毕业设计（论文）-可穿戴下肢外骨骼机器人结构设计

摘要所谓的“人体效能增强”，就是对人天生的生理和认知能力进行改变，让人的身体素质、脑力、器官感知等方面都有很大的提升。虽然这个术语一般用来形容军人，但是当技术越来越完善，社会对它的要求越来越高，它最终会被用来服务社会，回馈社会。当前，国际上已有多家科研单位发表了多篇有关提高人类效率，尤其是提高人类功能的研究。人类的效能提升技术包括：提升人类感官的技术，如：眼底植入物，人工耳蜗；增强人类脑部神经系统的技术，如药物增强，脑-机接口等；增强人类肌肉力量的技术，如外骨骼技术等。外骨骼技术是近年来国际上广泛关注的一项新技术，它涵盖了全身、上肢、下肢三个部分。下肢外骨骼的用途主要有：搬运外骨骼、助力行走外骨骼、康复外骨骼等。在本次课题中，所设计的可穿戴下肢外骨骼机器人属于一种下肢助力外骨骼，它是一种与人体下肢紧密结合，以人的运动意图为主，借助外动力源进行外骨骼驱动，从而达到帮助人体下肢行走的可穿戴式设备。这一项目主要是对该项目的总体结构进行了分析和设计，并对每个零件的结构进行了对应的应力分析和移动零件的选择。并利用3D设计软件对其进行3D数字建模。因为气动助行步省力装置具有优良的机械特性，所以它可以有效地拓展人体的功能，在军事、民用、医疗等领域具有非常广泛的应用前景。关键词：下肢外骨骼；可穿戴式；结构设计；三维数模

AbstractTheso-called"humanefficiencyenhancement"istochangepeople'snaturalphysiologicalandcognitiveabilities，sothatpeople'sphysicalfitness，brainpower，organperceptionandotheraspectshavebeengreatlyimproved.Althoughthetermisgenerallyusedtodescribemilitarypersonnel，asthetechnologybecomesmoreandmoreperfectandthesocietyhashigherrequirementsforit，itwilleventuallybeusedtoservethesocietyandgivebacktothesociety.Atpresent，anumberofscientificresearchinstitutionsintheworldhavepublishedanumberofstudiesonimprovinghumanefficiency，especiallyimprovinghumanfunction.Humanperformanceenhancementtechnologiesinclude:technologiesthatenhancehumansenses，suchasfundusimplants，cochlearimplants;Technologiesthatenhancethehumanbrain'snervoussystem，suchasdrugenhancementandbrain-computerinterface;Technologythatenhanceshumanmusclestrength，suchasexoskeletontechnology，etc.Exoskeletontechnologyisanewtechnologythathasbeenwidelyconcernedintheworldinrecentyears，whichcoversthewholebody，upperlimbsandlowerlimbs.Themainusesoflowerextremityexoskeletonare:carryingexoskeleton，assistingwalkingexoskeleton，rehabilitationexoskeleton，etc.Inthisproject，thedesignedwearablelowerlimbexoskeletonrobotbelongstoalowerlimbassistexoskeleton.Itisawearabledevicethatiscloselyintegratedwiththelowerlimbofthehumanbody，mainlybasedonthemovementintentionofthehumanbody，anddrivenbytheexternalpowersourcetohelpthelowerlimbofthehumanbodytowalk.Thisprojectmainlyanalyzesanddesignstheoverallstructureoftheproject，andanalyzesthecorrespondingstressofthestructureofeachpartandtheselectionofmovingparts.3Ddigitalmodelingwasperformedusing3Ddesignsoftware.Becausethepneumaticwalkingaidandlabor-savingdevicehasexcellentmechanicalcharacteristics，itcaneffectivelyexpandthefunctionofthehumanbody，andhasaverywideapplicationprospectinmilitary，civil，medicalandotherfields.Keywords:lowerlimbexoskeleton;Wearabletype;Structuraldesign;Threedimensionalnumericalmodel目录摘要 -第1章绪论1.1课题背景意义所谓的“人体效能增强”，就是对人天生的生理和认知能力进行改变，让人的身体素质、脑力、器官感知等方面都有很大的提升。虽然这个术语一般用来形容军人，但是当技术越来越完善，社会对它的要求越来越高，它最终会被用来服务社会，回馈社会。当前，国际上已有多家科研单位发表了多篇有关提高人类效率，尤其是提高人类功能的研究。人类的效能提升技术包括：提升人类感官的技术，如：眼底植入物，人工耳蜗；增强人类脑部神经系统的技术，如药物增强，脑-机接口等；增强人类肌肉力量的技术，如外骨骼技术等。外骨骼技术是近年来国际上广泛关注的一项新技术，它涵盖了全身、上肢、下肢三个部分。下肢外骨骼的用途主要有：搬运外骨骼、助力行走外骨骼、康复外骨骼等。其中，下肢助力外骨骼是一种与人体下肢紧密结合，以人，的运动意图为主，借助外动力源进行外骨骼驱动，从而达到帮助人体下肢行走的目的的可穿戴式设备。在此基础上，提出了一种新型的下肢辅助外骨骼机器人，该机器人具有人机协同的优势，既具有人机协同的优势，又能有效地提升人体的运动能力。空气动力助力步行节能器以其优良的力学特性，可极大地拓展人类功能，在军民、医疗等领域具有广泛的应用前景[1]。在军队中，下肢动力外骨骼被广泛应用于士兵的身体素质和个体战斗力的训练。将其与，战士融为一体，可提高装备的载重能力，提高使用者的力量，速度，耐力等等。可穿戴下肢外骨骼机器人使用的是气压传动，整个系统由动力机构、执行机构和控制系统三个部分组成。在动力装置中，空气气缸是利用活塞杆和活塞之间的相互作用来直接推动执行器，从而推动人体的动作；在执行器中，由多个连杆和汽缸组成，各连杆由轴承连接到汽缸上，各汽缸的活塞杆由滑块连接到汽缸上；控制系统由单片机、气压传感器、行程开关等构成，单片机在收集了人体运动的数据信息后，将其传输到气压传感器上，而气缸中的活塞则会对这些数据信息进行处理，然后将其传输到单片机上[2]。