外骨骼下肢助力机器人技术研究

1、国内国际分类号：TP242.2 分类号：621.865.8学校代码：10213 密级：公开工学外骨骼下肢助力人技术研究：张志成导师：吴冬梅副教授申请学位：工学学科：机械电子工程所在：机电期：2011 年 6 月答辩日授予学位：哈尔滨工业大学Classified Index: TP242.2U.D.C: 621.865.8Dissertation for the Master Degree in EngineeringRESEARCH ON LOWER EXTREMITYEXOSKELETON OF POWER ASSIST ROBOTZhang ZhichengAssistant Prof.

2、Wu Dongmei Master of Engineering Mechatronics EngineeringSchool of Mechatronics Engineering June, 2011Harbin Institute of TechnologyCandidate： Supervisor：Academic Degree Applied for： Speciality：Affiliation： Date of Defence：Degree-Conferring-Institution：摘 要摘 要外骨骼下肢助力人技术是人技术的一个重要分支，它涉及了人技术、人机工程学、机械学、计

3、算科学和通讯技术等领域，是目前国内外研究的热点技术。随着装备重量的增加，该项技术在增强士兵承受负载的能力的领域内具有广泛的应用前景。主要助力人应用需求，对外骨骼下肢助力人进行机构和系统的设计、运动学与步态分析实验、动力学和策略研究、并对步态运动和人进行系统实验。人为结构基础，借助航姿参外骨骼下肢助力人以多关节的外骨骼考系统、足底分布测试系统等人机交互系统对运动意图进行、并人步结合人的系统，达到能够实时检测步态运动数据并态运动的目的。人结构设计依据人机工程学理论，从步态运动安全性、舒适性、可靠性以及机构实用性、轻便性出发，着重研制了适合不同身材的多关节外骨骼助力人机构本体，并对关键部件进行了强度

4、分析和改进。步态运动和人结构，本文采用齐次变换法建立人正逆运步态运动数动学，分析平地走和爬楼梯步态运动一般性规律，并据的搭建了航姿参考系统，实验和分析了髋关节和膝关节的角度数据。基于拉格朗日方程和虚功原理推导了人的动力学模型，建立起机步态两分析，验器人关节驱动力矩与足底约束力的动力学关系，并以此理论为基础相建立了位置和力-位的模型。并对力-位进行证方法的正确性。本文搭建了外骨骼下肢助力人的软硬件平台，硬件系统包括传感器系统、驱动系统，以主板电脑作为上位机，主要采用串口通讯方式。其中，传感器系统包括实时测量步态运动的航姿参考系统和测量足底分布的足底整个分布测试系统。软件系统完善了人的人机交互的功

5、能。最后，对人系统进行了关节随动和步态实验，关节随动实验验证了系统的实时性，随动性。步态实验验证了机械系统的安全性、可靠性和舒适性，验证了系统的实用性和可行性，为以后更深入的研究打下基础。：助力人；步态运动；动力学；随动- I -AbstractAbstractThe technology of lower extremity exoskeleton of power assist robot is an important branch of robotics which involves robotics, ergonomics, mechanics, computer science,

6、communications technology and other fields. Now it is a research focus . With the increase of the individual soliders equipments weight, the technology is mainly used in the fields that enhancing soldiers loading capacity.The paper mainly studies structure design, control system design, kinematicsmi

7、ng, gait simulation, dynamics and control strategy. Furtherly, the paperperforms experiments on human gait.Exoskeleton lower extremity of power assist robot is designed based on the structure of multi-joint robot, with the help of navigation reference system, plantar pressure distribution measuremen

8、t system and other interactive system, therefore the intention of human motion is judged, furthermore,and human gait has been check by sensor system in real-time, and robots gait has been planned by robots control system. The structure based on ergonomics, with consideration on the safety, comfort,

9、availability and portability, has been designed to a multi-joint exoskeleton robot, whose key components strength is checked.According to human gait and robot structure, the paper uses homogeneoustransformation to establish the kinematics mof the robot, analysing on thegeneral rule of humans gait mo

10、tion under different walking on the plane and stairs,depending on the humans gait data to establish navigation reference system, in theexperiment the angle data of knee are collected and anaylied. Dynamic misbased on the principle of virtual work and Lagrange equations. According to thetheory, the p

11、aper builds the position and force-position control m, simulates onthe position control mwhich proves the feasibility of this control m.The hardware and software control system of robotics are established in this paper, the hardware system includes the sensor system and the drive system, a single bo

