（机械电子工程专业论文）穿戴式下肢康复机器人的研究.pdf

哈尔滨t 稃大学硕士学位论文 摘要 康复训练机器人技术是近年来迅速发展的一门新兴技术，是机器人技术 在医学领域的新应用，经过几十年的发展已经取得了很大的成果。国外的康 复机器人研究比较发达，而我国在康复工程领域的研究刚刚起步，因此课题 的研究更具有实际应用意义。 本课题研究的是穿戴式下肢康复机器人，它是康复训练机器人的一种， 它可以固定在人身上，由驱动器驱动模仿正常人的步态，从而带动患者进行 走步训练，使下肢有运动障碍的病人得到康复。 本文对国内外下肢康复机器人的发展现状及应用，以及下肢外骨骼的技 术难点进行了分析，并对人体下肢机理、人体步态等方面进行了理论研究， 在此基础上提出了穿戴式下肢康复机器人的总体机构方案和控制方案，确定 了机器人具体的驱动方式及各部分的合理尺寸，建立了机构模型。由于机构 设计的需要简化了人体下肢的自由度，用d h 方法建立了坐标变换矩阵，得 到了康复机器人运动学方程的正、逆解；并运用m a t l a b 中的s i m u l i n k 和 s i m m e c h a n i c s 工具箱对康复机器人进行了运动学仿真研究，验证了运动学模 型的可行性和正确性。 在运动学模型的基础上，通过引入机构和人体的质量、质心及转动惯量 搭建了机构的动力学模型，并进行了动力学仿真分析，通过仿真得到了驱动 机构的力和速度曲线，为选择电机和传动比提供了理论依据。根据电机的参 数，搭建了单关节伺服控制系统的仿真模型，系统采用速度和位置双闭环控 制，在此基础上建立了机器人末端轨迹控制仿真模型，实现了各关节的协调 控制以及机器人末端的轨迹控制。 关键词：穿戴式机器人；m a t l a b 仿真；下肢运动；轨迹控制 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e h a b i l i t a t i v er o b o tt e c h n o l o g y , an e w l y d e v e l o p e dt e c h n i q u ei nr e c e n ty e a r s ， i san e wa p p l i c a t i o ni nm e d i c a lf i e l d s i th a sm a d eg r e a ta c h i e v e m e n tw i t h i n s e v e r a ld e c a d e so fd e v e l o p m e n t t h eo v e r s e a sr e h a b i l i t a t i v er o b o tr e s e a r c hi s q u i t ed e v e l o p e d s i n c et h es t u d yi nt h ef i e l do fr e h a b i l i t a t i o ne n g i n e e r i n gi no u r c o u n t r yi si n c h o a t e ，t h er e s e a r c hi sp r a c t i c a l t h es t u d yi nt h i sp a p e ri st h ew e a r a b l el o w e rl i m b sr e h a b i l i t a t i v er o b o t ， w h i c hi sak i n do fr e h a b i l i t a t i v er o b o t i tc a nb ef i x e do nt h eh u m a nb o d ya n d d r i v e nb yt h ea c t u a t o rt ow a l ka san o r m a lp e r s o n a n dm a k et h ep a t i e n t sd o w a l k i n ge x e r c i s e sa n d t h ed i s a b l e dw i t l lm o t i o no b s t a c l e st or e c o v e r n ep a p e rd e s c r i b e st h ec u r r e n td e v e l o p m e n ts t a t u sa n da p p l i c a t i o no ft h e r e h a b i l i t a t i o nr o b o td o m e s t i ca n da b r o a d a u sw e l la st h ef u t u r ed e v e l o p m e n to f t h ek e yt e c h n o l o g i e s t h e ni nt h i sp a p e r , t h em e c h a n i s mo fp e o p l e sl o w e rl i m b s a n dt h eg a i ta r er e s e a r c h e d ，b a s e do nw h i c ho v e r a l lp r o g r a