该系统是以人的身体构造特点和运动规律为基础，采用油缸和电磁阀来完成油缸的动作控制。在复杂地形、山地、高原等限制人体行动能力的复杂地形下，下肢外骨骼系统发挥着非常关键的作用。在民间救援方面，因为大规模的灾害，道路被堵塞，物资很难运送到救灾的第一线，也很难到达受灾民众的身前。救援人员穿上了上下肢外骨骼，能够获得更长的有效工作时间，从而提升了救援的效率，降低了灾难的伤亡，拯救了更多的生命。此外，穿上了外骨骼的救援工作者能够更容易地搬运救援现场的重物、阻碍物，能够更高效地清理救灾现场[3]。从《2020年残疾人事业发展统计公报》等有关资料来看，我国目前有一千零七十七万七千名残疾人，其中四肢残疾的人数最多，大约有五百九十二万三千五百名，四肢残疾的比例超过一半，截止到2018年年底，我国有9036家残疾人康复中心，1929家提供辅助设备，为319.1万名残疾人提供各种辅助设备[4]。下肢外骨骼系统是一种能够帮助病人恢复正常步行能力，并让病人看到了生活的希望。近年来，研究者们逐渐将目光投向了软体外骨骼，利用软体辅助设备替代靠近关节的肌肉群，减轻人体肌肉的疲劳，提高人体运动的灵活性。设计一种轻便、舒适、真正符合人体构造的辅助功能，并能及时给出合适的辅助作用的外骨骼设备，将为其在多个领域中的广泛应用奠定坚实的基础。国内外发展现状1.2.1国外发展现状雷神科技公司设计的外骨骼产品“Lapsus”，是世界上第一台不需要移动电源的下肢外骨骼机器人。Lapsus外骨骼采用气动式控制，主要由下肢结构、传感器、控制器及执行机构组成。其工作原理为，首先使用传感器检测使用者的步态，通过控制器计算出行走所需的动力，然后通过气动执行机构驱动电机产生助力。Lapsus外骨骼的尺寸为454×260×165mm，重约800kg，可根据使用者身高调节其高度，并可调节使用者行走时的重心位置，从而保证其稳定性和安全性[5]。可穿戴下肢外骨骼机器人最初是在美国出现的，最初是美国的军事部门资助了这一领域的研究。在美国的“强化人类功能外骨骼计划”支持下，伯克利的加州大学、雷神技术等得到这个计划支持的科研机构，也纷纷推出了自己的外骨骸。加州伯克利大学的人类工程学实验室在2004年成功研发出了伯克利式下肢外骨骼（BLEEX)，这是世界上首款可携带重物的可移动动力装置。BLEEX外骨骼单足有7个自由度（貌关节3个、膝关节1个、踝关节3个），4个（貌关节和膝关节）主动自由度由直线液压驱动器驱动，其他为被动自由度，具有良好的仿生作用。在34公斤负载下，以3公里/h的时速飞行，可获得2公斤左右的有效飞行距离。该型机器人是于2008年研制成功的，在9公斤载荷下，其飞行速度可达2个小时，起动速度可达16公里[6]。美国军方单位MPS公司是目前全球唯一一家能够量产的外骨骼产品的公司[7]。MPS公司目前开发的可穿戴下肢外骨骼机器人主要由下肢结构、传感器、控制器和执行机构四部分组成，其中控制器和执行机构均为气动式控制，主要由气动阀、电机及其驱动电路组成。其控制原理为，首先由传感器感知使用者的步态数据，然后由控制器计算出使用者行走所需的动力，并驱动电机产生助力，最后将动力反馈给执行器以实现助力行走[8]。MPS公司生产的可穿戴下肢外骨骼机器人目前已经在美国陆军、英国皇家海军陆战队、英国皇家空军和加拿大皇家空军服役。2012年5月，MPS公司研发出了其第四代可穿戴下肢外骨骼机器人“Straker”。该设备采用的是气动式控制方式，由16个气动阀组成。在行走过程中，用户通过佩戴在头部的传感器感知行走时的步态数据，控制器计算出使用者所需要的动力并通过气动执行机构驱动电机产生助力。