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穿戴 健身器 设计

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穿戴式健身器的设计,穿戴,健身器,设计

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毕业设计（论文）中期报告题目：穿戴式健身器的设计、建模与Adams仿真1. 设计（论文）进展状况：首先确定了实验所需数据。根据人体形体结构的特点，上肢与身高的比值约为0.452，巩固和 尺骨的长度和与上肢的比值约为0.75，肱骨长与尺骨长的和与上肢的比值约为1.19，上臂、前臂、手掌的比值约为1.42:1.2:0.38。那么身高1.8m的人，大臂长度为321mm，小臂长263mm，身高1.55m的人，大臂长度为276mm，小臂长度为226mm。颈部：先置于中立位，颈部活动度为：前屈3545，后伸3545，左右侧屈各45左右旋转各6080腰部：采取直立，腰伸直自然体位，其活动度为：前屈90，后伸30，左右侧屈各30，左右旋转各30。肩关节：先置于中立位，其活动度为：前屈90，后伸45，外展90，内收40，内旋80，外旋30，上举90。肘关节：先置于中立位，其活动度为：屈曲140，过伸010，旋前8090，旋后8090。腕关节与手：腕关节先置于中立位。其活动度为：背伸3560掌屈5060，桡偏2530，尺偏3040。由人体解剖学1可知，人体上肢的运动主要由肩关节、肘关节和腕关节的相对运动来实现。 依据人体上肢的驾驶动作分析和机器人机构学原理2，可将人体上肢系统简化为由3 个连杆(上臂、前臂和手腕) 组成的铰链机构。可用上臂水平屈伸、上臂侧举上臂旋转、前臂弯曲和手腕弯曲(见图1) 表达的5自由度来建立人体上肢运动模型。若以A1、A2、A3、A4、A5 分别代表5自由度，则通过这些自由度动作就可实现人体上肢对操作域空间目标(操控元件) 的拾取(操作)。其A1 A3 的动作可以实现肩部球面副运动，A4 动作可实现肘部手臂的运动，A5 动作可实现腕部手掌的运动。根据机器人机构学及其回转变换矩阵原理2，以人体肩部球窝关节中心为坐标原点， 取人体上肢运动空间坐标系(见图2)，其中坐标系o0 x0 y0 z0 为基础坐标系，o1 x1 y1 z1o5 x5 y5 z5 为各局部坐标系；坐标原点o0 、o1 、o2 重合在肩关节处，o3 建立在肘关节上，o4 建立在腕关节上，o5 建立在掌心上；l1 、l2 、l3分别代表人体上臂长、前臂长和掌心距。根据图2所示的坐标系，采用4 4 阶位姿矩阵Qi 表示初始位置时坐标系oi x i y i z i 在坐标系oi - 1 xi - 1 yi - 1 zi - 1 中的位姿，则在图2 初始位置时可以得到相应的4 4阶位姿矩阵Q1 Q5。从生理学知识及人体的实际动作姿态考虑，本文规定肘关节在x3 o3 z3 平面内与x3 o3 轴呈45。设A1A5 绕y0 、z1 、y2 、z3 、z4 的转动角度依次为15，依据变换矩阵原理，即可得到5 自由度上肢动作的相应回转变换矩阵T1T5。上肢关节转动后的相应坐标系oi x i y i z i 在oi - 1 xi - 1 yi - 1 z i - 1中的位姿矩阵Pi可表示为Pi = Ti Qi，故可得到手部掌心相对于基础坐标系的位姿矩阵T = T1 Q1 T2 Q 2 T3 Q3 T4 Q4 T5 Q5 式中: n、o、a 分别表示掌心位置矢量的位姿；p代表从基础坐标系原点指向掌心的矢量。 其次，确定了上肢运动规律曲线和所受力如以手臂运动的仿真为例，设起始姿态和有关关节的状态为，为具有六个分量的向量；到达目标位置时手臂的状态为。，将的各个分量规范化，使。设整个动作时间为，将时间规范化，使动作期间任一时刻。将个样本输入网络，让网络进行学习，取，即输入9个样本，也就是完成某一动作过程中的9个姿态（包括起始和终止动作）。图3是与手臂运动有关的关节转动能量与时间的关系。2.存在问题及解决措施：未能确定使用哪个软件进行建模解决措施：在老师的指导纠正下进行了建模3.后期安排工作：第11-13周：确定数据，根据机械运动简图计算数据第14-15周：根据所有数据和模型进行建模以及运动仿真第16周：进行毕业设计总结，编写毕业设计论文，并作好答辩的准备。 指导教师签字： 年 月 日毕业设计（论文）开题报告题目：穿戴式健身器的设计、建模与Adams仿真 1. 毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）1.1题目背景、研究意义 能源是人类社会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年我国成功举办奥运会后健身在我国越来越流行健身房如雨后春笋般在我国发展，这是我国健身行业发展最强有力的后盾。根据测算每一个成年人锻炼一小时消耗能量0.2kwh。那么如果一个健身房有30台这样的设备每台每天工作5小时，相当于为国家节约0.324吨标准煤。这对于有多个连锁分店的健身企业来说无疑是一个最为有效和最为简便的降低健身房的能源成本的方法。通过该设计旨在锻炼学生运用现代设计方法基本原理进行设计和工程分析，使学生受到机械工程师基本训练。1.2 国内外相关研究情况健身器材或称为健身器械，就是用于人体健身的器材或器械。近十多年来，它在世界各国却有了极其广泛的应用范围。它不仅适用于人体的健身、健美，而且还广泛应用于群众性的体育锻炼、专业运动的基础训练和体能训练、体疗康复锻炼以及体育性的文化娱乐和体闲等方面。健身运动最早在美国兴起，1998年美国健身产业的产值就己达到631亿美元，甚至超过了石油化工(533亿美元)、汽车制造(531亿美元)及航空、初级金属和木材加工等重要工业部门当年的产值，这一产值占美国当年GDP的11. 3%，在国民经济中居22位。到1999年，美国健身产业的产值增加到2000亿美元，成为美国的支柱产业。伴随这一运动产生的健身器材行业也成为一种热门行业，至今仍方兴未艾。健身器材己在国际市场上立足了20多年，仅美国每年就有120亿美元的销售额。 随着社会的发展，我国居民的生活水平不断提高，生活方式发生了相应的变化，体育生活逐渐进入到人们的生活方式之中。随着我国的家庭结构口趋小型化，家庭劳动社会化，以及五天工作制的实施，人们拥有了充足的余暇时间，同时，人们的思想观念口益理性化，“与其花100元治病，不如花1元钱防病”这种健康新理念的广泛传播，使越来越多的民众积极参与健身并为此投资。健身活动的升温，拉动了健身运动器材的俏销2。穿戴式健身器目前在国内外健身领域运用并不是很广泛，是一个新兴的需要开发的项目。可借鉴国内外对于可穿戴式肢体机器的的原理与相关研究内容对其进行进一步的研究和创新。2. 本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施2.1设计(论文)的主要内容（理工科含技术指标）：题目内容主要包括三个方面，专用穿戴式健身器的设计，建模和工程分析： A.在设计方面要求依据设计参数，设计穿戴式健身器的方案，结构。 B. 在建模方面要求建立穿戴式健身器的实体装配模型。对实体装配模型进行工程简化。 C.