12、ard computer is useed as the host computer and the string mouth as main communications in this system. The sensor system includes navigation reference system which can measure the movement of humans gait data and plantar pressure distribution measurement system which used to measure the pressure dis

13、tribution of plantar, The software system has improved the man-machine interaction functions of robot. Finally, the joint following which proved the real time and following function of system and gait experiment proves functional and feasibility are taked with the whole robot system , which make the

14、 base for further studies.Keywords: assistant robot, gait, dynamics, follow-up control- II -目 录目录摘 要IABSTRACTII第 1 章 绪论11.1 课题背景及研究的目的和意义11.2 外骨骼下肢助力人技术研究综述11.2.1 国外外骨骼下肢助力1.2.2 国内外骨骼下肢助力人技术研究现状2人技术研究现状61.3 本文的主要研究内容7第 2 章 机构本体设计及关键部件强度分析92.1 引言92.2 机构本体设计92.2.1 自由度配置92.2.2 机构本体设计112.2.3 关节功率分析152.3

15、 强度分析172.3.1 受力环境分析172.3.2 强度分析与结构改进182.4 本章小结20第 3 章 运动分析以及步态分析与实验213.1 引言213.2 运动学分析213.2.13.2.23.2.33.33.3.13.3.23.3.33.3.4坐标轴建立21正运动学分析22逆运动学分析24步态运动分析25踝关节的步态运动分析25膝关节的步态运动分析27髋关节的步态运动分析28爬楼梯关节功率分析293.4 步态系统搭建与实验30- III -目 录3.4.1 步态测试系统搭建313.4.2 步态实验333.5 本章小结34第 4 章 动力学与策略的研究354.1 引言354.2 动力学分

16、析354.2.14.2.24.34.3.14.3.2拉格朗日方程和虚功原理36动力学方程的建立37策略研究41. 41. 42. 44位置力-位4.4 力-位4.4.1 Simulink模型搭建444.4.2结果分析464.5 本章小结46第 5 章系统设计与实验研究475.1 引言475.2系统设计475.2.1 硬件系统475.2.2 传感器系统485.2.3 驱动系统495.3 软件系统开发与系统调试495.3.1 软件系统开发505.3.2 系统调试515.3.3 人机交互界面及程序525.4 实验研究525.4.1 关节随动实验研究535.4.2 步态行走实验研究545.5 本章小结

17、55结论56参考文献60攻读学位期间的及其它成果63及使用说明64哈尔滨工业大学性致谢65- IV -哈尔滨工业大学工学第 1 章 绪论1.1 课题背景及研究的目的和意义现代战场上，对于装备的要求随着信息化、快速化、精良化的装备发展而日渐提高，除了在大型战略领域，这些的新特点尤其体现在者装备上。现代化装备的新特点也带来了许多的问题，对于或交锋的正面战场来说，装备需要适应多、多用途和多任务的复杂情况同时最大限度的保证士兵的安全。装备如果由每个士兵在战场上背负将会消耗巨大的体力并大大降低士兵的持续能力。据称 2007在阿富的肌肉拉伤和关节肿胀等疾病为 25.7 万例，年，野战装备过重汗战场中的装备

18、有 5968Kg，仅仅能执行三天任务1 。为了使士兵能够适应这样繁重的装备，士兵需要接受大量的力量训练。但是过度的训练还会导致其产生疲劳。问题的直接解决办法就是减少装备的种类和数量以及设计质量更轻的，但是这种办某种程度上降低战斗能力以及加大了同种的研制成本。外骨骼下肢助力人能够辅助承受负载并增强承受大负载的耐久力，士兵在穿戴外骨骼下肢助力人之后，能够增强士兵背负装备以及长时间的能力，随着装备的增加，士兵的战斗力会提高同时降低由于轻便化所造成的消耗。外骨骼下肢助力人不仅仅用于提高士兵在战场上的背负能力，它还可以发挥双足人能够克服复杂地形的特点在崎岖的山路等地势辅助穿戴者背负或运送货物。外骨骼下肢

19、助力人主要应用于身体健康的士兵或其他用途的穿戴者，身体健康的穿戴者有助于为人的人机交互系统提供正确有效的信息，同时，简化人的结构设计。外骨骼下肢助力人技术的研究涉及了多项前沿的领域，包括双足步行人的步态控制、高效率驱动器技术、生物信号的识别和人机交互等技术，外骨骼下肢助力人技术的研究能够促进人领域的快速发展。1.2 外骨骼下肢助力人技术研究综述近年来，随着人技术的不断发展与进步，国内外外骨骼下肢助力人的研发工作也取得了可喜的进展。国内外各大著名科研机构研制出了多款外骨骼下肢助力人。这些外骨骼下肢助力人面向不同的应用领域，采用不同的结构、驱动方式、传感器分布、策略为穿戴者提供助力帮助。-1-哈尔

