器人总体结构3 4 3 7 本章小结3 4 第4 章机器人运动学分析3 5 4 1 引言一3 5 4 2 机器人机构运动学分析”3 5 4 2 1d h 法3 5 4 2 2 机器人运动学3 6 4 3 仿真验证4 0 4 4 机器人关节运动规划4 2 4 5 本章小结4 5 第5 章实验研究4 6 5 1 弓l 言”4 6 5 2 实验系统4 6 5 2 1 实验系统机械部分“4 6 5 2 2 实验控制系统4 7 5 3 电路功能测试实验4 8 5 3 1 上下位机通信实验：”4 8 5 3 2 功率电路输出实验4 8 5 4 电机控制实验，4 9 5 4 1 单电机空载伺服控制实验“4 9 5 4 2 单电机带负载伺服控制实验5 1 5 4 3 连杆步行训练实验”5 2 5 4 4 胶假人双缸步行训练实验”5 4 5 5 本章小结”5 6 结论”5 7 参考文献5 8 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 2 致谢”6 3 广 0 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 1 1 课题背景和意义 第1 章绪论 进入2 1 世纪，中国和世界上许多国家一样，正在步入人口结构的老龄化。 据统计，截至2 0 0 8 年底，我国6 0 岁以上老年人口已达到1 5 9 8 9 亿人，占总 人口的1 2 。根据中国人口老龄化发展趋势的预测和分析，中国人口老龄化 将伴随2 1 世纪始终。老龄化不仅是社会现象，也必然影响经济、政治和人类 的发展。伴随老龄化过程中明显的生理衰退，老年人的下肢力量和灵活性明 显下降，伴随着行走上的困难，进而对日常的生活产生了种种不利的影响。 此外，老年人由于身体虚弱，各种生理功能衰退，抵抗力下降，容易患上心 脑血管疾病或神经系统疾病。这些疾病很容易引起行走功能障碍、偏瘫，中 风。 近年来随着交通运输工具迅速增多，因交通事故而造成神经损伤或者肢 体损伤的人数一直呈上升趋势。医学理论和临床医学证明，仅仅采用手术和 药物治疗是无法达到满意的治疗效果，采用正确科学的康复训练对于肢体运 动功能的恢复，特别是行走功能的恢复有起到非常重要的作用州。 套装式机器人是一种典型的外骨骼助力装置，穿戴在使用者下肢的外部， 模仿人体下肢的结构特点、行走行为方式，对使用者起到支撑、保护、行走 助力的作用。整个机器人系统包括可穿戴在人体上各部位的机械系统、动力 系统和控制系统，它们组成了一个可提高人体相应部位运动能力与负荷能力 的辅助机器人系统，以及一个类似人类神经系统的局域网，是典型的人机一 体化系统嘲。它有机的结合了人的“智能”和机器人的“力量”，强调人机之 间的交互和配合，通过人的智能来控制机器人的动作，从而完成单凭个人能 力无法完成的动作。套装式机器人技术研究是近年来比较崭新的一个研究领 域，属于特种机器人的范畴，它的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、 机械力电子学、材料学、计算机科学以及机器人学等诸多领域p 7 。 套装式机器人技术的研究，对于提高各种由疾病、交通事故引起的下肢 运动功能障碍、运动和神经损伤的康复治疗效果有着重要的意义，同时对减 轻社会负担也有着重要的实际意义。由于各种原因引起的下肢运动障碍的患 产 毒 0 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 者数量的大量增加，对于康复治疗的社会需求越来越大，套装式机器人有着 非常大的市场前景，也会给患者带来很大的辅助治疗效果以及行动上的极大 便利。套装式机器人已经广泛的应用于康复护理、康复治疗和假肢的研发上， 带动相关领域的新技术和新理论的发展。