运动分析方面要求提取穿戴式健身器的速度，加速度，特性。并输出运动规律曲线。 D.健身器总重：3.2kg腿肢长度范围：965-1085 mm；腿肢髋关节摆动最大角度：40；腿肢膝关节转动角度范围：20-85；腿肢踝关节摆动最大角度：40；腿肢弹簧负载范围：-75N-+75N；腿肢弹簧可调力范围：0N-40N；适用身高范围：155-180cm 2.2研究方案: 方案A通过对人体全身大肌肉群锻炼运动的分析，对上肢下肢各大肌肉群单独的分析，设计独立机构方案和结构，各部分完成后进行整体的连接和调整。方案B参考国内外上、下肢可穿戴康复机器人的结构原理，加入肌肉训练的运动分析，进行设计和建模。3. 本课题研究的重点及难点，前期已开展工作本课题研究的重点：人体各大肌肉群的运动分析和机械原理的掌握与运用难点：机构的运动分析与建模前期已开展工作：查阅机械原理和健身器材以及肌肉运动分析相关资料，了解穿戴式健身器机构的组成及运动分析，为进一步周密的设计做好充分准备。4. 完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写)第1周：收集资料，借阅参考书，下载相关英文文献。 第28周：要求依据设计参数，设计方案，结构。 第814周：建立实体装配模型。对实体装配模型进行工程简化。 第1416周：要求合理确定约束条件，用Adams软件对实体进行运动以及特性曲线分析。 第1618周：分析结论撰写论文。 5 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见） 指导教师： 年 月 日 6 所在系审查意见： 系主管领导： 年 月 日参考文献1 徐执陶 但斌 自行车蹬踏过程中肌肉运动分析 重庆大学振动研完室 2 艾保全(1.中山大学物理学系，王先菊，刘国涛，刘良钢，郑华2广东广州510275; 2.湖北大学物理学系，湖北武汉430062) 肌肉运动的动力学模型3 单大卯 人体门尸肤刃L肉功能模裂及其应用的研究 4 陈磊 可穿戴式下肢康复机器人的本体设计和步态规划 5 孙恒 陈作模 葛文杰 机械原理 6 Wearable Observation Supporting System for Face Identification based on Wearable Camera Lu Han and Zushu Li 7 HUXLEY A F, SIMMONS R M.Proposed mechanismof force generation in striated muscleJ.Nature,1971, 233: 533一538.8 MATSUUB、H,NAKANO M .Theoretical approach toA c;tiyosin system as an example of complex system J.Biomedical Fuzzy and Human sciences, 1997, 3(1):47一52.- 3 -本科毕业设计本科毕业设计(论文论文)题目题目：穿戴式健身器的设计穿戴式健身器的设计建模与建模与 Adams 仿真仿真0穿戴式健身器的设计建模与穿戴式健身器的设计建模与 Adams 仿真仿真摘摘 要要穿戴式健身器是一种帮助人体进行康复锻炼，跟随辅助人体进行运动的设备。本论文针对穿戴式健身器进行了设计、建模并采用 ADMAS 进行了动力学仿真等工作。本文主要进行的工作如下：根据人体的结构特点，对人体的上肢解剖学、关节结构进行了详尽的分析。确定人体上肢的尺寸，各个关节的运动副和自由度等。在对人体上肢的各个运动部分进行分析之后，根据人体的属性，设计出一款可用于人体上肢穿戴式的健身器。在此基础上，本文采用 ADMAS 对所设计的机构进行了仿真，实现了机构运动的模拟。确保各个部分的运动都与人体的运动相符。关键词：穿戴式；健身器；设计建模；仿真关键词：穿戴式；健身器；设计建模；仿真 1Wearable fitness device design, modeling simulation with Adams AbstractWearable Fitness is a way to help the body perform rehabilitation exercises, followed by the auxiliary body exercise equipment. In this thesis, wearable fitness device was designed, modeled and conducted a dynamic simulation using ADMAS work. The main work of this paper are as follows:.According to the structural characteristics of the human body, the human body upper limb anatomy, joint structure for a detailed analysis. Determine the size of the human upper limb, each joint movement and freedom etc.After each movement of the upper part of the body for analysis, according to the properties of the human body, can be used to design a wearable upper body fitness.On this basis, this paper ADMAS institutions designed for simulation, simulation mechanism to achieve the movement. Ensuring the movement of each section are in line with the movement of the body.Key Words: Wearable; Exercise machines; Design Modeling; Simulation 2目目 录录1 绪论绪论.1 1.1 本文研究背景、目的及意义.1 1.1.1 背景介绍.1 1.1.2 本文的研究目的及意义.3 1.2 国内外研究现状及发展趋势.3 1.2.1 国外研究现状.3 1.2.2 国内研究现状.11 1.3 本文研究内容.132 基于人体生物力学的穿戴式健身外骨骼设计基于人体生物力学的穿戴式健身外骨骼设计.15 2.1 人体解剖学概述.15 2.1.1 人体基本轴和基本平面.15 2.1.2 旋转关节.16 2.2 上肢关节运动.16 2.2.1 上肢关节运动机理研究.16 2.2.2 上肢关节运动坐标.19 2.3 上肢外骨骼设计.20 2.3.1 外骨骼人上肢构型设计.20 2.3.2 外骨骼机器人各关节设计.21 2.3.3 外骨骼机器人其余部件设计.23 2.3.4 弹簧的选择及安装.25 2.4 本章小结.263 穿戴式健身外骨骼运动仿真析穿戴式健身外骨骼运动仿真析.27 3.1 机构运动仿真.27 3.2 仿真接口.28 3.3 仿真分析.28 3.3 本章小结.324 结论结论.33 4.1 本文研究内容总结.33 4.2 工作展望工作展望.33参考文献参考文献.34致谢致谢.3731 绪论1.1 本文研究背景、目的及意义本文研究背景、目的及意义1.1.1 背景介绍背景介绍健身器材或称为健身器械，就是用于人体健身的器材或器械。