20、滨工业大学工学1.2.1 国外外骨骼下肢助力人技术研究现状外骨骼下肢助力人的研究始于 20 世纪 60 年代末期，主要在欧美等一些发达骨骼助力展开，最初的目的就是增强承受和背负负载的能力。最初的外人分别在两个地点几乎同时产生2，分别是美国和贝尔格莱德的3。贝尔格莱德米哈罗普平的外骨骼人也仅仅能够完成好的简单步态。美国通用电气公司与康奈尔大学一起合作，由美国研究办公室提供资金，研制了一款名为“哈迪曼 1”(Hardiman)的全身式的外骨骼助力人如图 1-1 所示。它由 30 个水动力源和伺服随动铰链组成，体积巨大，重约 680 公斤，具有 30 个自由度，为上肢和下肢提供助力帮助，系模式，最终

21、能够将四肢的力量放大 25 倍4，“哈迪曼 1”对外人的研究起到了巨大的推动作用，它的研究主要贡献是揭示了外统采用主-从骨骼助力骨骼助力人研究的几点，例如能量的来源、人机交互的安全性和舒适性，这些问题都是外骨骼助力源的限制，最后均告失败。人关键的技术难题。两个项目都受到能量来随着人技术的普遍提高，与之相的传感器技术、驱动技术和能源开发也都反映到了外骨骼下肢助力人技术研究方向上来。90 年代末到 20世纪初，外骨骼下肢助力人的研究有了快速的发展。在 2000 年以后，美国国防高级研究项目署（DARPA）开始进行“增强人体机能的外骨骼”（EHPA）项目的研究，这一投资 5000 万的研究项目大大人

22、的研究。它的目标是“增加地面士兵的战斗能力”5。地推动了外骨骼这一研究旨在增进士兵背负负载和克服疲劳的能力，促进了一系列下肢外骨骼人能源动力系统的设计。EHPA助力人技术的，像步态机构的设计项目所支持的三个外骨骼助力人项目取得了很大的进步，他们分别是美国麻省理工学院（MIT）研制的外骨骼下肢助力人，加州大学伯克利分校研人BLEEX以及美国Sarcos研究公司研制全身外骨骼助力机制的外骨骼助力器人。1978 年，美国麻省理工学院（MIT）开始从事外骨骼下肢助力人技术的研究，他们提出了一个新的模式的助力人准式外骨骼助力人（A quasi-passive exoskeleton）。该项目的目的是研究

23、和开发一款更轻盈更高效的式的外骨骼助力人。MIT的外骨骼下肢助力人能够在负载 36公斤的情况下行走 1m/s，其中 80%的负重被传递到地面上。它的关节自由度配置包括髋关节有 3 个自由度，膝关节 1 个自由度。穿戴者与人在肩膀、腕关节、大腿和脚部连接，人总重量是 11.7Kg，驱动方式不采用电力驱动，只利用弹簧储能和变阻尼器驱动关节驱动6。髋关节伸/屈运动时，伸运动时弹-2-哈尔滨工业大学工学簧碳能量，屈运动时弹簧储存能量，膝关节利用磁流变阻尼器，踝关节利用弹簧缓冲脚后跟对地面的冲力。传感器系统是由安装在外骨骼下肢助力人外壳的应变桥式应变片传感器和安装在膝关节的电位计组成7。图 1-2便是M

24、IT外骨骼下肢助力人。图 1-1 通用哈迪曼 1 助力图 1-2 MIT 外骨骼下肢助力人人美国加州大学伯克利分校 2000 年开始研制伯克利外骨骼助力人BLEEX，图 1-3。BLEEX能够的为穿戴者提供助力服务，穿戴者携带 75 磅负载平均步行的速度是 3.2Km/h,无负载时，步行速度可以达到 1.3m/s。人单条腿具有七个自由度，其中，髋关节三个、膝关节一个、踝关节三个。BLEEX的利用线性驱动三个主动关节，分别在髋关节伸/屈，膝关节伸/屈，踝关节俯仰，其它关节为辅助关节，起到运动平衡等作用8。BLEEX的传感器系统由力传感器、倾角传感器，足底传感器和陀螺仪组成。力传感器和倾角传感器测