由于采用了气动阀技术，其成本相比传统电动助力装置降低了85%左右，且能够保证在20m/s的高速下使电机产生足够的动力。该产品采用了一种新型的“单腿”结构，与传统的“双腿”结构相比，其重量更轻、更省力且工作时稳定性更高[9]。该装置仅由两根独立的下肢结构组成，一根位于下肢结构头部下方，用以支撑使用者；一根位于下肢结构尾部下方，用以支撑使用者；每根腿均配备了6个传感器，用以感知使用者的行走状态[10]。图1-1可穿戴下肢外骨骼机器人（下肢外骨骼）雷神Sarcos技术在2010年发布了关于XOS-2的全套外骨骼的资料。之前，XOS-1的重量为95公斤，当重量为90.7公斤时，其重量感觉只有9公斤，但是在每小时5公里的速度下，它只能走40分钟。XOS-2相比于上一代，在结构上做了一些改进，单手平举的重量可达23公斤，敏捷度与反应速度都有所提升，同时也大大降低了能耗，能够帮助士兵长途奔袭[11]，如图1-2所示。图1-3可穿戴下肢外骨骼机器人日本是目前世界上最先进的机器人技术之一，它对外骨骼技术的研发也给予了很大的支持，并在这方面做出了很大的贡献，取得了一系列的成功。日本筑波大学研制出的HAL（混合辅助Limb）是全球第款商用外骨骼机器人，被广泛应用于诸如医学救援之类的场合，以帮助正常人减轻体重。HAL外骨骼具有平面的自由，腕关节和膝关节具有前后屈伸的自由，使用了电机直接驱动的关节，而踝关节则是被动的自由。在改进后，哈尔机器人已成为一种系列产品[12]。图1-4下肢外骨骼如图1-3所示，第五代HAL-5外骨骼11属于一款穿戴式的机器人，它有1.6m的高度，重量23kg的重量，通过充电电池（交流电100V）进行驱动，续航时间可以长达两小时四十分钟，它也被称作机器人服装，是世界上首创的人机一体化系统。另外，以色列研发出的ReWalk和“再行走可穿戴式外骨骼设备”（见图1-4）也是比较成功的。ReWalk在使用的时候，不需要进行人工的配合，它可以连续行走50-100m，有效工作时间5-10分钟，它的移动速度可以调节在0.03~0.45m/s之间，平均的速度可以达到0.25m/s[13]。这款“ReWalk”是一款以腿部为动力的外骨骼，佩戴它的人可以利用四肢的移动以及轻微的地心引力来控制自己的走路方式[14]。该方法采用了一种基于位姿的方法，利用位姿传感器测量出四肢的欧拉角，然后根据关节、膝关节的位置，对其进行预置，实现单步法。当然，国外的科研机构和成果并不局限于这些，例如法国的“大力神”外骨骼，新加坡南洋理工大学的NTULEE，瑞士的Balgrist大学的Lokomat，以及其他一些国家的科研机构和科研人员，也都在这一领域取得了成功[15]。图1-5外骨骼美国密歇根大学利用空气动力的人造肌肉，来推动脚踝的运动，并把人造肌肉与硬质的脚掌固定在一起，以达到帮助脚掌的作用。该夹具采用3D打印的高强碳纤维材质，内层采用单组份的聚氨酯泡沫塑料，具备优良的粘接、保温、贴体等性能[16]。在材料上，采用碳纤维替代金属，既能降低外骨骼的重量，又能提高其可塑性，从而使其更接近于人类的身体形态。从驱动模式上讲，人造肌肉相对于电动马达而言，自由度更大，能在空间中完成各种动作的组合。并在此基础上，研制出了一种采用多套空气动力学人造肌肉同步传动的膝-踝关节矫正装置。两种软体可弯曲的可弯曲的外骨骼，来自哈佛大学怀斯生物设计学院[17]。在这个过程中，绳索会将绳索的一头系在一个柔软的脚踝上，而绳索的另一头则系在穿戴者的背部。本项目在制造材料方面突破了常规外骨骼，达到了轻量化、集成化和便携化的目标，为其向实用化迈进了一大步。气动助力气缸驱动的柔性外骨骼与传统的机械结构有很大的区别，它减少了电机装置和传动部件的质量，利用气动回路的设计，可以让一个动力源系统综合驱动柔性外骨骼的所有自由度，而不再是由一个电机驱动一个自由度。意大利圣安娜大学，位于比萨，为时关节研制出一种可伸缩的拉线式外骨骼[18]。