近十多年来，它在世界各国却有了极其广泛的应用范围。它不仅适用于人体的健身、健美，而且还广泛应用于群众性的体育锻炼、专业运动的基础训练和体能训练、体疗康复锻炼以及体育性的文化娱乐和体闲等方面。健身运动最早在美国兴起，1998 年美国健身产业的产值就己达到 631 亿美元，甚至超过了石油化工(533 亿美元)、汽车制造(531 亿美元)及航空、初级金属和木材加工等重要工业部门当年的产值，这一产值占美国当年 GDP 的 11. 3%，在国民经济中居 22 位。到 1999 年，美国健身产业的产值增加到2000 亿美元，成为美国的支柱产业。伴随这一运动产生的健身器材行业也成为一种热门行业，至今仍方兴未艾。健身器材己在国际市场上立足了 20 多年，仅美国每年就有 120 亿美元的销售额。随着社会的发展，我国居民的生活水平不断提高，生活方式发生了相应的变化，体育生活逐渐进入到人们的生活方式之中。随着我国的家庭结构口趋小型化，家庭劳动社会化，以及五天工作制的实施，人们拥有了充足的余暇时间，同时，人们的思想观念口益理性化， “与其花 100 元治病，不如花 1 元钱防病”这种健康新理念的广泛传播，使越来越多的民众积极参与健身并为此投资。健身活动的升温，拉动了健身运动器材的俏销。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。能源是人类社会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 年我国成功举办奥运会后健身在我国越来越流行健身房如雨后春笋般在我国发展，这是我国健身行业发展最强有力的后盾。根据测算每一个成年人锻炼一小时消耗能量 0.2kwh。那么如果一个健身房有 30 台这样的设备每台每天工作 5 小时，相当于为国家节约 0.324 吨标准煤。这对于有多个连锁分0店的健身企业来说无疑是一个最为有效和最为简便的降低健身房的能源成本的方法。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，适宜人体穿戴的健身设备。外骨骼来源于生物学中的专有名词，其基本的功能是为生物体提供支撑、运动、防护三项功能相结合的外部结构。外骨骼机器人(Exoskeleton Robot)是与生物外骨骼对应的一种可穿戴的机器人，该机器人融合了传感设备、控制系统、信息藕合技术及移动计算技术，能够为操作者提供支撑与防护并能够在控制下完成一定的功能和实现预定任务的一种机械机构。外骨骼和操作者组成的人一机外骨骼系统能够增强个人在完成某些任务时的能力，可使操作者对环境有更大的适应能力，因此近年来对外骨骼机器人的研究越来越成为科研工作者争相追逐的目标，在军事装备、医疗器械、康复机构等众多领域有了较为广泛的应用和发展1。外骨骼机器人的最初的设计思想是将人的智能和机器人所具有的强大的机械能量结合起来，使之综合成一个系统。人体外骨骼机器人起源于美国 1966 年的哈德曼助力机器人的设想及研发，到今天整体仍处于研发阶段，能源供给装置以及高度符合人体动作敏捷及准确程度要求的控制系统和力的传递装置都有待大力投入研发和试验尝试。20 世纪 80 年代是康复机器人研究的起步阶段，1990 年后康复机器人的研究进入全面发展时期，康复机器人的设计任务是用来替代医师进行一些辅助的康复训练工作，根据康复医学理论，实现一些有针对性的康复训练功能。由于它有很大的使用价值，所以现在几乎超过了工业方面的增长速度。但是以目前的康复机器人水平还不能够完全的取代医师进行康复训练，如一些诊断性的工作等还得依靠医生亲自完成，然而利用机器人进行工作强度大、重复性高的康复训练工作，可以降低医生的劳动强度、保证了患者的有效的持续性的训练。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，1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上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上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。背部机构通过上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。1.1.2 本文的研究目的及意义本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穿戴式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，保证人体穿戴健身器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穿戴式健身外骨骼设备，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。1.2 国内外研究现状及发展趋势国内外研究现状及发展趋势1.2.1 国外研究现状国外研究现状早在 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 Hardiman 外骨骼系统的研制开发，并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 Vukobratovic 教授成功研制出了第一个应用于脊髓损伤患者的气缸驱动2上肢外骨骼。之后一段时间，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。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。2006 年，MIT Media Labs Biomechatronics Group 研制的穿戴式上肢外骨骼机器人（如图 1.2 所示）能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%-90%的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。图 1.2 穿戴式外骨骼机器人图 1.1 通用公司设计的 Hardiman3在 2000 年，美国国防高级研究计划局（DPRA）启动了“外骨骼增强人体体能表现” （Exoskeleton for Human Performance Augment）计划。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（Raytheon Company）收购的萨克斯(Sarcos)公司、加州大学伯克利分校(U.C Berkeley)、橡胶岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）以及千年禧飞行器（Millennium Jet）公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“XOS”系列负重机器人，如图 1.3 所示。