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 国内发展现状 国内对套装式机器人的研究起步比较晚，从事康复机器人研究的科研机 构有限，研究成果不多。进入新世纪，随着技术的发展和社会需求的增长， 康复机器人的研究得到了越来越广泛的开展，取得了一些有价值的成果。 中国科学技术大学自动化学院、中科院合肥智能机械研究所和日本鹿岛 大学联合开发了一套下肢外骨骼助力机器人系纠叭川，如图1 1 所示。机器人采 用了类人结构，整个系统以电池为能源，由安装在关节处的伺服电机驱动， 在机器人外骨架上的安装多种传感器来反馈人体的运动信息。整个系统采用 了一种特殊的基于时间序列分析的信息预测算法，该算法由自回归( a r ) 模型、 最小二乘法和最终误差预测标注法建立，系统可实时感受人体的运动意图， 通过改变各关节角度、速度值来达到与人体的协调运动，并对人体提供助力， 与人体组成一个相互协调的整体。 图1 1下肢外骨骼助力机器人图1 2 康复医疗下肢原型试验系统 浙江大学机械电子控制工程研究所开发出了一套康复医疗下肢的原型试 验系统，整个系统的组成包括机械结构、下位机系统、传感器的选型，控制 系统电路、数据采集及串口通讯等模块，如图1 2 所示。该假肢结构采用拟 2 产 j 钿 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 人化设计，在髋关节出安装电机，模拟髋关节运动。系统以肌电信号为控制 系统的主要信息源，对整个系统的运动进行控制，从而达到与人行走的协调 一到1 1 1 。 图1 3 浙江大学气动外骨骼 如图1 3 所示，是该所研究人员根据对人体下肢肌肉骨骼运动机理的深 入分析研究，采用气动驱动方式开发的另外一款新型的可穿戴式下肢步行外 骨骼。该外骨骼系统基于自适应模糊神经网络( a n f i s ) 控制理论，进行步态行 走的人机耦合控制。整个外骨骼机构采用更加复杂的拟人化设计，系统共有 8 个自由度，每条腿有两个气缸驱动习。 1 2 2 国外发展现状 在欧美等发达国家，很早就进行了下肢外骨骼的研究开发。早在上世纪 4 0 年代，前苏联的科学家就提出了用于行走康复训练的外骨骼双足机械。其 后的数十年间，中国、美国、日本、新加坡、韩国、英国、比利时等国家的 科学家先后研究开发了功能类似的外骨骼双足步行机械，并引入了机器人控 制技术，使外骨骼更加智能、安全、实用。 麻省理工学院媒体实验室生物机械课题组和哈佛麻省理工健康科学技 术部的科研人员于2 0 0 6 年共同开发了一种轻型的、不完全驱动的与人体平行 运动，同时支撑人体有效负载的外骨骼，如图1 4 所示。 基于测量的人体步态数据设计了两套外骨骼架构。第一种架构由在髋关 节处的弹簧、在膝关节的可变的阻抗设备和在踝关节的弹簧组成。第二种架 构用一个非守恒的驱动器代替髋关节处的弹簧来检测在整个步态周期内，在 理想情况下增加的力的作用。初步的对两种外骨骼架构的对比实验研究显示， 在步态周期内一个高效的，不完全驱动的大腿外骨骼可有效的传递有效负载 3 哈尔滨 = 程大学硕十学位论文 力到地面上1 1 3 1 。 图1 4 扩展弹簧安装在外骨骼上 西班牙马德里自动化协会的a c u l l e l l ，j c m o r e n o ，e r o c o n , a f o r n e r - c o r d e r o ，j lp o n s 共同设计了一套膝盖踝足支具，如图1 5 所示。 该支具用来恢复人正常的步态。支具由膝关节和踝关节两个关节组成u q 。该 支具较其他支具机构不同处在于，膝关节由一个四杆机构来跟随膝关节的运 动，模仿膝关节十字韧带的运动。采用遗传算法来确定四铰链连杆的长度和 角度岱垌。 