25、量人关节力和肢体倾角，足底传感器测量步行时足底分布，陀螺仪用来测量上身的中心和倾角9。BLEEX的驱动功率是 1143w同时需要 200w的电量10。在上，与双足人相同，BLEEX可以自行保持平衡，穿戴者仅需要提供导向就可以实现人的运动，系统的信息来源于 8 个编码器和 16 个线性度计，用来测量关节的运动角度、角速度和角度，脚底开关和足底传感器来确定步态两相足底与地面接触情况和重心的位置，8 个轴的力传感器用来驱动器的力，倾角传感器用来确定运动的方向和角度8。伯克利目前正在研究更加轻型，效率更高的助力人，并成立了伯克利仿生公司，目前已经开发了三款外骨骼助力人HULC，the ExoHiker

26、和ExoClimber。其中HULC与BLEEX相比，具有更高的效率，可以再降低 512%的新陈代谢消耗，结构更加简洁，更能适应战场上的需求。-3-哈尔滨工业大学工学图 1-3 伯克利外骨骼助力人 BLEEX2002 年，美国Sarcos研究公司宣称已经研制一款全身外骨骼助力人（Wearable Energrtcally autonnomous Robot），这款主动式人拥有先进的动力系统旋转驱动器动力驱动系统。该系统可以有效的提高运行效率11。Sarcos利用力传感器在外骨骼人与穿戴者之间实施“闪开”（get out ofthe way）方式，在人的脚底板处安装着力传感器单元，并限制穿戴者的

27、脚部弯曲。它可以帮助穿戴者抬起 84 公斤的负载，人却完全感觉不到重量。并能够完成一些简单的动作12。图 1-4为Sarcos外骨骼助力人。图 1-4 Sarcos 外骨骼助力人2005 年，筑波大学Cybemics的科学家和工程师们，研制出了世人 (Hybrid Assistive Leg，HAL)，并成界上第一种商业全身式外骨骼助力立了Cyberdyne公司，如图 1-5。它的功能主要是帮助老年人和残疾人走路，爬楼梯及搬东西等13,14。这款人是全身式的外骨骼助力人，髋关节和膝关节处通过铰链连接并只有 1 个自由度。在髋关节与膝关节处利用谐波直流电-4-哈尔滨工业大学工学机驱动，踝关节是的

28、。人还设计了特殊的鞋，并在鞋底处安装了力传感器。外壳的质量通过脚踝处直接传递到地面，但是负载是不能传递到地面的15。HAL系列的外骨骼人是通过分析表皮肌电信号进行的。传表皮肌电信号的电极放置在髋关节以下、膝关节以上部位。脚底部安装感器。它拥有两个系统：一个是以肌电信号为基础的系统，一个是以步行模式为基础的系统。通过分析这两个系统来使用者的运动意图16 。2000 年，神奈川理工学院研制的全身式外骨骼助力人主要用于护士搬人是由肩部，运和移动等工作，该人可以轻松的搬运 85kg的手臂，后背，腕部和腿部机械单元组成的。它的驱动器采用设置在肩部、腕部和腿部微型旋转气动驱动器17。传感器系统由具有称重功

29、能的坚硬肌肉传感器。方法采用主从，各机械单元一旦发生运动，这运动将被肌肉传感器检测到，力度的不同由称重传感器的触头检测到，并由气动驱动器驱动关节跟随运动18。为神奈川理工学院研制的全身式外骨骼助力人。图 1-5筑波大学助力人 HAL5图 1-6 神奈川理工学院全身式助力人以色列埃尔格医学技术公司研发外骨骼助力人“Rewalk Exoskeleton”，Rewalk总重 18Kg，运动速度是 1Km/h，能够连续工作 8 小时。它可以完成行走、站立、坐下、爬楼梯，上坡和下坡等动作，如图 1-7。东京农工大发明了一款农用助力人，用来帮助农民种植农作物等，机器人总重 35Kg有 16 个传感器用来检

30、测穿戴者的运动，并利用电机驱动，体重略显笨拙。如图 1-8。本田电机公司 2008 年研制了一款步行助力人“Walking assist”，总重2Kg的助力人有两个电机驱动，能够连续工作 2 小时，步行速度达到4.5km/h，它可以帮助单腿收到损伤的穿戴者，如图 1-919。-5-哈尔滨工业大学工学图 1-7 以色列外骨骼助力人图 1-8东京农工大助力人图 1-9 本田电机公司研制的行走助力人1.2.2 国内外骨骼下肢助力人技术研究现状国内对外骨骼下肢助力人的研究开始与 20 世纪初，目前外骨骼下肢助力人的研究正处于起步阶段，需要高校和科研院所从事这项研究。其中具有代表性的就是合肥智能所研究的