“XOS”外骨骼系统是 Steve Jacobsen 博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(DARPA)提供了 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， “XOS”可以毫不延迟地反应身体动作，输出强大力量。当穿上“XOS” ，举起 200 磅（90.7kg）重物时，人体实际只承受了 20 磅（9.07kg）力，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“XOS”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“XOS”很快就可以实用化了。2010 年，雷神公司推出了第二款“XOS”外骨骼系统“XOS 2” 。 “XOS 2”在研制时注重减少系统能源消耗，其能源消耗仅相当于“XOS 1”的 50%。 “XOS 2”重约95kg，它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 1.3 “XOS” 外骨骼机器人4“XOS 2”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。 “XOS 2”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“XOS”系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，它包括上肢和上肢以及背部机构，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“XOS”之后，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，包括上肢及背部机构，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。“XOS”系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 H.Kazerooni 教授及其团队的努力下，也成功研制出了伯克利上肢外骨骼机器人（Berkeley Lower Extremity Exoskeleton 简称 BLEEX）,如图1.4 所示。BLEEX 上肢外骨骼采用拟人化设计思想，它由两条拟人化的金属仿生腿、图 1.4 BLEEX5液压驱动单元、能源动力装置、控制装置以及一个背包组成。BLEEX 通过自身的支撑，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，该上肢外骨骼系统包括 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 BLEEX 后，人体可以在负载重量 75kg 的情况下以 0.9m/s 的速度行进，在无负载的情况下可以以 1.3m/s 的速度行走。而且，当穿戴者背负 31.5kg 的重物行走时，实际承受的重量只有 2.5kg。除此之外，伯克利分校在 BLEEX 基础上进行改进，研制成功了 BLEEX 的改良版 Exo-Hiker 和 Exo-Climber 等。这两款上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。HULC 是由伯克利分校与洛克希德马丁（Lockheed Martin）公司联合研制的一款外骨骼机器人，如图 1.5 所示。在穿戴 HULC 并且负重的情况下，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，爆发时最大速度图 1.5 HULC6为 16 千米/小时。HULC 也采用了拟人形设计，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。HULC 系统不带电池时重 24 公斤，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1.62 米至 1.87 米的人穿戴。该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。HULC 可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。HULC 系统穿戴方便，在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。HULC 系统具备可替换的模块化部件，便于更换和维修。HULC 通过封闭空间内的柔性、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 HULC 进行实验室试验，包括生物机械试验、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，HULC 外骨骼装备最初使用的是锂聚合电池，工作时间比较短。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 HULC 专门使用的燃料电池供电系统，计划将其单次供电时间增加到 72 小时。配备了可充电电池的 HULC 使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，在医疗领域使用的上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 H.Kazerooni 教授的带领下设计了一款适合上肢瘫痪或者需要进行步态矫正患者使用的外骨骼机器人eLEGS（如图 1.6 所示） 。eLEGS 是以 HULC 外骨骼系统为原型，进行设计改造的。他们将 HULC 上肢外骨骼进行了相应改造设计，从而使 eLEGS 外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7制。当拐杖中的传感器感知到穿戴者向前移动右拐杖时，eLEGS 左腿随之向前移动，以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。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 K.Yamamoto 教授研制的“动力辅助服”PAS（如图1.7 所示）能够使人体多承受 0.51 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、腰部结构以及上肢供电的腿部结构，最终于 2002 年完成了整个系统设计工作。PAS 是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、腰和膝盖的关图 1.6 eLEGS8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。