mi sd e s i g n e d ，i n c l u d i n g o v e r a l ls t r u c t u r ea n dc o n t r o lp r o g r a m w ba l s o d e t e r m i n e dt h e s p e c i f i c r o b o t d r i v e na p p r o a c ha n dt h er e a s o n a b l es i z eo ft h ev a r i o u sp a r t s t h e nt h e m e c h a n i c a ls t r u c t u r ei s d e s i g n e d i nd e t a i l a n dt h em e c h a n i s mm o d e li s e s t a b l i s h e d a st h en e e do ft h ed e s i g n ，w es i m p l i f i e dt h ef r e e d o m so ft h el o w e r l i m b s t h e ns e t t i n gu pc o o r d i n a t ev a r ym a t r i xw i t hd - hm e t h o d ，a n dd e d u c i n gt h e d i r e c ta n di n v e r s e k e y so fi t s k i n e m a t i c sf u n c t i o n u s i n gs i m u l i n ka n d s i m m e c h a n i c st o o l b o xi nm a t l a bt oc a r r yo nt h es i m u l a t i n gr e s e a r c ho f k i n e m a t i c s w h i c hs h o w st h ek i n e m a t i c sa n a l y s i si sw o r k a b l ea n dc o r r e c t o nt h eb a s eo ft h ek i n e m a t i cm o d e l w ee s t a b l i s h e dt h ed y n a m i cm o d e lb y t h ea c c e s s i o no ft h eq u a l i t y , c e n t e ro fm a s s a n di n e r t i ao ft h el o w e rl i m b a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o ns o l u t i o no f t h ed y n a m i c s ，w eg o tt h ef o r c ea n ds p e e d c u r v e so ft h ed r i v em e c h a n i s m ，w h i c ho f f e r e dt h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ec h o o s e o ft h em o t o ra n dt r a n s m i s s i o nr a d i o a f t e rg e t t i n gt h ep a r a m e t e r so ft h ed r i v e ，t h e s e r v oc o n t r o ls i m u l a t i o nm o d e lo ft h e j o i n tw a se s t a b l i s h e d ，u s i n g t h e t w o c l o s e d 1 0 0 pc o n t r o lo f t h es p e e da n dp o s i t i o n o nt h i sb a s i s ，t h ec o n t r o lm o d e l 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 o ft h et e r m i n a lt r a j e c t o r yw a se s t a b l i s h e d ，w h i c hm a d et h ec o o r d i n a t i o nc o n t r o lo f t h ej o i n t sa n dt h ec o n t r o lo ft h et e r m i n a lt r a j e c t o r yc o m et r u e k e yw o r d s ：w e a r a b l er o b o t ；m a t l a bs i m u l a t i o n ；l o w e rl i m b sl o c o m o t i o n ； t r a j e c t o r yc o n t r o l 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。