31、可穿戴型助力人，如图 1-10该款人具有 10 个自由度，系统利用表皮肌电信号分析穿戴者的运动意图20。国内的外骨骼下肢助力人还主要用于医疗康复领域，外骨骼人以其优越的结构特点可特性在医疗领域得到了广泛的应用。浙江大学研制出了多自由度下肢外骨骼助力人，驱动器使用气动驱动，髋关节和膝关节驱动器为圆形气缸。它可以将足底信号和气缸的位移信号直接关联起来，能够较好证明了可行性，如图 1-1121。同时人22。的穿戴者的用途，该方法通过软件哈尔滨工程大学也研制出了几款下肢康复-6-哈尔滨工业大学工学图 1-10图 1-11 浙江大学下肢康复大可穿戴助力人人1.3 本文的主要研究内容本文依据人机工程学原理

32、，士兵的背负负载能力和持续能力，对外骨骼下肢助力人技术进行了研究。本文的主要研究内容如下：（1）机构本体设计和强度分析：以下剖学和步态运动理论为依据，从人运行的安全性、可靠性、实用性和舒适性角度对助力人进行了自由度配置、主动关节、置、结构强度以及不同关节以及背部等设计。机械设计充分考虑了电气布适用性，并尽量减小结构质量。考虑到人支持大负载的需求，对受力较大的杆件进行强度分析和校核，保证全。人的结构安（2）运动分析及步态分析与实验：构形式，基于 D-H 参数法，采用齐次变换对步态运动特点以及人的结人进行正运动学与逆运动学的推导。依据 CGA 数据库，分析步态运动特点，包括平地走、爬坡和上楼梯的关

33、节运动角度、力矩和功率，研究步态运动的一般规律。步态运动，本文搭建航姿参考系统，用于实时测量关节的步态运动，并进行关节步态，并与步态的一般规律进行比较。（3）动力学分析和策略研究：基于拉格朗日方程和虚功原理建立了机器人动力学方程，为达到理想的动的特点，建立了位置和力-位效果提供理论支持。基于步态两相运的策略，研究，验证了系统的输入和输策略的正确性。出。并利用 Simulink 对力-位进行了（4）系统设计和实验研究：本文搭建了硬件和软件系统，硬件控制系统由传感器系统和驱动器系统组成，以主板电脑为上位机，以串口为主要通讯方式。利用 VC+编写了传感器软件和驱动器界面，并搭建了人-7-哈尔滨工业大

34、学工学机交互界面，并对系统硬件进行了调试。对系统进行了实验研究。设计了关节随动和步态实验，关节随动实验验证了系统的实时性，随动性。步态实验验证了机械系统的安全性、可靠性和舒适性，验证了系统的实用性和可行性，为以后更深入的研究打下基础。-8-哈尔滨工业大学工学第 2 章 机构本体设计及关键部件强度分析2.1 引言外骨骼下肢助力人用在军事用途上，帮助士兵增加背负负载的能力。人的机构本体需要具有足够的强度以便完成各种复杂的工作，同时还要尽量减少人的重量提高能源效率。对于机构设计的原则应贯彻“拟人化”思想，充分考虑了机构的安全性、舒适性和便捷性。为了使人完成步态运动，还需要科学的设计人的自由度，使穿戴

35、者在使用时能够顺利的行走。人机构采用杆件结构，杆件承受很大的载荷。对于机构中的某些关键部件的结构强度就会有着很高的要求，对关键部件的强度分析能够充分保证机械系统的安全性，这是设计的基本要求。2.2 机构本体设计2.2.1 自由度配置人自由度的配置是依据跑步的运动前提下，尽量减少关节运动的自由度，在能够满足步行、人自由度的数目，以便于避免由于较多自由度产生的机构冗余等问题。在设计人自由度时，首先参照了人机工程学的的自由度。如图 2-1，设定的基准面和基准轴来定义基准面和基准轴。图 2-1的基准面和基准轴-9-哈尔滨工业大学工学共分三个基准面和三个基准轴。沿身体前后径所作的地面垂直的切面，将身体左