日本筑波大学的山海嘉之( y o s h i y u k is a n k a i ) 教授所领导的c y b e m i c sl a b 历时十余年的研究，在2 0 0 2 年开发出了h a l ( h y b r i d a s s i s t i v el i m b ) 系列下 图1 5 步态支具图1 6h a l - 5 肢外骨骼。地址由背囊、内装计算机、电池、感应控制设备、4 个传感器装 置( 对应安装在关节两侧) 组成。各种传感器、测量系统、电机驱动器、计算 机以及电源都装到背包中。h a l 系列外骨骼结构采用拟人化设计，在人体下 4 哈尔滨丁程大学硕十学传论文 肢关节处安装电机。该系列的h a l - 3 是套下肢装，h a l - 3 只进行了下肢关 节的设计，用来帮助下肢残障者或是老人们，能更方便地进行日常生活中的 正常行走。 在2 0 0 5 年日本爱知世博会上展出了h a l - 4 和h a l - 5 ，这两种机型不但 能帮助使用者走路，还有上半部能辅助使用者手臂的机械手臂。使用者穿戴 上这种装置，在机械手臂的辅助下能提起比本人原来所能负荷的重量还要更 重4 0 公斤的东西。而在随后更新设计的h a l - 4 不需要使用背包，而是将计 算机和无线网络装置体积缩小，塞进这套装备的腰带里面。与h a l - 3 对比， 更加先进的h a l - 5 不但增加了辅助机械手臂，而且拥有更小的电机空间，这 样外骨骼结构的髋部和膝盖部分体积更小，外型更加美观、时尚，如图1 6 右图所示“。 图1 7 伯克利下肢外骨骼图1 8r o b o k n e e 下肢外骨骼 美国加州大学伯克利分校机械工程系研制出了第一个可携带大有效负载 的大功率、自主行走的下肢外骨骼“伯克利下肢外骨骼 ( b e r k e l e yl o w e r e x t r e m i t ye x o s k e l e t o n ，b l e e x ) 。如图1 7 所示，它的整体结构由两条拟人化 动力腿、电源和一个可以承受重有效负载的类似背包的金属架组成。两条动 力腿机构采用拟人化设计，有脚踝，膝盖，臀部等关节，每条腿有七个自由 度，由四个液压直线驱动器驱动。 当人穿上伯克利下肢外骨骼时，下肢外骨骼能够携带外部负载和自身的 重量( 包括操纵者的重量) 行走。操作者和机器之间也允许有其他连接，操作 者不用负担任何重量。外骨骼腿跟随着人腿走，但是不用精确配合，人和外 骨骼之间只有两处精确连接，采用特制背心将躯干连接在一起，它可以把操 作者和外骨骼之间的力分散，从而防止擦伤。它能够使士兵、灾难救援人员、 消防员和其他紧急救援人员携带大负载。目前实验证明，伯克利下肢外骨骼 5 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 可以以每秒1 3 m m 的速度携带7 5 k g 的负载自由行走弘叫。 r o b o k n e e 是由美国密歇根大学和y o b o t i c s 公司联合研制开发的一款单 膝助力行走装置，如图1 8 所示。它通过对膝关节进行力矩补偿，促使四头 肌处于松弛状态，并利用串联弹性驱动器实现低阻抗运动。r o b o k n e e 允许使 用在背包中携带很重的负载情况下爬楼梯或者深度屈膝。r o b o k n e e 提供绝大 部分的能量来抵抗重力，使用者进行控制和平衡。双肩背包中有计算机系统 和4 k g 的镍金属氢化物电池，电池电量足以保持系统在重负载状况下使用 3 0 - - 6 0 分钟2 卜捌。 美国德拉维尔大学机械工程系机械系统实验室研制开发一套可穿戴式下 肢外骨骼支具，该外骨骼支具模拟人体下肢结构，基于被动重力平衡大腿支 具原型而设计。支具与步行器相连，支具躯干相对于步行器有四个自由度。 支具髋关节相对于支具躯干有两个自由度，一个自由度在矢状平面内，另一 个实现外展内收运动。膝关节相对于大腿有一个自由度，踝关节相对于小腿 有一个自由度。髋关节和膝关节各有一个带编码器的直线驱动器驱动。 