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己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，均己在文中以明确方式 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) ：赵豫玉 日期：p 啼年弓月弘日 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( 口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) ：赵豫壶导师( 签字) ：缮多勿 日期： 呷年弓月阳刎年乡月厂日 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 i i 1 1 课题的背景及意义 第1 章绪论 康复机器人是近年来出现的一种新型机器人，作为医疗机器人的一个重 要分支，它的研究贯穿了康复医学、生物力学、机械学、机械力学、电子学、 材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析以及机器人学等诸多的领域， 已经成为了国际机器人领域的一个研究热点2 。 近年来，由于经济的飞速发展，交通运输工具迅速增多，因交通事故而 造成神经心痛损伤或者肢体损伤的人数一直呈上升趋势。同时，随着科学技 术的进步和人民生活水平的提高，我国和世界上许多国家一样，正在步入老 龄化。据统计，我国6 0 岁以上的老年人已有1 4 4 亿，占全国人口的1 1 p 1 。 在老龄人群众中有大量的心脑血管疾病或神经系统疾病患者，这类患者多数 伴有偏瘫症状。目前患心脑血管疾病的中老年出现偏瘫的人数不断增多，而 且年龄上呈现年轻化趋势。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h ，尽早介入康复训练不仅能够维持关节 活动度、防止关节挛缩，而且能够明显提高患者运动功能的最终康复程度。 通常这些患者的康复训练需要有人帮助才能进行，由于专业护理人员的缺乏 和医疗费用等问题，多数患者选择了在家里自行进行训练，因为训练方法不 够科学和训练量的不足，很多患者错过了最佳恢复时间，许多人因得不到有 效的康复训练而逐渐丧失了肢体的活动能力垆1 。这样既给患者带来了痛苦， 又给家人和社会造成了很大的负担。 可穿戴式康复机器人是一种典型的外骨骼助力装置，穿戴在操作者下肢 外部，为操作者提供诸如助力、保护、身体支撑等功能，同时又融合了传感、 控制、信息获取、移动计算等机器人技术，使得该机器人能在操作者的无意 识控制下完成一定的功能和任务，是典型人机一体化系统。穿戴式助力装置 是一个崭新的研究领域，仍然处于探索研究阶段，一些技术参数如机械结构、 人机协调、工作延续性、重量等，还远远达不到实际应用的要求。目前利用 外骨骼评估、重建和提高残疾肢体运动肌灵活性的研究已成为当前国内外的 至玺釜圭彗；：；：誓：g 鎏三 热点研究课题。外骨骼在未来会广泛应用，在提高人的力量、耐力和速度等 许多方面都具有优势。 1 2 国内外研究现状及分析 2 0 世纪8 0 年代是康复机器人研究的起步阶段，美国、英国和加拿大在 康复机器人方面的研究处于世界领先地位。1 9 9 0 年以前全球的5 6 个研究中 心分布在5 个工业区内，它们是北美、英联邦、加拿大、欧洲大陆和斯堪的 纳维亚半岛及日本，1 9 9 0 年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期。 目前，康复机器人的研究主要集中在康复机械手、医院机器人系统、智能轮 椅、假肢和康复治疗机器人等几个方面”1 。 1 2 1 国外的研究现状 早在上个世纪6 0 年代，美日两国就制定了一项研究发展计划，决定研制 由人穿上像外衣一样的装有动力系统的外骨骼”1 。人可以控制一组机械肌肉， 使操作者的力量增强2 5 倍，不过在人接触物体时，他感觉到的力量就像直接 接触物体一样，从此，机器人领域外骨骼的发展拉开序幕。 贝尔格莱德大学在6 0 年代至7 0 年代间，开发了几种外骨骼，用于帮助 患截瘫的人们。虽然这些早期的机器仅限于作预定的动作，取得的成功也有 限，但是用于它们的平衡算法至今仍被用于双腿机器人中9 1 。“机器腿”是 有动力驱动的膝支柱，其功能与穿着它的人的膝盖功能差不多，把重量传递 到穿戴者的踝部( 不是传递到地面) i l o io “h a l ”是一种矫正装置，与大腿 和小腿相连接，作用是从穿戴者的身上测得肌电信号，从而控制病人的腿部 移动”1 。 美国盐湖城的风险投资公司 s a r c o s 生产的一些机器人装置，曾在军 事领域发挥过有点令人惊悚的作用，它作 为外骨骼军事机器人出现在战场上，如图 i1 所示，让人们见识了一直以来只有在科 幻电影中才能看到的东西”。 r o b o k n e e i “1 是由美国y o b o t i c s 公司 ( 2 0 0 0 年i 月由4 名毕业于m i tl e g l a b o r a t o r y 研究生注册成立) 研制开发的 2 图11s a r c o s 公司类人机器人 哈尔滨工程人学硕士学位论文 一款单膝助力行走装置，如图1 2 所示。