36、右径所作的与地面垂直的切面，将的三个基准面分别是：矢状面 分为左右两部分；冠状面分为前后两部分；水平面横分为上下两部分23。切直立身体与地面平行的切面，将的三个基准轴分别是：额状轴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；矢状轴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；垂直轴垂直通过水平面的轴，它是额状面与矢状面的交线24 。的步态运动主要在矢状面内进行。对于髋关节来说，矢状面内的伸/屈是主运动，冠状面内的外展/内收是用来平衡的左右运动，髋关节还有水平面内的旋内/旋外运动，主要起到导向和平衡的作用，但是由于该运动的幅度较小，所以在设计人时将忽略这一自由度。对于膝关节

37、来说，由度，这样能够保证只有在矢状面的伸/屈，人同样也设计成一个自的安全。踝关节有三个自由度，分别是矢状面内踝关节伸/屈，冠状面内外展/内收，水平面内的旋内/旋外。在人踝关节的自由度设计上，矢状面内的伸/屈是完成步行动作的基本，而为了平衡髋关节冠状面内的外展/内收，也设计了踝关节冠状面内的外展/内收。同时人在前脚掌和后脚跟之间也设计了弯曲自由度。对于人，每条腿共有 6 个自由度，分别是髋关节伸/屈、髋关节外展/内收、膝关节伸/屈、踝关节伸/屈，踝关节外展/内收和脚掌的弯曲。如图 2-2。图 2-2 自由度配置在这 6 个自由度中，其中矢状面内的髋关节伸/屈和膝关节伸/屈作为主动关节为穿戴者在前

38、进的方向上提供助力，踝关节的伸/屈作为辅助关节可以很大程度上的减少人的负担，同时也不影响整体助力的效果，所以作为辅助自由度设计。冠状面内的髋关节外展/内收和踝关节外展/内收作为辅助关节，起到辅助平衡的作用。而前脚掌与后脚跟的弯曲是为了适应足底行走的弯曲特点-10-哈尔滨工业大学工学而设计。为了贯彻“拟人化”设计的思想，的运动角度范围都有一定的限制，如表 2-1。穿戴者的人身安全，各个自由度表 2-1和人各个自由度的运动范围关节髋关节伸/屈髋关节外展/内收膝关节伸/屈踝关节伸/屈踝关节外展/内收运动形式45-303000135-10+110-20+50-20+30090090运动角度（°

39、;）人运动角度（°）-15+120-10+1102.2.2 机构本体设计机构本体设计包括整体设计、主动关节设计、辅助关节设计、杆件设计， 背部和足底连接设计。(1) 整体设计人的主要技术指标有：人总重量不超过 40Kg，外骨骼助力人能够实现行走等简单运器人能够助力行走等，最后设计质量 38Kg。外骨骼助力人的整体结构与实际人如图 2-3。a) 外骨骼助力b) 外骨骼助力人整体结构人整体实物图图 2-3 外骨骼助力人整体结构图与实物图外骨骼助力人的机构本体由机械腿、足部和机械背组成。机械腿用来提供助力，足部和背部用来固定(2) 主动关节设计人和穿戴者。主动关节包括髋关节伸/屈，膝关节伸

40、/屈，两个关节采用相同的设计，主要-11-哈尔滨工业大学工学材料为 2A12。如图 2-4。主动关节的设计原则是在保证充足的动力、强度和刚度的前提下，尽量减小轴向。主动关节的组成包括 maxonEC90 盘式电机、超薄式谐波 器、联轴器、限位光电开关。关节轴线上的长度为 131mm，除去关节连杆的长度，仅仅露出 50mm。为了保证安全，主动关节还增加了硬限位，利用光电开关作为限位开关，限位角度是-30°+120°，避免出现飞车等事故，保护穿戴者的人身安全。a) 主动关节结构图图 2-4 主动关节结构图与实物图(3) 辅助自由度设计b) 主动关节实物图辅助自由度有 4 个关节

41、，分别是髋关节外展/内收、踝关节伸/屈，踝关节外展/内收和脚掌弯曲。髋关节外展/内收的角度范围是 0°30°，并增加拉伸弹簧随着角度的增加，拉伸弹簧张紧阻碍髋关节外展，拉伸弹簧的作用就是尽量保持髋关节外展的角度为 0°，髋关节外展角度越大，拉力也就随之越大，如图 2-5。踝关节伸/屈的设计对外骨骼下肢助力这一关节也是需要提供大量的能量的，所以人的助力功能十分重要，考虑到人采用扭转弹簧储能结构设计，角度范围在-20°+30°。由于在步态运动时，伸运动需要较大力量而屈是簧进行的。依据上一原则，在踝关节屈运动弹簧储能，在踝关节伸运动弹能量。踝关节外展