整个外骨骼测试系统结构如图1 9 所示。a ：支撑髋关节吊杆，b ：髋关 节直线驱动器，c ：支撑设备重量的弹簧支撑滑动绞车，d ：支撑设备的小车， e ：跑步机，f ：髋关节，g ：髋关节直线驱动器测力传感器，h ：膝关节直 线驱动器，i ：膝关节，j ：膝关节直线驱动器测力传感器。 a b c d e 图1 9 外骨骼系统全图图1 1 0k a s 外骨骼 整个系统的控制器可实现轨迹跟踪控制、定点控制、力矢量控制。轨迹 跟踪控制使大腿按照固定的轨迹运动，但是该轨迹不是用来进行步态训练。 定点控制和力矢量控制用来实现期望的辅助力控制1 。 韩国汉阳大学研制开发了一套下肢外骨骼系统k n e ea s s i s t i v e 6 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 s y s t e m ( k a s ) 。如图1 1 0 所示，该系统基于肌肉活化模型和膝关节角位移来 分析步态模型，最终推论出合适的传感器位置和基本的控制算法。采用商业 膝关节矫正术和最小化驱动系统的数量设计舒适的膝关节运动辅助系统。使 用一个谐波驱动器防止电机轴和连接单元的径向间隙，设计肌肉刚度传感器 ( m s s ) 获取肌肉膨胀度信号，用这个信号作为人的强度信号来操作k a s ，肌 电信号e m g 为跨步和角位移动力学分析提供信息，而且可以在步态的运动 学和运动特性下，帮助解释电机性能例。 英国索尔福德大学计算机科学与工程学院先进机器人技术研究中心开发 了一套由气动肌肉驱动器驱动的下肢外骨骼。该外骨骼有1 0 个自由度，与人 基本自然的运动和人类大腿从髋关节到踝关节的范围内的运动相一致。髋关 节结构总共有3 个自由度( 弯曲、扩展，外展、内收，旋转) ，膝关节1 个自 由度，踝关节1 个自由度。 如图1 1 1 所示。大腿结构主要由铝材构成，关节部位由精密的钢机械结 构焊接组成。大腿固定在轻便的舒适的下肢支撑上。由于不要求严格的精密 控制，采用爱特梅尔单片机控制。踝关节驱动器和大腿弯曲扩展驱动器固定 在侧面。膝关节驱动器和大腿旋转驱动器固定在大腿侧面，髋关节驱动器固 定在操作者后背的身体支撑架上。在每个受力关节结构处安装一个高精度线 性电位计和一个压力计力矩传感器用来测量位置和力矩p 刈。 h i pj o i a t a n k l ej o i n t 图1 1 1 外骨骼全图图1 1 2 康复机器人l o k o m a t 瑞士苏黎世大学医院瘫痪研究中心研制的l o k o m a t ，是用于有运动损伤， 脊椎损伤等患者康复的康复机器人1 2 7 - 2 a 1 。如图1 1 2 所示，该机器人是基于d g o 的一个双侧的机器人的支具，在矢状平面内，和人身体重量支撑系统一起控 制病人腿部运动。d g o 的髋关节和膝关节由直线驱动器驱动，采用外骨骼结 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 构。髋关节和膝关节力矩大小由安装在d g o 上的力传感器决定，实现生物 反馈。 研究侧重于随动系统，而不是病人完全地被动地接受康复机器人的强制 运动，在康复机器人上安装了传感器，把传感器测得的信号传输给控制系统， 控制系统经过算法的处理和分析来快速控制机器人，使其达到实时并且精确 地控制被控制量的目的，最终使患者或运动员能够达到更好的康复效果。图 1 2 2 是患者进行康复时的图片，系统可以实时地观察患者在康复时的状况。 1 3 课题技术难点分析 本课题的目标是开发一套主动外骨骼助力系统，帮助下肢运动功能障碍 的患者进行正常的步行行走。系统不仅能够跟随操作者完成必要的步行动作， 还要适时的为操作者提供助力。该目标功能的实现取决于许多自身特点和外 部环境的影响。包括外骨骼自身结构的合理性、舒适性、安全性，控制策略 的高效性以及适应性等等。