机械毕业设计472穿戴式机械腿机构设计论文正文
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机械毕业设计472穿戴式机械腿机构设计论文正文,机械毕业设计论文
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1 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nts2 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 nts3 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。 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 nts4 （ 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。nts5 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。 nts6 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 nts7 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 nts8 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 nts9 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 nts10 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 nts11 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 nts12 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 nts13 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。 nts14 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。 nts15 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 nts16 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。 nts17 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 nts18 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。 nts19 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。 nts20 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。 nts21 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。 nts22 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。 nts23 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。 nts24 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。 nts25 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 nts26 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。 nts27 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nts28 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 nts29 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 nts30 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。 nts31 图 4-1 关节转接器受力情 况 nts32 图 4-2 SimulationXpress Study-应力 -Stress 图 4-3SimulationXpress Study-位移 -Displacement nts33 图 4-4 SimulationXpress Study-安全系数 -Factor of Safety 设计总结 转眼大学四年就将结束。只能说时间匆匆，在我们不经意间已经溜走。这次的毕业设计可以说是对我们大学四年学习成果的最终考验。在大学四年我们做过各种课程设计，但毕业设计可以说是一个综合的大型的课程设计。是需要我们对四年大学所学学知识的充分理解和懂得综合运用，是对我们的综合实力的检查。通过本次毕业设计，我收获和感触很多。通过这次毕业设计，让我对大学四年所学知识有了一次简单的回顾。也让我学到了很多。 首先，是对机械腿方面有了一些比较系统的了解；再者也是对 SolidWorks三维造型软件回顾与掌握，在将来能够更熟练的运用 ，并且可以更加熟练地使用AUTOCAD 软件。 根据人体工程学原理和使用对象，确定了机器人的总体结构方案和控制方案。确定了机构的自由度，建立了机构模型，并根据下肢参数，得到了机构的运动空间。机构的动力源采用弹簧，传动方式采用关节型装置。 nts34 在毕业设计中，我也遇到很多问题。由于对穿戴式机械腿不怎么了解，拿到课题不知从何下手，没有任何的思绪。也曾一度感到过无助和害怕。通过在图书馆借了一些列的书，又经过老师的指导和学长的带领，才找到一点点的自信。对穿戴式机械腿有了更多地了解和认识。也在自己的摸索中慢慢地开始课题的设计 。 总之，毕业设计中也我成长了很多。在做任何事情时，一定要做好准备，不能因为不懂不会而什么都不做。一切都是从不会到会的，从不懂到懂，这是我们必须经历的过程。在设计中，我并不是一下设计好的。由于自己考虑的不周全，走过很多弯路。不过现在觉得在将来面对相关课题时那些弯路是很好的知识和经验。我非常感谢和珍惜这次毕业设计，它让我了解了自己实力。 这次做论文的经历也会使我终身受益，我感受到做论文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有自己的研究，就不会有所突 破，那也就不叫论文了。希望这次的经历能让我在以后学习中激励我继续进步。本设计能够顺利的完成，也归功于各位任课老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。正是有了他们的悉心帮助和支持，才使我的毕业论文工作顺利完成，在此向扬州大学，机械系的全体老师表示由衷的谢意。感谢他们四年来的辛勤栽培。 nts35 参考文献 nts36 【 16】 Adam Zoss, H. Kazerooni, Andrew Chu. On the Mechanical Design of theBerkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX). IEEE Intelligent Robots and Systems Conference, August, Edmunton, 2005.3465-3472 【 17】 Y. Sankai. Leading Edge of Cybernics: Robot Suit HAL. Proc. of the Int. JointConference, 2006. 10, 1-2 【 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， 201
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