42、/内收是为了平衡髋关节冠状面内的倾斜，机械运动角度限制在 0°30°。该关节由于始终被足底的限制而处于可控的状态，因此该关节不需要弹簧设计，如图 2-6。脚底弯曲辅助自由度是用来配合在行走过程中前脚掌和脚后跟之间的角度变化。此处考虑到足底结构特点，采用片弹簧的设计。片弹簧由直变弯曲时，储存能量，需要穿戴者用力；由弯变直时释放能量，为穿戴者助力，同样也是一款弹簧储能结构。-12-哈尔滨工业大学工学a) 髋关节外展模型b) 髋关节外展实物图图 2-5髋关节外展模型与实物图a) 辅助关节模型b) 辅助关节实物图图 2-6 辅助关节模型及实物图(4) 连杆的设计杆件结构设计需要考虑

43、三个方面，第一，在保证杆件刚度和强度的前提下减小杆件质量；第二，杆件长度可变以适应不同身材的穿戴者；第三，杆件设计要考虑走线。杆件的设计，如图 2-7。大腿杆和小腿杆的可变长度是 6cm，最长的长度可达 106cm。适合于 160cm 到 185cm 身高的穿戴者。杆件设计有走线槽，大腿杆有弯曲，目的是为了是髋关节和膝关节的电机在同一个竖直平面内，便于建立运动学和动力学模型并控制。-13-哈尔滨工业大学工学a) 杆件设计模型b) 杆件设计实物图图 2-7 杆件设计模型与实物图(5) 背部的设计背部采用铝型材框架设计，型材的优点是质量轻、强度大，同时型材的安装和装配件种类繁多，便于腰部宽度以及背

44、部高度的变化，型材的独特结构，可以使走线变得方便，如图 2-8。a) 背部设计模型b) 背部设计实物图图 2-8 背部设计模型与实物图背部主要背负工控机，电池等硬件系统和负载装置。背部是与上肢刚性连接的部分，需要设计与接触的背带和弹性靠垫。同时背部还要安装陀螺仪以辨别上身的倾斜状态。背部的负载重心尽量靠近，这样可以提人的效率。工控机通过 USB，电池背负在背部。在电池与背部设计安全高保护罩，用来防止电池产生的(6) 足部设计。足部设计包括前脚掌、后脚跟、片弹簧、与连接等。下图 2-9 显示的是外骨骼下肢助力人的足部设计。-14-哈尔滨工业大学工学a) 足部设计模型b) 足部设计实物图图 2-9

45、 足部设计模型及实物图(7) 背部走线背部放置在上位机，所有的硬件电路将最终引到背部与上位机连接。所以此处的走线十分重要，除了型材提供的走线槽以外，还要考虑作为上位机的单板机以及电源的安放位置，使走线更加方便。2.2.3 关节功率分析首先关节的步态运动进行受力分析，在人处于低速运动的情况下，对杆件直接进行静力学分析，可以较为准确的计算出关节驱动力的值。其次，对于静态分析时，要选取一个人关节受力或需要驱动力最大的时刻进行计算，这样能够足够保证关节的驱动力矩，此时选择单腿支撑相的支撑腿的驱动关节作为分析的目标。第三，人的助力指标，助力的目标背负 30Kg的负载，计算髋关节和膝关节的驱动力矩。如图

46、2-10 为人的受力图。图 2-10人受力分析图T1 和 T2 为髋关节和膝关节的驱动力矩，由图 2-10 求得人的髋关节和膝关节的瞬时最大力矩是 T1=T2=60Nm，这种力矩只存在很短的时间，而且单腿-15-哈尔滨工业大学工学站立时，的整个重心是会向前倾斜的，也就是说负载相对于髋关节和膝关节产生的力臂还会小于 200mm，这样对关节的驱动力矩要求就更加降低了。此时是60Nm。助力人驱动关节输出最大力矩的时候，而人的平均力矩应该要小于人主动关节设计在髋关节和膝关节，并采用的是直流电机驱动，直流电机的特点是方便，缺点是驱动力矩和功率较小。电机驱动的所产生的效率等问题，并参照国外使用电机驱器人的