总的来说，在整个下肢外骨骼系统的研发过程中， 主要存在以下几大技术难点： 1 、首先，外骨骼机构应该具有合理、轻巧的结构。在结构设计中应该考 虑结构的兼容性、安全性和舒适性。人体下肢大腿和小腿都拥有不规则的表 面外形，由三个复杂的关节组成，而膝关节是人体所有关节中最为复杂的几 个关节之一，不是简单的铰链式的结构。小腿做屈膝动作时，膝关节瞬心轨 迹类似j 形p 3 1 - 。在膝关节结构设计中应考虑更加真实的模拟其运动。考虑到 外骨骼的使用者都是有运动障碍的人，结构设计中要优先考虑安全性，在不 同使用条件下都要安全、舒适。 2 、控制系统的设计要做到高效性、稳定性和适应性的有机结合。外骨骼 的控制算法要能保证它可以在不同使用条件下都可以很好的跟随使用者的运 动节奏，保持协调一致，使二者之间的相互干涉作用最小，并可以适时的提 供助力。而且要保证人穿戴上以后，不能有负担感，不能消耗多余的能量。 外骨骼的使用者都是有运动障碍的人，相比正常人更容易受到系统装置失误 操作的伤害，所以，控制系统在搭建的时候，要优先考虑其如何稳定可靠的 运行，操作装置应该简单、人性化，以防止人为的失误操作。控制系统应该 能实现丰富的步态训练控制策略，以满足不同人不同步态的需要。 3 、各种驱动器和传感器的选择要充分考虑到使用条件和使用环境的影 8 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 响。驱动器的选择既要考虑到要安全实用，有较轻的重量，较小的体积，又 必须具有较大的驱动力或驱动扭矩，同时还要考虑到要有良好的散热性能。 如果选择液压驱动或者气压驱动还要考虑防漏，防污染问题。这些也是可穿 戴式的外骨骼系统能否实现结构紧凑、轻巧便携和充足动力等几大要素的关 键问题。传感器的选择也要考虑小巧轻便，低功耗，抗干扰抗干扰能力强等 问题。 4 、由于下肢外骨骼是穿戴在人体下肢上，与下肢一起协调运动，因此必 须要求外骨骼非常轻便，同时又要具有很好的刚度，以承受人体和外骨骼自 身的重量以及与地面碰撞的反作用力，因此需要选用一些新型的复合材料作 为样机的制作材料。这样既能减小能量的消耗和减小体积又能延长系统的工 作时间。这样，选择能源的时候，也可以减小能源装置的体积，延长能量的 供应时间。 1 4 本文主要研究工作 本课题的研究对象是套装式下肢外骨骼机器人，研究内容主要集中在套 装式机器人的机构设计，控制策略研究和实验研究。通过大量的理论调研和 试验研究，为今后的进一步深入研究的开展提供理论依据和实验平台。具体 来说，本文所涉及到的研究内容主要有以下几个方面： 1 、查阅大量国内外资料，对套装式下肢外骨骼机器人的发展趋势及国内 外研究状况作阐述。分析现阶段套装式下肢外骨骼机器人研发中存在的技术 难点。 2 、确定机器人的总体结构方案和控制方案，根据人体下肢关节的结构特 点、自由度以及外骨骼机器人的功能要求，确定机器人结构以及结构拟人化 设计中的自由度数和各个结构参数，确定整体的驱动方式。确定机器人的具 体控制策略。设计机器人的机械结构。 3 、机器人运动学分析。对机器人机构进行运动学分析，推导机器人踝关 节的运动学方程。 4 、实验研究。基于d s p a c e 进行半物理仿真实验，通过大量的实验研究 得到系统在不同行走状态下，不同负载情况下的运动特性曲线参数，通过分 析驱动器的运动特性曲线，了解其运动特性，为以后进一步更深入的研究做 准各。 9 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 2 1 引言 第2 章套装式机器人总体方案设计 套装式下肢机器人是对下肢具有运动障碍的患者进行主动辅助行走的自 动化机械装置，通过一定的控制算法，模拟使用者的走路的步态。本课题研 究的主要任务是完成套装式下肢机器人的机械本体结构设计。