PAS 由铝合金制作而成，整个系统重量大约为 30 公斤9。日本筑波大学也成功研制了类似于“XOS”的全身外骨骼机器人。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HAL（Hybrid Assistive Limb） 。现在已经发展到第五代HAL-5(如图 1.8 所示)，并且从 2008 年 10 月开始量产，年产量五百套左右。穿戴 HAL 时，HAL 被绑在使用者身上，但是人体不会感到沉。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。HAL 主要采用航空飞机机翼使用的硬铝合金材料，重约 23 公斤。穿戴 HAL-5 以后，可以帮助人体增加 40kg 左右的负重能力。HAL 传感器主要分为三部分，能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图 1.8 HAL-5图 1.7 PAS 外骨骼服9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，HAL-5 采用了两种不同的控制策略。第一种类似于 PAS，但与 PAS 又不完全相同。它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，HAL 就会自动调节更加密切的配合使用者5。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 EXPOS，主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 Low Kin-Huat 教授也在研究和开发一种可以增强人体速度、力量和耐力的上肢增力型柔性外骨骼系统。瑞士Hocoma AG 公司和德国的神经康复中心分别研制了卒中、截肢患者上肢康复训练外骨骼系统 Lokomat(如图 1.9 所示)和 Hapticwalker。在主动医疗康复上肢外骨骼机器人系统中性能最好的当属 Lokomat，而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。Lokomat 每条腿只有髋关节屈伸和踝关节屈伸两个自由度，分别有驱动器控制图 1.9 Lokomat10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， Lokomat 系统通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。1.2.2 国内研究现状国内研究现状国内在外骨骼机器人这方面的研究在上个世纪还不够广泛，清华大学胡宇川、季林红等人研制了用于偏瘫患者上肢复合运动康复训练机器人。该结构是由手臂支撑和肢体训练机械臂两部分组成。患者在使用时需要握住机构末端的手柄，上肢在装置的带动下在平面空问内完成复合运动，该装置也能够固定在手臂外侧完成 3 个自由度的分别训练。运动范围能够实现人体上肢正常的运动，能够实现主动、被动、抗阻、助力四种训练模式。研究人员通过对比康复期间画出圆和直线的轨迹及运动学相关数据进行对比定性的给出患者的恢复情况。哈尔滨工业大学机器人研究所的王东岩，李庆玲等人设计了 5-DOF 外骨骼式用于上肢偏瘫的康复机器人系统。该机器人的设计共有 5 个自山度，分别是肩部的外展和内收、肩部的弯曲和伸展、肩部的弯曲和伸展、一手腕的弯曲和伸展以及手腕的内旋和外旋。机器人采用了仿人体外骨骼式的结构，解决了患者在运动过程中身体的支撑问题。机器人的控制系统采用肌电信号作为网络控制信号。在控制状态下机器人系统能够很准确的识别上肢康复训练的程度，实现对偏瘫患者的主动、被动和辅助运动三种训练方式。图 1.10 五自由度康复机器人进入 21 世纪以来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11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。其中研究助力型上肢外骨骼的主要有华东理工大学、中科院合肥研究所、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 ELEBOT 型上肢外骨骼机器人，如图 1.10所示，并且 ELEBOT 机械结构平台已经搭建完成，控制系统以及驱动系统也已搭建完成。通过相关调试和测试，ELEBOT 型上肢外骨骼机器人具有一定的负重助力功能。图 1.11 ELEBOT 机器人ELEBOT 包括两条仿生金属腿、脚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。气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上肢的屈、伸自由度，使其无法向后伸展。当上肢向后伸展时，气弹簧的反力矩机构阻止了外骨骼上肢的运动，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上肢康复性训练，属于主动的上肢康复医疗装置。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。12浙江大学流体传动及控制国家重点实验室也一直从事上肢外骨骼机器人的研究，并且分别在 2005 和 2009 年成功研制出气动上肢步行柔性外骨骼系统和脑中风患者上肢运动康复训练柔性上肢外骨骼系统。其中脑中风患者柔性上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。1.3 本文研究内容本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。尽管目前国内上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上肢外骨骼机器人。因此，本文主要围绕上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 proe 建立穿戴式健身外骨骼机器人模型；1)肩关节、肘关节、腕关节设计；2)大臂、小臂长度调整机构；3)弹簧选择；2、采用 ADMAS 软件软件进行仿真分析。02 基于人体生物力学的穿戴式健身外骨骼设计基于人体生物力学的穿戴式健身外骨骼设计2.1 人体解剖学概述人体解剖学概述2.1.1 人体基本轴和基本平面人体基本轴和基本平面穿戴式健身器是穿戴在人体上的，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 2.1 所示。人体标准的解剖姿势及人体基本轴和基本平面:(1)矢状轴(sagittal axis ):图 2.1 所示的 X 轴，方向从后至前。(2)冠状轴或额状轴(coronal axis)图 2.1 所示的 Y 轴:方向从左至右。(3)垂直轴(vertical axis ):图 2.7 所示的 Z 轴，方向从下至上。(4)矢状面(sagittal plane ):又叫纵切面，将人体分成左、右两部分的纵切面，该切面与地平面垂直。经过人体正中的矢状面为正中矢状面，该面将人体分成左右相等的两部分。