它通过实时对膝关节进行力矩补偿， 促使四头肌处于松弛状态，并利用s e r i e se l a s t i c a e t u a t o r s 实现低阻抗运动。 后背有计算机系统和4 k g 的金属氧化物电池，足以保持系统在承载状况下使 用3 0 6 0 分钟的能量。 篓铡 一。妻0 警 图1 2r o b o l c n e e 助力机械腿 瑞士苏黎士联邦工业大学( e t h ) 在腿部康复机构、走步状态分析方面 取得了一些成果，在汉诺威2 0 0 1 年世界工业展览会上展出了名为l o k o m a t 的康复机器人”，如图1 3 所示。l o k o m a t 的步念模式和导引力可根据患者 的需要进行调整，通过直接安装在动力装置上的力转换器增加了测量患者活 动能力的功能，而且可以使步态援助水平得到调整，使导引力从零到最大范 围进行调节，以适应每一条腿的锻炼。完整的生物反馈系统监测患者的步态 并且提供即时可视化的运动反馈以提高患者训练的积极性。它将功能训练晟 优化以协助患者在整个跑台上的步行运动，并使渐进的功能运动治疗和患者 的评估、反馈系统有机结合。为了适应不同患者的需要，该机器人的各个关 节均可调整。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， 在对患者进行康复试验中取得了很好的效果。到目前为止，已经有1 0 0 多台 l o k o m a t 系统在世界范围内有名的康复医院和研究所被安装并且成功地投入 使用。 日本t s u k u b au n i v e r s i t y ( 筑波大学) 在2 0 0 2 年研制开发了机器人装混 合助力腿( h y b d d a s s i s f i v e l i m b ，h a l ) 用于协助步态紊乱的病人行走。这种 装置能帮助人们以每小时4 公里的速度行走，毫不费力地爬楼梯，h a l 机器 腿的运动完全由使用者通过自动控制器来控制，不需要任何操纵台或外部控 制设备。h a l 由背囊、内装计算机和电池的一组感应控制设各、4 个电传装 置( 对应分布在髋关节和膝关节两侧) 组成。这种帮助人行走的外骨骼动力 哈尔滨工程大学硕士学位论文 辅助系统配备较多的传感器，如角辨向器、肌电传感器、地面传感器等，所 有动力驱动、测量系统、计算机、无线网络和动力供应设备都装在背包中， 电池挂在腰部，是一个可佩戴的混合控制系统，根据生理反馈和前馈原理研 制的动力辅助控制器可以调整人的姿态，使其感到舒适。h a l 机器人骨架是 一种“穿”在人身上的特殊构架，固定在皮带上的微型计算机根据皮肤电脉 冲收集有关肌肉活动的信息，然后借助于伺服电动机加强动作，以此降低肌 肉的负荷，从而帮助工人和体力活动受限制者。 在重量上，h a l 3 重2 2 公斤，h a l - 4 重1 7 公斤，而h a l 一5 仅重1 5 公 斤，但使用者几乎是感受不到这个重量的，因为装备的脚跟部分会吸收这些 重量，而这套装备提供的协助绝对足以补偿重量上的负担”1 。 t 翁 强专 j i - d 工一 图13l o k o m a t 康复机器人 _ 确 ； 图1 4 i a l 一3 “机器人套装”图i 5h a l 一5 “机器人服” 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 美国加州大学伯克利分校机器人和人体工程实验室研制出美军“伯克利 下肢外骨骼”( b e r k e l e yl o w e re 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 6 所 示。它由背包式外架、金属腿及相应的液压驱动设各组成，机械系统采用了 与类人形结构相似的设计，有脚踝，膝盖，臀部等关节，很像是人的腿。b l e e x 的脚上有特制的靴子和封边，身上有特制的背心与操作者精确连在一起。操 作者和机器之间也允许有其他连接，重量不会给操作者。外骨骼腿可以跟着 人腿走，但是不要求精确配合，因为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b l e e x 之问的力分散，从 而防止擦伤。这些背心是用外表坚固的厚纤维制成的，彼此之间相互搭接在 一起。背心后背上有钢板，用于连接b l e e x 脊柱。每条b l e e x 腿在臀部有3 个自由度，膝盖处有1 个自由度，脚踝处3 个自由度。臀部的弯曲和向外展自 由度受动力驱动，同样地，膝盖处和踝关节处的弯曲自由度亦被驱动( 在径 向面内) ，其他的三个自由度( 即，踝关节的转动和外展，臀部的转动) 用金 属弹簧和弹性体作为被动阻抗装配一起。总之，每条b l e e x 腿有4 个自由度 被驱动：臀部、膝部、踝部关节径向面的转动，臀部的外展。与径向平面上 的运动相比，臀部关节外展运动所需能量较少。外骨骼上共安装有4 0 多个传 感器和液压驱动器，它们共同构成了一个局域网络，该网络向计算机提供必 要的信息，计算机根据这些信息了解操作者当前的状态，并据此对人的负载 情况实时进行必要的调整。