由于套装式下 肢机器人是固定在人体下肢上，由驱动装置驱动，带动患者下肢主动运动， 模仿正常人的走步运动，所以机械本体的设计必须符合人体工程学，即符合 人体下肢的结构特点。 机械本体的结构设计主要包括关节机构的结构设计和驱动器结构设计、 运动自由度的分配和布置等工作，以上设计都要充分体现拟人化和仿生学的 思想，尽可能地模拟真实肢体结构和功能。在进行下肢机械结构的设计之前， 首先应对人体下肢的骨骼结构和运动机理进行一定的研究分析，为开展下肢 机构设计提供理论基础。 2 2 人体步态分析 了解人体正常形态结构、位置及相互关系时，必须了解解剖学的标准姿 势和人体的轴面。以解剖学姿势为准，可将人体设三个典型的互相垂直的轴 和面【3 2 1 。轴是通过人体的假想线，用于描述某些器官或结构的形态位置，特别 是关节的运动。人体有相互垂直的3 种轴：垂直轴、矢状轴和冠状轴。参照上 述3 种轴的方位，可将人整体或器官切成互相垂直的3 种断面：矢状面水平面 和冠状面。 人体下肢骨是由髋骨，大腿的股骨、小腿的胫骨和腓骨、足的跗骨和趾 骨组成，由髋关节、膝关节、和踝关节三个关节连接起来的复杂结构。 髋关节骨骼由髋骨的髋臼和股骨头构成。从外形形状来看是个典型的球 形关节，股骨头和髋臼具有朝各个方向活动能力。其主要辅助结构有关节孟 缘、髂骨韧带、耻骨囊韧带和坐骨囊韧带。髋关节可围绕三个运动轴作屈伸、 内收外展、旋转和环转运动。当髋关节伸直时，由于软组织约束，旋转度较 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 小。髋关节在各个面内的运动角度范围： ( 1 ) 矢状面内屈曲的角度大约0 - 1 4 0 0 ，伸展的角度范围大约o 。一1 5 0 。 ( 2 ) 冠状面内的活动外展的角度范围大约0 0 一3 0 0 ，内收的角度范围大约 o o 一2 5 0 。 ( 3 ) 水平面内当髋关节屈曲时，外旋0 0 一9 0 0 ，内旋o o 7 0 0 。 膝关节是人体所有关节肿最大而且最复杂的关节，膝关节的主要结构包 括股骨下端、胫骨上端、及髌骨的后面，如图2 1 所示。 膝关节之所以能活动自如又不会发生脱位，主要是前、后十字韧带、内 侧韧带、外侧韧带、关节囊及附着于关节附近的肌腱共同作用提供了关节的 稳定性。关节中间内外侧各有一块重要的半月板，除了可以吸收关节承受的 部分负重外，也能增加关节的稳定性。关节前后肌肉群的伸缩可以带动关节 做弯曲或者伸直运动，以及绕垂直轴的微小转动。膝关节屈伸角度范围大约 从0 0 - 1 3 5 0 。生物力学研究表明，膝关节运动是滑动与滚动的结合，而不是 简单的铰链运动吲。 踝关节由胫骨下关节面、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滑车关节面为关节头而连结形成的一个滑车关节。踝 关节可沿通过横贯距骨体的冠状轴做背屈及拓屈运动。脚尖向上运动，脚与 小腿间的角度小于9 0 。叫背屈，反之，脚尖向下运动，脚与小腿问角度大于 9 0 。叫跖屈。背屈角度范围大约0 0 。2 0 0 ，跖屈角度范围大约0 0 o 。 图2 1 膝关节结构图图2 2 人体轴面 众所周知，人在行走过程中，无论快走、慢走，两条腿都是有规律的抬 起或者落下，健康人的正常的步行过程是一个周期性左右腿的迈动过程，每 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 条腿的一个步态循环过程可以划分为站立和摆动两种状念。在正常人一个步 态周期内，站立状态大约占整个周期的6 0 ，摆动状态大约占4 0 。站立状 态时又有三种情况，双腿支撑、单腿支撑和反向双腿支撑，如图2 3 所示p 卅。 