(5)冠状面(coronal plane ):又叫额状面，将人体分为前后两部分的纵切面，该平面与矢状面和水平面相互垂直。(6)水平面（horizontal plane）：也称横切面，是与地平面平行并将人体分为上、下两部分的平面。 图 2.1 人体的基本平面和基本轴02.1.2 旋转关节旋转关节在空间中，要确定一个物体的几何状态需要确定其 3 个位移坐标(或称为位置自由度)和 3 个旋转坐标(或称为姿态自由度)。在机器人学术术语中，将一个空间物体的上述 6 个自山度状态称为该物体的位姿。肩、肘和腕三部分一共有七个自山度是有冗余的，六自由度模型是非冗余自由度。从外骨骼机器人的发展到现在为止，6-DOF 机器人设计及运动学理论己相当的成熟，而且在给定的空间内可以完成任意位置和姿态的作业。肩、肘和腕关节自由度和运动范围参考 Safaee-Rad R，Shwedyk E， Quanbury AO 对正常人所做的测量和实例相关资料。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。人体上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。图 2.2 臂部结构原理图2.2 上肢关节运动上肢关节运动2.2.1 上肢关节运动机理研究上肢关节运动机理研究由人体解剖学可知，人体上肢的运动主要由肩关节、肘关节和腕关节的相对运动来实现。依据人体上肢的驾驶动作分析和机器人机构学原理，可将人体上肢系统简化为由 3 个连杆(上臂、前臂和手腕) 组成的铰链机构。可用上臂水平屈伸(图 2.3a)、上臂侧举(图 2.3b)/上臂旋转(图 2.3c)、前臂弯曲(图 2.3d)和手腕弯曲(图 2.3e) 表达的5 自由度来建立人体上肢运动模型。若以 A1、A2、A3、A4、A5 分别代表 5 自由度，则通过这些自由度动作就可实现人体上肢对操作域空间目标(操控元件) 的拾取(操作)。其 A1 A3 的动作可以实现肩部球面副运动，A4 动作可实现肘部手臂的运动，1A5 动作可实现腕部手掌的运动。a b c d e图 2.3 人体上肢 5 自由度动作肩的运动实为肩复合体的联合运动。肩复合体包括关节和骨骼肌、韧带等。关节部分包含盂肱关节、肩锁关节、胸锁关节和功能性关节。功能性关节又包括肩胛胸壁关节、肩峰下关节 。关节盂仅容纳肱骨头 1/41/3。盂肱关节由肩胛骨关节盂和肱骨头构成，如图 2.4 所示。肱骨头向后旋转约 30-40；向上倾斜 45，如图2.5 所示。关节囊内附关节盂周缘，但上方附于盂上结节内，将其包裹；关节囊外附解剖颈，但内侧附于外科颈。滑膜包裹肱二头肌长头，并随二头肌长头下降于结节间沟内，形成腱鞘，如图 2.6 所示。盂肱上韧带、盂肱中韧带、盂肱下韧带、喙肱韧带。肩胛骨在冠状面上偏斜角约为 30。肩胛前间隙是肩胛下筋膜与胸廓外筋膜间。肩胛前间隙被前锯肌分为前后两个间隙，前间隙位于前锯肌与胸廓外筋膜之间，后间隙位于前锯肌肩胛下筋膜之间。肩胛骨的运动包括外展与内收、上升与下降上旋与下旋，详见表 2.1。 图 2.4 盂肱关节 图 2.5 肱2图 2.6 腱鞘 图 2.7 肩胛前间隙表 2.1 肩胛骨的运动外展远正中线前锯肌胸长 N内收近正中线菱形肌、斜方肌肩胛背 N、副 N上升向上移动斜方肌上部、肩胛提肌副 N，胸长 N下降向下移动斜方肌下部肩胛背 N上旋060斜方肌、前锯肌副 N、肩胛背 N下旋600肩胛提肌、菱形肌副神经腕关节由桡尺骨远端、八块腕骨、五块掌骨构成。腕关节包括桡腕关节、腕骨间关节、腕掌关节，如图 2.8 所示。桡腕关节近侧关节面包括桡骨下端腕关节面，尺骨下面三角软骨盘。远侧关节面包括手舟骨、月骨、三角骨近侧关节面组成的弓形关节面，如图 2.9 所示。腕掌关节由远侧腕骨和掌骨底构成。第一掌骨底与大多角骨构成拇指腕掌关节，如图 2.10 所示。3 图 2.8 腕关节 图 2.9 远侧关节面 图 2.10 腕掌关节2.2.2 上肢关节运动坐标上肢关节运动坐标根据机器人机构学及其回转变换矩阵原理，以人体肩部球窝关节中心为坐标原点， 取人体上肢运动空间坐标系(见图 2.11)，其中坐标系 o0 x0 y0 z0 为基础坐标系，o1 x1 y1 z1o5 x5 y5 z5 为各局部坐标系；坐标原点 o0 、o1 、o2 重合在肩关节处，o3 建立在肘关节上，o4 建立在腕关节上，o5 建立在掌心上；l1 、l2 、l3 分别代表人体上臂长、前臂长和掌心距。根据图 2 所示的坐标系，采用 4 4 阶位姿矩阵Qi 表示初始位置时坐标系 oi x i y i z i 在坐标系 oi - 1 xi - 1 yi - 1 zi - 1 中的位姿，则在图 2 初始位置时可以得到相应的 4 4 阶位姿矩阵 Q1 Q5。从生理学知识及人体的实际动作姿态考虑，本文规定肘关节在 x3 o3 z3 平面内与 x3 o3 轴呈 45。设A1A5 绕 y0 、z1 、y2 、z3 、z4 的转动角度依次为 15，依据变换矩阵原理，即可得到 5 自由度上肢动作的相应回转变换矩阵 T1T5。上肢关节转动后的相应坐标系 oi x i y i z i 在 oi - 1 xi - 1 yi - 1 z i - 1 中的位姿矩阵 Pi 可表示为 Pi = Ti Qi，故可得到手部掌心相对于基础坐标系的位姿矩阵T = T1 Q1 T2 Q 2 T3 Q3 T4 Q4 T5 Q5式中: n、o、a 分别表示掌心位置矢量的位姿；p 代表从基础坐标系原点指向掌心的矢量。4图 2.11 人体上肢运动模型坐标系2.3 上肢外骨骼设计上肢外骨骼设计在完成对人体上肢关节运动机理研究之后，开始进行穿戴式健身外骨骼结构设计。穿戴式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，穿戴式健身外骨骼在设计时应当考虑人机作用方式，即穿戴式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，穿戴式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，以满足人体上肢关节运动范围的要求。其次，穿戴式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，其上肢的几何尺寸也是不同的。因此，在设计时，穿戴式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。这就需要参考人体相应的标准加以设计。然后，穿戴式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，就是穿戴式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。2.3.1 外骨骼人上肢构型设计外骨骼人上肢构型设计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 Hardiman，另一类为拟人化设计，最典型的为伯克利的 BLEEX。下面分别介绍一下这两种方式的优缺点。