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) 在崎岖路面远距离行走，能使带有全副武装的士兵增加负 重和提高行军速度”。”1 。实验表明，操作者身着重达1 0 0 磅的外骨骼，同时背 上7 0 磅的背包在房间里行走，他所感觉到的重量只有5 磅。 图16 b l e e x 下肢外骨骼 哈尔滨工程大学硕十学位论文 新加坡南洋理工大学的罗锦发教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，目标是使其能够帮助诸如步兵一样的操作者进行大 负重、长距离的徒步行走。图1 7 左图所示是他们的整个下肢系统的概念设 计：右图则是他们现阶段已经开发出来的原型系统，该系统的动力驱动、测 量系统、计算机、无线网络和动力供应设备都装在背包中，电池挂在腰部， 是一个可佩戴的混合控制系统，根据生理反馈和前馈原理研制来提供助力， 根据内侧下肢测得的关节角度值通过电机来提供动力。他们的另外一个主要 工作在该原型系统上利用零力矩点( z m p ) 理论进行了下肢行走稳定性方面 的研究。 图17 下肢系统的概念设计和原型系统 韩国西江大学的i n t e l l i g e n t w a l k i n g a s s i s t i v e r o b o t 外骨骼8 5 ”1 设计初衷是 为了方便体弱和行走不便的老人，扩大他们的运动范围和活动能力。如图1 8 所示，该外骨骼结构上的显著特点是整个装置由两个部分组成：外骨骼和手 推车。所有的驱动元件，包括电池和马达，及控制器等较重的周边设备都布 置在手推车中，这样一方面可以减轻操作者的负担，另一方面亦可以保证老 年人的行走平衡。在控制方面，他们采用类似于肌电信号( e m g ) 的肌纤维 膨胀信号，利用绑在大腿和小腿上的气囊内的气体的压力变化来测得，而在 人腿自由摆动，即肌纤维不膨胀时，则利用关节处的电位计式角度传感器的 信号来触发驱动器的动作。传感器信号的融合和处理是通过便携式计算机中 的模糊控制算法来实现的。 日前，以色列的一位残疾发明家开发出了一种名为“再次行走”的助走 6 爨 趱 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 器，帮助一些腿部瘫痪者从轮椅上重新站了起来。整套助走器包括一套捆绑 在腿部的机械骨骼，一个遥控器以及一个背包。背包中装有控制助走器的电 脑系统和充电电池，相当于个可以随身携带的控制中心。通过手腕上的这 个遥控装置，使用者可以根据需要选择自己想要做的动作，例如坐下、行走 或是攀爬。然后只要将身体稍稍向前倾斜，就能激活安装在身体上的感应器， 并向腿部的机械骨骼发出相应的指令。为了帮助使用者保持身体平衡，在使 用这种助走器的同时，他们还需要拄一对拐杖，让行走更加顺畅。并不是所 有的腿部瘫痪者都能使用这种助走器，因为这种仪器的使用方法决定了使用 者的手臂必须具备完整的生理功能。据了解，这种助走器将于2 0 1 0 年正式投 入市场，价格大约在2 万美元左右“”。 图19 “再次行走”助走器 7 哈尔滨上程大学硕士学位论文 1 22 国内的研究现状 在我国，康复医学工程虽然得到了普遍的重视，但康复机器人研究仍处 于起步阶段。近几年我国康复工程在各个方面取得了一定的进展，特别是技 术含量不太高的中档产品( 如康复器械) 发展较快，取得了一些可喜成果， 填补了一些空白。 2 0 0 4 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 究工作础矧，如图11 0 所示。机器人采用了类人结构，机构单侧共有五个自由 度，分别是髋关节三个自由度，膝关节和踝关节各一个自由度。“可穿戴型 助力机器人”以电池为能源，能够根据安装在机器人外骨架上的多种传感器 来感受人体的运动意图，由安装在外骨架的伺服电机驱动关节运动，通过各 关节角度、速度值的改变来达到与人体的协调运动并提供助力，降低人在负 重荷或长时间行走的情况下的运动强度，与人体组成一个协调而且完美的整 体。 图1 1 0 可穿戴型助力机器人 浙江大学机电所开发研制了可穿戴式假肢呷1 ，该研究致力于开发一套用 于增强人体步行能力的可穿戴式下肢假肢，它引入人作为整个控制系统的主 要部分，可以缓解人们由于过量的双足步行所引起的身体疲劳。目前，己经 开发了一套下肢的原型试验系统，用来验证一些理论成果并以此为平台进行 下一阶段的实验研究。 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，分别为髋关节和膝关节的屈胂自由度，这两个 自由度分别由电动缸驱动，单侧下肢机构如图1 1 2 所示”“。 8 曩_ i p 嘲谶函 i 翟j j ：誊；i ：i 鲨蚤； 唾 圈1 11 浙江大学的下肢假肢图1 1 2 助力机械腿 13 下肢外骨骼技术难点分析 在开发下肢外骨骼系统的整个过程中，目标功能最终能否顺利实现取决 于许多方面因素的共同影响和作用，包括设计拟人化的人体下肢外骨骼机构、 选用高效的控制方式和控制策略等，解决了这些问题才能使外骨骼系统不仅 能够跟随操作者完成必要的下肢运动，而且可以对人体步行适时提供助力， 从而大幅度提高人的运动及负载能力。 