47、先例，分析人在电机驱动下的工作效率和电机功率与力矩。首先，电机在接通电源之后，电能将会以下几种形式被消耗，它们分别包括有用功，机械摩擦消耗的功和电机铜丝发热消耗的功。其中电机的有用功 Pdes 由下式表示：q = TPdesdes des（2-1）式中 Tdes 期望力矩；q 期望速度。des摩擦产生的功也很大，电机在克服静摩擦和动摩擦的时候需要消耗额外的功率 Dq ，D 是阻尼系数。同时，电机转子和齿轮等传动元件惯量在也会消耗能量 Iq q ，最后机械散发的热量会消耗能量T 2 / K 2 ，最后M消耗的功率为：过程中人关节q + Dq + Iq q + T 2 / KP = T（2-2）d

48、es desMBLEEX在研究由电机驱动得到的数据来看，在步行过程中膝关节的平均输 出为 17w，做负功，效率 21.2%，当到了摆动相的时候，力矩小于电机的空载力矩，能量主要消耗在克服摩擦和惯性力了，髋关节所需功率 81w，有用功 7.7w，效率 9.5%10。(1) 由膝关节的CGA数据可知，平地走的平均功率 16.01w，平均力矩40.5Nm，关节平均速度为 56°/s；膝关节在爬楼梯时的平均功率为 35.3，平均力矩为 87.0Nm，由静力学计算出来的关节力矩 60Nm25。由于本外骨骼助力机器人的设计目标仅能完成平地走的步态运动，所以可以依据平地走的功率和力矩进行求解。电机

49、的额定功率大致计算为：P= P膝des ´100% = 16.01 ´100% » 76w（2-3）h膝关节21.2%膝(2) 由髋关节的CGA数据可知，髋关节爬楼梯时的平均功率 16.23w，步行的平均功率是 7.03w，最大功率 97.3w，平地走的力矩是 60.0Nm25。与静力学所求的力矩相同，爬楼梯的平均力矩是 84.7Nm。虽然髋关节的功率小，但是它的力矩输出大，说明髋关节处于较低速度。为了保证输出力矩， TE =60Nm，电-16-哈尔滨工业大学工学机的额定功率大致计算为：P= P髋des ´100%= 7.03 ´100%=74

50、w（2-4）髋关节h9.5%髋2.3 强度分析强度分析主要人在步态运动过程中，受力大结构单薄并对整个结构起支撑作用的部件进行分析，这种部件也被称为关键部件。而其他的部件所受的力较小，结构安全性可以得到保证。关键部件在来自负载的、驱动器的驱动力矩、外力的作用下，会产生应力变化并导致形变，为了保证其结构的安全性，要对关键部件的强度进行分析。利用 ANSYS 对外骨骼下肢助力人关键部件进行强度分析。强度分析主要包括应力，应变和变形量的分析。2.3.1 受力环境分析首先确定外骨骼下肢助力人的关键部件，人所受的要来自背部的负载以及髋关节和膝关节的驱动力矩。背部负载作用于后背，并通过大、小腿杆传递到脚底板

51、，再由脚底板传递到地面；驱动关节直接作用在大、小腿杆，而大、小腿杆与其他部件的连接件在设计时都采用加强设计。脚底板仅受，而金属在仅受时强度非常大，背部受负载作用，在设计时采用了硬铝型材，结构强度足够大负载作用且质量轻。而对于大、小腿杆杆件长，质量大、受力多，因此大、小腿杆作为关键部件将对其进行强度分析。在确定分析目标之后，就要详细的分析人所处的力学环境，如图 2-11为外骨骼下肢助力人受力环境。分析人受力情况，由于人所受的要在矢状面内的驱动扭矩，以及由背部载荷导致的和扭矩，对矢状面内的机械腿产生的变形最大。背负负载的重量是Q ，髋关节和膝关节由电机提供的扭矩 M1 和 M 2 。 f 为足底承受的摩擦力， N 为地面的支持力。当人处于单腿支撑相时，机械腿承受力最大，最容易出现不稳定等情况。为了设计质量轻、承受负载大的机械结构，需要对人的实际工作情况进行了强度分析。如果人的强度过大会导致人的笨重，浪费能源的消耗人的能量；如果过小会导致机构的损坏等致命后果，所以应详细分析在实际状态下的人的结构强度。在实际工作中，人承受的最大力为：负重 Q=500N，电机转矩 M1=60Nm，M2=40Nm。这些力学条件分析关键部件的强度以优化部件结构。-17-哈尔滨工业大学工学图 2-11 受力环境分析2.3.2 强度分析与结构改进利用 ANSYS