5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 2.12 外骨骼机器人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。人体上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上肢结构基本相同。系统模仿人体上肢主要关节，满足人体上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 2.12所示。2.3.2 外骨骼机器人各关节设计外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手臂，如6图 2.13 所示。系统上肢各关节与人体上肢关节类似，具体设计如下。通过上述分析，我们可知肩关节为球窝关节，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肩关节结构，而是在功能上进行模仿即设计的外骨骼肩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，设计的外骨肩关节如图 2.13 所示。图 2.13(b)为肩关节旋内旋外自由度，转动角度为-4040，可以外加机械限位机构进行限位用来保证人体安全。图 2.13(b)为肩关节旋内旋外自由度，在设计时综合考虑了大臂长度调整方式。内套筒与大臂杆利用大臂杆上夹紧机构夹紧，可进行高度调整。转动件相对于大臂杆与内套筒可以自由转动，进而实现臂关节旋内旋外自由度设计。人体肘关节结构也是很复杂的，其主要运动为矢状面内屈伸运动，除此之外还可以做小幅度转动。因此，在设计时，我们可以认为肘关节只有屈伸自由度，是一个铰关节。所以，在机械设计方面，我们可以用一个铰接转动副来代替肘关节。 根据上述分析，设计的外骨骼肘关节如图 2.14 所示。在设计时考虑到人体肘关节运动范围为 0-65，因此在机械结构方面，必须对肘关节的运动范围加以限制，否则可能因为故障对人体造成伤害。图 2.13（a）外骨骼机器人肩关节结构图 2.13（b）旋内旋外自由度实现7人体腕关节结构更为复杂，完全模仿进行外骨骼踝关节设计非常困难。因此，我们同样只在功能上进行模仿。人体腕关节具有屈足背、屈跖、外翻和内翻以及内收外展三个自由度。由于其内收外展范围比较小，而且可以通过肩关节的内收外展来间接实现。因此，在设计时，外骨骼腕关节只要满足剩余两个即可。图 2.14 外骨骼肘关节结构2.3.3 外骨骼机器人其余部件设计外骨骼机器人其余部件设计外骨骼机器人要具有良好的适应性，因此其大腿、小腿以及髋部长度都是可以调整的。本文设计的外骨骼机器人也充分考虑到这一要求，在进行结构设计时参考了中国成年人人体尺寸国标（GB/T 10000-88） 。它提供了七个类别共计 47 项人体尺寸数据，按照性别分别给出了人体主要尺寸、立姿人体尺寸、坐姿人体尺寸以及人图 2.15 人体给部分与身高比例8体手部、足部尺寸等。该标准于 1988 年 12 月制定，在 1989 年 7 月实施，尺寸偏小。因此在设计时参考美国弗吉尼亚联邦大学测绘的人体各个部分比例，如图 2.15 所示。本文设计的外骨骼系统适于 165cm185cm 成年人使用。按照图 2.15 所示人体各个部位相对于身高比例，我们可以大致计算出外骨骼系统各个部分尺寸范围，如表 2.2所示。表 2.2 人体部分结构尺寸人体身高155cm（mm）170cm（mm）180cm（mm）踝关节高度60.4566.370.2小腿高度381.3418.2442.8大腿高度379.75416. 5441上肢总高度821.5901954腰部宽度296.05324.7343.8人体小臂的长度范围为 205.9mm355.1mm，可调整高度大约为 40mm。在实际设计中，我们将小臂长范围定为 306mm456mm，调整高度为 50mm。本文我们采用如图 2.16a 所示的结构。 a b9图 2.16 长度调节机构图中小臂杆为薄壁硬铝合金圆筒，长度调整杆也为薄壁硬铝合金圆筒。采用此结构有如下好处，既可以减轻系统总体重量，又可以走传感器连接线等。人体大臂长度范围为 200.25mm253.25mm，长度调整范围为 49mm。在实际设计中，我们将外骨骼大腿长度定为 200mm254mm，长度调整范围为 50mm。本文设计的大腿长度调整机构如图 2.16b 所示。图中大臂杆以及长度调整杆采用的都是薄壁硬铝合金圆筒，同样起到减轻外骨骼系统重量以及走线的作用。人体腰部长度范围为 315.15mm353.35mm，长度调整范围为 38.2mm。在实际设计中，我们将腰部长度定为 315mm355mm，长度调整范围为 40mm。本文设计的腰部调整机构如图 2.17 所示。腰部结构在实际设计中考虑到人体身高以及胖瘦不同，在两个方向都可以进行长度调节，以适应更广泛的群体能够穿戴外骨骼机器人。综上所述，穿戴式健身外骨骼的长度在 9651085mm 范围内是可以进行调节的，符合设计要求。2.3.4 弹簧的选择及安装弹簧的选择及安装穿戴式健身外骨骼要求胳膊弹簧负载范围为-75N+75N。因此参考机械设计标准，选择偏心圆钩类型的拉伸弹簧。其具体参数如下：簧丝直径：2mm弹簧中径：25mm图 2.17：外骨骼腰部长度调节机构10弹簧刚度：6.20N/mm弹簧初始长度：60mm弹簧最大拉伸长度：100mm综上所述，可以得知弹簧的拉力可调值在 0216N，可以满足-75N+75N 的调节范围和要求。2.4 本章小结本章小结（1）对人体上肢解剖学及上肢关节结构进行了研究分析，得到了人体上肢关节的运动副结构特征及其自由度情况。（2）采用拟人化设计方法，利用 Proe 设计了一款穿戴式健身外骨骼。（3）选择了适合该穿戴式健身外骨骼的弹簧，以满足穿戴者的健身要求。3 穿戴式健身外骨骼运动仿真分析03 穿戴式健身外骨骼运动仿真析穿戴式健身外骨骼运动仿真析穿戴式健身外骨骼是穿戴在人体上的，随着人体一起进行运动。因此，必须要保证穿戴者的人身安全。本文除了在机械设计过程中采用相应的机械限位方式，保证穿戴者的安全之外，还必须通过仿真分析，保证运动的范围和在可以接受的范围之内，且不至于过大，防止对人体产生不必要的伤害。本章利用 ADMAS 分析软件对穿戴式健身外骨骼的重要零部件进行仿真分析。 国外虚拟仿真相关技术的软件已经很完善，在虚拟仿真这个领域比较有影响力的产品有美国机械动力学公司的 MSC.Adams ,德国航空航天研究所于 1984 年推出的MEDYNA 软件，INTEC Gmbh 的 SIMPACK 软,由 MathWorks 公司开发的MATLAB(Matrix laboratory),有限元分析软件 l 公司美国 ANSYS 开发的 ANSYS 软件I等等。 MSC.Adams 是世界范围内应用最广泛的机械系统动力学软件,该软件具有良好的可视化界而，能够进行二维平面和三维实体建模，分析能力强，可实现完全非线性及线性动力学分析，在运动学仿真分析，约束反力求解、时域频域分析、力学分析等方而有较为广泛的应用。Adams 软件采用先进的数值分析技术和强有力的求解器，使计算快速、准确。3.1 机构运动仿真机构运动仿真机构的自由度(DOF=构件总数-1-约束总数)是机构具有的独立运动状态的数目。在 ADAMS 软件中，机构的自由度决定了该机构的分析类型:运动学分析或者动力学分析。