总的柬说，在整个下肢外骨骼系统的研发过程中，为了实现最终的功能 要求，主要存在以下几大技术难点： ( 1 ) 拟人化机构的合理设计，包括：机械结构和关节运动副的优化设计， 驱动器件和传感器件的合理选择与集成设计，运动自由度的分配和冗余自由 度选择等，以便使人穿戴舒适、操作灵活、最大限度地拓展人的活动范围， 这是外骨骼开发过程中首先需要解决的一大关键问题。 ( 2 ) 外骨髂与操作者的协调运动问题。外骨骼的控制算法要能保证它可 以和操作者始终保持协调一致的运动节奏，以使二者之间的互相干涉作用最 小，并可以根据人的运动意图来适时的提供助力。保证人穿戴上以后，运动 负担减小，即穿戴下肢外骨骼后行走同样距离的路程人体所消耗的能量比没 有穿戴外骨骼时所消耗的能量少。 ( 3 ) 外骨骼步态规划和生成及运动稳定性问题。步态的规划和生成主要 有两种方案：一种是“离线规划，在线校正”，根据人体运动学统计数据进 9 穰 _ 潮， 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 行外骨骼步态的规划，并且依靠对执行器的精确控制来完成步态的生成；在 操作者穿着行走时，外骨骼可以通过和操作者的交互来实时校正和调整步态。 另一种是外骨骼步态学习与复现，除了使用已有的人体运动学统计数据实现 步态的生成外，还可以采用先让外骨骼自己跟踪和学习操作者的步态，继而 将原步态完整复现的控制策略，增加操作者穿着步行时的舒适感。同时，必 须保证外骨骼步态的稳定性调节范围不能超过人体可以调整的范围，以确保 行走的平稳和穿戴者的安全。 ( 4 ) 驱动器的选择及驱动系统的设计。既要有较轻的重量，较小的体积， 又必须具有较大的驱动力或驱动扭矩，同时还要有良好的散热性能。这也是 可穿戴式的外骨骼系统能否实现“结构紧凑”、“轻巧便携”和“携带动 力 等几大要素的关键问题。 ( 5 ) 样机材料选择。由于下肢外骨骼是穿戴在人体下肢，与人体一起运 动的，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 体和重物的重量以及与地面的碰撞，因此可能需要选用一些新型的复合材料 作为样机的制作材料。 1 4 论文主要完成工作 本课题的研究对象是穿戴式下肢康复机器人，通过建立系统模型，进行 仿真研究，可以为实际机构的设计和控制提供重要数据。经过系统学习机器 人技术的知识，查阅大量的文献资料，对国内外的机器人的现状有了比较详 细的了解，在此基础上主要进行以下几项工作： ( 1 ) 机器人总体方案设计 确定机器人的总体结构方案和总体控制方案，根据人体下肢的结构特点 及可穿戴性的功能要求，确定机器人的自由度和结构参数，确定驱动方式， 并建立机构模型。 ( 2 ) 运动学建模及仿真分析 从运动学方程的建立入手，进行运动学的正逆解分析，得出机器人的运 动特性，利用m a t l a b 中的s i m u l i n k 和s i m m e c h a n i c s 工具箱搭建机构的运 动学模型，并进行仿真分析。 ( 3 ) 动力学分析 在运动学模型的基础上，引入机构和人体的动力学参数，得到机构的动 力学仿真模型，根据仿真得到机构所需驱动力和驱动速度曲线，为选择电动 1 0 哈尔滨i ：稗大学硕十学位论文 机和传动比提供理论依据。 ( 4 ) 控制系统建模及仿真分析 建立单关节伺服控制系统仿真模型，分别对各个关节进行速度、位置双 闭环控制仿真，在此基础上搭建机构的末端轨迹控制仿真模型，对机构进行 轨迹控制研究。 哈尔滨1 ：程大学硕十学位论文 i i i i i i i i i i i i l i 暑萱i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i 宣i 2 1 引言 第2 章机器人总体方案设计 本课题研究的穿戴式下肢康复机器人直接与人体接触，它依附于人体并 跟随人体一起运动，因此在结构上要有一定的拟人性。必须合理取舍自由度， 机构的参数要以人体结构参数为依据，另外结构要简单，紧凑，重量轻，适 合人体穿戴。 2 2 步态周期时相划分 正常人体下肢是由骨骼、关节和骨骼肌组成，它起着支撑人体体重，推 动人体行走( 包括跑、跳、转等) 的作用。行走是下肢的基本功能，主要体 现在人体的前进、转向或后退。人的行走过程是依靠骨骼、肌肉以及控制肌 肉的神经系统来进行的，因此人体下肢是一个高度复杂的自动调节系统。在 这个系统中，骨骼是运动的杠杆，关节用于运动的联系，神经系统来控制， 肌肉收缩为动力，从而实现下肢的行走及全身的空间运动p 引。 相对于人体的上肢而言，下肢的运动更具有约束性、周期性和可重复的 特点，也存在一些如正常步态周期等标准运动( s t a n d a r da c t i v i t y ) 。人体下肢 运动常见的有行走、跑步、蹬自行车、跳跃、踢等等，其中行走、跑步和蹬 自行车为周期运动，跳跃和踢为非周期运动p 4 1 。 平地行走是下肢运动的最基本形式，也是穿戴式下肢康复机器人的主要 模拟目标和评定指标。人体正常的步态是指当一个健康成人用自我感觉最自 然、最舒坦的姿态行进时的步态，正常步态需要中枢神经系统、周围神经系 统和骨骼肌肉的动态整合，是通过骨瓮、髋关节、膝关节、踝关节和足趾的 系列活动完成的，而躯干则基本保持在两足之间的支撑面上，正常的步态 应该是平稳、协调、有规律的，两腿交替进行，而且耗能最少。 一个步态周期是指从一侧足跟着地到同侧腿足跟再次着地所经历的时 间，如图2 1 所示。