以右腿( 图中颜色较深的大腿) 为例说明，从右脚后跟接触地面到右脚尖 抬起的的整个过程当中，右脚一直处于支撑状态，支撑人身体，相对于人体 来说，右腿在做一个摆动运动，摆动的方向是由人身前向身后，这是右腿一 个步态周期的站立状态阶段，这个阶段约占整个步态周期的6 0 ，从右脚尖 抬起到右脚后跟再次接触地面的的过程中，右脚一直在空中做摆动运动，相 对于人体来说，右腿是由身后向身前摆，这是右腿一个步态周期的摆动状态， 这个阶段约占整个步态周期的4 0 。 主状态h 与立状态 _ 摆动状态一 状态划分卜双支捧+ 单支撑协支蝴薯宾舅挚 器霞暴疑 镦泼? 步态广丁t _ r 周其j o 1 2 5 0 6 0 1 0 0 0 6 图2 3 人体行走步态周期图 2 3 机器人机构方案 2 3 1 机器人主要结构设计参数 本课题的设计目标是设计一套下肢外骨骼，辅助人行走，在不同使用条 件下都可以很好的跟随使用者的运动节奏，保持协调一致，使二者之间的相 互干涉作用最小，并可以适时的提供助力。根据拟人化思想，在结构设计中 应该考虑结构的合理性、安全性和舒适性。外骨骼应该模拟人体下肢结构， 并且充分的考虑到人体的各种尺度。 表2 1 所示为与本次设计相关的人体各部分尺寸。该尺寸标准是1 9 8 9 年 7 月开始实施的我国成年人人体尺寸国家标准( g b l 0 0 0 0 8 8 ) 3 5 o 该标准根据 人机工程学要求提供了我国成年人人体尺寸的基础数据，该标准共提供了7 大类，4 7 项人体尺寸基础数据。标准中所列出的数据代表法定中国成年人( 男 1 2 一 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 1 8 6 0 岁，女1 8 5 5 岁) 的人体基本尺寸数据，并按男、女性别不同分开列表。 下肢外骨骼机器人应设计成能满足不同身高的人使用，机器人的大小腿连杆 及腰部连杆必须设计成可以调节的形式，根据表2 1 提供的人体基本尺寸数 据，确定康复机器人合理尺寸调节范围大致设定为： 大腿杆调节范围：4 7 0 , - 、, 5 3 0 m m 小腿杆调节范围：3 5 0 一- 4 2 0 m m 腰部调节范围：3 9 0 - 6 0 0 m m 表2 1 人体主要尺寸 测量项 身高体重 上臂长前臂长大腿长小腿长 百分位 目 ( m m )( k g )( n 蚰)( m m )( m m )( m m ) 数 1 5 4 34 42 7 92 0 64 1 33 2 41 1 5 8 34 82 8 92 1 64 2 83 3 85 男 1 6 0 4 5 02 9 42 2 04 3 63 4 41 0 ( 1 8 - 6 0 ) 1 6 7 85 93 1 32 3 74 6 53 6 95 0 1 7 5 47 03 3 32 5 3 4 9 63 9 69 0 1 7 7 57 53 3 82 5 85 0 54 0 39 5 1 8 1 48 33 4 92 6 85 2 3 4 1 99 9 1 4 4 93 92 5 21 8 53 8 73 0 01 1 4 8 44 22 6 21 9 34 0 23 1 35 1 5 0 3 4 42 6 71 9 84 1 03 1 91 0 女 ( 1 8 4 5 ) 1 5 7 05 22 8 42 1 34 3 83 4 45 0 1 6 4 06 33 0 22 2 94 6 73 7 09 0 1 6 5 96 63 0 32 3 44 7 63 7 59 5 1 6 9 77 13 1 9 2 4 24 9 43 9 09 9 下肢外骨骼机器人的关节设计是整个结构设计的关键部分，它关系到机 器人是否能实现模拟人行走、与人协调一致、互不干涉。正常人体髋关节有 三个自由度，分别是围绕三个运动轴作屈伸、内收外展、旋转和环转运动。 考虑到人体行走时主要是依靠髋关节和膝关节的屈伸运动来完成迈步功能 的，而且实现这两个自由度的运动所需的能量较大，所以在这两处