当 DOF=0 时，机构进行运动学分析。在运动学分析中，当某些构件的运动状态确定后，其余构件的位移、速度和加速度时间变化的规律，完全由机构件间的约束关系确定，通过位移的非线性代数方程与速度、加速度的线性代数方程迭代运算解出。当 DOF 0 时，对机构进行动力学分析。动力学分析又包括静力学分析、准静力学分析和瞬态静动力学分析。动力学的运动方程就是机构中运动的拉格朗日乘子微分方程和约束方程组成的方程组。西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）0当 DOF 0 时，机构属于超静定问题，目前还没有解决方法。利用机械系统运动学和动力学分析软件 MSC.Adams 进行分析，通过虚拟试验和测试，在产品开发阶段就可以帮助设计者发现设计缺陷，并提出改进的方法。3.2 仿真接口仿真接口仿真首先要完成机械零部件的三维实体造型，零部件间的相对位置关系和装配关系对于虚拟仿真至关重要。用 MSC.Adams 建模时比较复杂不易操作，装配需要精确定位，可以以在 CATIA 中进行装配。由于多种软件有接口模块，在这用 CATIA软件完成三维实体建樟和装配后，然后保存为 X_T 格式的文件之后导入MSC.Adam。1.文件导出在 CATIA 中完成装配完后点击文件保存副本，保存格式为图 x_t 格式。2.文件导入在 MSC.Adams 新建文件后选择 import 命令，载入文件类型为如图 3.1 所示。 图 3.1 文件导入格式导入到 Admas 之后需要进行相关的设置，如图 3.2 所示。图 3.2 文件在 Admas 中的设置西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）13.3 仿真分析仿真分析在 Admas 中进行各个运动副的设置，从而进行机构的运动仿真。对导入的模型进行设置。对原动件的运动规律进行设置如图 3.3 所示。ab西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）2cd图 3.3 运动副设定设定好相关的运动副之后并且对运动初始进行输入之后，计算机就开始进行仿真。图 3.4 所示大小臂、手腕运动位移曲线。图 3.5 手腕位移曲线。各个关节运动速度曲线如图 3.6 所示。关节运动加速度曲线如图 3.7 所示。西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）3图 3.4 大小臂、手腕运动位移曲线图 3.5 手腕位移曲线图 3.6 关节运动速度曲线西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）4图 3.7 关节运动加速度曲线3.3 本章小结本章小结本章利用 ADMAS 分析软件对穿戴式健身外骨骼进行仿真分析，对单一的关节进行了运动分析，确保每个关节运动都能够满足人体的运动位移、速度和加速度的要求。04 结论结论4.1 本文研究内容总结本文研究内容总结本文设计了一款适合穿戴的穿戴式健身外骨骼，从外骨骼设计、仿真分析等两个方面展开研究工作。本文主要研究成果及创新点总结如下：1、通过对人体解剖学、上肢生物力学进行研究分析，设计了一款拟人结构的穿戴式健身外骨骼，并建立了其三维结构模型。2、利用 ADMAS 软件对穿戴式健身外骨骼进行运动分析，分析结果表明外骨骼的运动符合人体运动的位移、速度和加速度的要求，在许可范围内，满足使用要求。4.2 工作展望工作展望通过上述研究，已经完成了穿戴式健身外骨骼机械结构部分设计工作。通过ADMAS 分析得知，外骨骼运动的与人体的运动位移、速度和加速度相符，符合设计要求。实际情况下穿戴者与穿戴式健身外骨骼之间的柔性联接是比较复杂的。因此，对于穿戴型外骨骼柔性人机耦合技术是需要做进一步研究。因此，今后，可以针对人体穿戴外骨骼模型进行进一步仿真分析，对人机模型进行动力学仿真分析，进一步优化设计。1参考文献参考文献1 柯显信,陈玉亮,唐文彬. 人体上肢外骨骼机器人的发展及关键技术分析J.机器人技术与应用,2009(6):28-32. 2 Tim A. Swift, Katherine A. Strausser, Adam B. Zoss, H. Kazerooni. Control and Experimental Result for Post Stroke Gait Rehabilitation with a Prototype Mobile Medical Exoskeleton. In DSCC2010, Proceedings of the ASME 2010 Dynamic Systems and Control ConferenceC, 2010. 3 Heng Cao, Zhengyang Ling, Jun Zhu, Yu Wang, Wei Wang. Design Frame of a Leg Exoskeleton for Load-Carrying Augmentation. In Proceedings of the 2009 IEEE, International Conference on Robotics and BiomimeticsC, 2009: 426-431.4 Conor James Walsh. Biomimetic Design of an Under-Actuated Leg Exoskeleton For Load-Carrying AugmentationD. Massachusetts Institute of Technology,2006.4.5 杨晓红.可穿戴的机器人外骨骼机器人最新发展J.轻武器，2009（8）.6 人民网.阿凡达背后科学: 装甲外骨骼让人变大力神 N/OL. http:/scitech. /GB/10704827.html7 Jean-Louis Charies Racine. Control of a Lower Extremity Exoskeleton for Human Performance Amplification D. University of California, Berkeley,2003.8 孔祥战. 仿生外骨骼式上肢康复机器人研究D.河北：河北工业大学，2010.9 张佳帆,陈鹰,杨灿军. 柔性外骨骼人际人机智能系统M.北京：科学出版社，2011,64-76.10 吴键波. 上肢助力机械腿空间力系机构研究D.上海:华东理工大学，2012.11 邝适存,郭霞.肌肉骨骼系统基础生物力学M.北京:人民卫生出版社,2008.11:116-168,290-320.12 成大先等.机械设计手册-液压传动M.北京:化学工业出版社,2004.1:42-54.13 成大先等.机械设计手册-气压传动M.北京:化学工业出版社,2004.1: 3-20.14 John J.Craig, 机器人学导论M.北京：机械工业出版社，2006.6，49-59.15 张志成.外骨骼上肢助力机器人技术研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2011.16 方郁. 可穿戴上肢助力机器人动力学建模及其控制研究D.合肥：中国科学技术大学，2009.17