正常的步态周期可分为两个相位：支撑相与摆动相。支 撑相( s t a n dp h a s e ) 是指从足跟着地到足尖离地，即足部支撑面接触的时间， 约占步态周期的6 0 ；摆动相( s w i n gp h a s e ) 则是从足尖离地到足跟着地， 1 2 哈尔滨程大学硕十学位论文 即足部离开支撑面的时问，约占步态周期的4 0 ”。支撑相具有承重特性， 可分为若干阶段，其中有双肢触地阶段又称为双支撑相，分别出现在支撑相 初期和末期，其持续时间与步行速度有关，步行越快，持续时间越短，在常 速下占步态周期的2 0 2 7 。按照运动学特征，摆动相可分为摆动早期、 摆动中期和摆动后期三部分。 i l t i 产 i 厂_ r 1 o 1 2 5 0 6 2 1 0 0 足跟首 对侧腿 足相邻 对侧腿足 足尖足相邻胫督 足跟再 次着地脚尖离地 跟首次着地离地 垂直次着地 图2 1 步态周期时相图 步态周期各时期划分及有关具体内容如下： ( 1 ) 双例肢体支撑期：为取足着地、由双侧肢体支撑体重的时期，又分 为被测下肢在前的“前足着地双足支撑期”( 预承重期) 和被测f 肢在后的“后 足蹬地双足支撑期”( 摆动前期) 两个时期。预承重期是从被测足足跟着地至 对侧足足尖离地的时期；摆动的期是从对侧足足跟着地至被测足足尖离地的 时期。一侧足的预承重期即为对侧足的摆动前期。 ( 2 ) 单侧肢体支撑期：仅由被测足承担体重的时期，即从对侧足足尖离 地至对侧足足跟着地的时期，也是对侧肢体摆动期。 ( 3 ) 摆动期：被测足不接触地面的时期，即从被测足足尖离地至同侧足 足跟着地的时期，也是对单侧肢体支撑期。 23 下肢主要尺寸及自由度 231 人体测量基本数据 为了便各种与人体尺度有关的设计对象能符合人的生理特点，让人在使 用时处于舒适的状态和适宜的环境之中，就必须在设计中充分考虑人体的各 1 3 哈尔滨丁稃大学硕士学伊论文 种尺度，凶向也就要求设计者了解一些人体测量学方向的基本知识，并能熟 悉有关设计所必需的人体测量基本数据的性质和使用条件p 川。 g b l 0 0 0 0 8 8 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。 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，它适用 于工业产品设计、建筑设计、军事工业，以及工业的技术改造，设备更新及 劳动安全保护。该标准提供了7 类，共4 7 项人体尺寸基础数据，标准中所列 出的数据是代表法定中国成年人( 男1 8 6 0 岁，女1 8 5 5 岁) 的人体尺寸， 并按男、女性别分开列表，与本次设计相关的人体尺寸如表2 1 所示。 表2 1 人体主要尺寸 测量项目 男( 1 8 6 0 )女( 1 8 5 5 ) 身高( m m ) 1 5 4 31 5 8 31 6 0 4 1 6 7 8 1 7 5 4 1 7 7 5 1 8 1 41 4 4 91 4 8 41 5 0 31 5 7 0 1 6 4 0 1 6 5 9 1 6 9 7 体重( k g ) 4 44 85 05 97 07 58 33 94 24 45 26 36 67 1 上臂艮( m m ) 2 7 92 8 92 9 43 1 33 3 33 3 8 3 4 9 2 5 22 6 22 6 72 8 43 0 3 3 0 23 1 9 前臂艮( m m ) 2 0 62 1 62 2 02 3 72 5 32 5 82 6 81 8 51 9 31 9 82 1 3 2 2 92 3 42 4 2 大腿长( m m ) 4 1 34 2 8 4 3 67 4 6 54 9 6 5 0 5 5 2 33 8 74 0 24 1 04 3 8 4 6 74 7 64 9 4 小腿长( m m ) 3 2 43 3 83 4 43 6 93 9 64 0 34 1 93 0 03 1 33 1 93 4 43 7 03 7 53 9 0 百分位数 l 51 05 0 9 09 59 9151 05 09 09 59 9 2 3 2 下肢各关节运动自由度 1 人体的基本轴和基本平面 人体的基本轴和基本平面如图2 2 所示，基本平面包括矢状面，额状面 和水平面，基本轴有矢状轴( 标记为x ) ，额状轴( 标记为，) ，垂直轴( 标 记为z ) 。 矢状面：沿身体前后径所作的与地面垂直的切面，叫矢状面。此面将人 体分为左右两部分。沿正中线作的矢状切面叫正中面。 额状面：沿身体左右径所作的与地面垂直的切面，叫额状面( 或称冠状 面) 。此面将人体分为前后两部分。 水平面：横切直立身体与地面平行的切面叫水平面( 或称横切面) 。此面 将身体分为上下两部分。 额状轴( 左右方向) ：在额状面内且垂直于矢状面的轴，它是额状面与水 平面的交线。 1 4 哈尔滨t 稗大学硕+ 学何论文 矢状轴( 前后方向) ：在矢状面内且垂直于额状面的轴，它是矢状面与水 平面的交线。 垂直轴( 上下方向) ：垂直通过水平面的轴，它是额状面与矢状面的交线。 以上三个基本轴互相垂直。 额状面 水平面 矢状面 图2 2 人体运动平面模型 2 关节自由度 人体下肢运动关节主要由髋关节、膝关节和踝关节三个部分组成，下肢 各关节的运动主要分为三种：屈伸、外展内收、回旋。 屈伸：运动环节( 指相邻两关节中心之间的部分) 在矢状面内，绕额状 轴运动，向前运动为屈，向后运动为伸( 膝、足关节相反) 。 外展内收：运动环节在额状面内，绕矢状轴运动，远离正中面为外展， 接近正中面为内收。 回旋：运动环节在水平面内，绕其本身的垂直轴旋转，由前向内的旋转 叫旋内( 或称旋前) ，由前向外的旋转叫旋外( 或称旋后) 。 人体单侧下肢共有7 个自由度，髋关节有3 个自由度，分别是围绕3 个 基本轴的屈伸，外展内收，旋内旋外运动。其中，屈伸主要完成跨步功 能，外展内收调节平衡状态，旋内旋外可实现行走过程中改变方向的功能。 膝关节的2 个自由度为绕额状轴的屈伸运动，以及绕垂直轴的微小转动。踝 关节的2 个自由度为绕额状轴的跖屈背屈运动，以及绕矢状轴的微小的外展 内收运动。通过三个主要关节的运动特性的比较可知，各关节的运动虽不相 15 哈尔滨t 稃大学硕十学伊论文 同，但是屈伸运动为共同的运动特性。 表2 2 列出了人体下肢主要关节活动度的基本参考值，它为设计穿戴式 下肢康复机器人合理工作空间提供了重要参考p 7 1 。 表2 2 关节活动度值 关节名称髋关1 7膝关霄踝关节足 外内旋旋背趾内外 活动种类屈伸屈伸 展收内 外屈屈 翻翻 平均值( o ) 1 2 51 54 53 04 54 51 3 002 04 53 02 0 2 4 机器人机构方案 2 4 1 机器人参数的确定 康复机器人要求体积小、重量轻，机构实现十分困难。在设计制造时， 每增加一个自由度都会使机械的复杂度和成本成倍的增加。因此有必要根据 实际的需要，对7 个自由度进行必要的取舍，建立一个新的运动模型，使所 设计的人体下肢康复机器人在满足功能的前提下，最大限度的减少自由度。 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跨步功能 的，而且实现这2 个自由度的运动所需的能量较大，必须施加驱动力，因此 本次设计主要是针对这2 个自由度来进行设计。 为了能满足不同身高的人群使用，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 提供的数据，确定康复机器人合理尺寸 大致设定为： 大腿杆调节范围：3 9 0 - - - 5 2 0 m m 小腿杆调节范围：3 0 0 - - 4 2 0 m m 腰部调节范围：2 7 0 3 6 0 m m 参考人体的运动参数，结合穿戴式康复机器人工作情况的需要，确定机 器人各关节转动范围，设o c 为髋关节的屈4 , 角度，吼为膝关节的屈伸角度 ( 伸为正，屈为负) ，则： 髋关节的屈伸角度：岔= - 1 5 0 - 3 0 0 膝关节的屈伸角度：倪= - 6 0 0 o o 2 4 2 驱动方式的选择 系统的驱动方式是实现系统主要功能的重要环节。驱动系统要求快速完 1 6 哈尔滨t 稗大学硕十学何论文 成预期的动作，安求它的响应速度要快，动态性能要好；此外，动作灵敏度 要高，便于集中控制，应具备效率高、体积小、质量轻、自控性强、可靠性 高等技术特点。当前驱动系统正朝着标准化、系列化和智能化方向发展。驱 动方式一般可以分为液压驱动、气压驱动和电气驱动。 ( 1 ) 液压驱动：采用液压驱动系统可以在运行过程中实现大范围的无级 调速，调速范围可达1 - 2 0 0 0 。操作控制方便、省力，易于实现自动控制、 中远程距离控制、过载保护，除此之外，液压传动突出的优点还有单位质量 输出功率大。在同等输出功率条件下具有体积小、质量轻、运动惯性小、动 态性能好的特点。在传动过程中，能量需要经两次转换，传动效率偏低，而 且由于振动介质的可压缩性和泄漏等因素的影响，不能严格保证定比传动。 液压传动性能对温度比较敏感，不能在高温下工作，采用石油及液压油作传 动介质时还需注意防火问题。 ( 2 ) 气压驱动：气压驱动系统的工作介质为压缩性大的气体。这种能源 供应方式简单，非常适合用于空间要求严格和重量限制苛刻的场合，系统没 有回收管路，可做到体积小、成本低、操作方便和容易保养；还适合于那些 温度高，温度场变化较大的环境或对防火、防爆等有严格要求的场合。其缺 点是排气时有噪声，不适合精度要求高的驱动控制。 ( 3 ) 电气驱动：电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过 减速机构去驱动负载，减少了由电能变为压力能的中间环节，直接获得要求 的机构运动。由于电气驱动具有易于控制，运动精度高，响应快，使用方便， 信号的监测、传递和处理方便，成本低廉、驱动效率高、不污染环境等诸多 优点。对直流有刷电动机来说，其缺点是电动机换向有火花，对环境的防爆 性能比较差。而对交流电动机来说，其缺点是不允许阻转，阻转容易造成电 机烧坏。 穿戴式下肢康复机器人用于康复，作为动力源的液压显然是不合适的， 因为它有污染。气缸虽然清洁无污染，而且结构简单重量轻，但是康复机器 人带动人体运动，重要的是它可以按照操作者不同的命令到达不同的位置， 气缸的行程是不可控的，在工作时它只有两个位置，要么在行程零点，要么 在行程最大处，所以气缸作为外骨骼的动力源也是不合适的，而电机可以根 据不同的命令到达不同的位置，最适合作为机器人的动力源。 2 4 3 驱动方案设计 根据机器