本项目提出了一种新型的柔性外骨骼，利用手肘弯曲时的马达带动绳套，使其产生瞬间旋转的力矩，以减轻肱二头肌的肌肉运动量，减少能耗。美国亚利桑那州立科技有限公司研制的一种可充气的膝部康复软体外骨骼，将其与软体材料相结合，实现了软体外骨骼的一体化操控，并取得了较好的效果。用可热封的热塑性聚氨酯（TPU)（TPU）材料制成的充气执行器，有1型和0型两种不同的断面结构，利用嵌入力敏电阻的软硅胶树脂鞋垫，来进行足底力反馈，同时，还可以对腿部表面的肌电信号的激活强度进行收集和分析，来评价这种柔性外骨骼装置的性能[19]。美国罗格斯大学，开发出一种新型的具有自驱动能力的外骨骼系统，利用气动装置的力反馈，来带动人体行走，这种新型外骨骼系统采用仿生学原理，通过模仿人类髋关节、膝关节以及踝关节的运动状态，达到帮助患者行走的目的。用微型马达带动夹具转动并通过液压驱动机构夹紧外骨骼的一侧美国亚利桑那州立大学，开发出了一种用微型马达驱动夹具转动并通过液压驱动机构夹紧外骨骼的柔性外骨骼系统。该柔性外骨骼系统与传统的机械式外骨骼相比具有更强的自适应性和灵活性，其结构更加紧凑，可以提供更大的力反馈[20]。1.2.2国内发展现状目前，在外骨骼技术方面，国内和国外都有很强的研究基础，但是，在这方面，我国的科研机构也在这方面投入了很大的精力和精力。浙江大学，清华大学，东南大学，哈尔滨工业大学，中国科学院，以及其他多所大学的科研机构，都对这类机器人展开了深入的研究，并研制出了一款典型的机器人。同时，由于目前国际上对外骨骼技术的了解程度越来越深，很多企业已经开始与大学、大学等机构联合，自主研发出了自己的外骨骼技术。例如，针对脊髓损伤病人的Fourier外骨骼，迈步康复外骨骼，以及大艾康复外骨骼，清华团队开发出一种非动力能量储存外骨骼（ES-EXO）助行设备[21]。外骨骼的主要作用是让截瘫病人可以正常的站立和行走，减少各种并发症的发生，提高病人的生活质量，同时还可以促进肢体功能的康复。它是一种无源的辅具，它是将一台无源的助行设备固定在身体上，并将其与一台无源的电池组联接在一起[22]。设备上装有一个能给可充电的电池提供电力的适配器。本发明涉及一种可穿戴下肢外骨骼机器人，其特征在于：一种可穿戴下肢外骨骼机器人，其特征在于，它是一种可穿戴下肢外骨骼机器人。该技术不需要外部供电，因为使用者本身就有自己的能源供应，从而打破了以前的工作方式。而采用了蓄电池作动力源，则使整体的助行装置更为轻便，灵活，适用范围更广。另外，为了节省体力，也有一些学者正在进行风能助步器的研制。本发明的假肢由三个部件构成，即空气动力臂、空气动力脚[23]。图1-6可穿戴下肢外骨骼机器人肢体辅助外骨骼系统能够将人体正常的上肢、躯干肌肉所产生的动力，通过对上肢、躯干肌肉的动力进行补偿，实现人体与外骨骼系统的同步动作[24]。浙江大学辅助机器人。外骨骼单腿4个自由度，其中腕关节配置2个，膝关节及踝关节各1个。关节、膝关节平面的屈伸自由，利用空气动力推动，其他的都是被动的自由。中国科学院合肥智能机械所自2016年起开展了下肢辅助机器人的研发工作，并成功研制出了一台原型机器人。这种单足机器人具有6个自由度，包括3个肘关节、1个膝关节和2个踝关节。在这些运动形式中，膝关节、脊髓等关节是主动运动的，而踝关节是被动运动的。所述的外骨骼系统是利用感应器采集脚底压力和大、小腿部的人-机交互力，来识别穿戴者的动作意图[25]。东南大学的机器人和生物力学、电子学等实验室一直致力于外骨骼技术的研发，目前已研制出一套具有自主知识产权的人体动作捕获系统，并已具备各种不同类型的外骨骼原型装置。采用绳索驱动的下肢辅助机器人，首次实现了水力和绳索驱动的有机结合。本项目拟采用模糊PID控制方法，对空气动力人造肌肉进行单边肢体运动康复训练。本项目提出一种下肢变形体外骨骼系统，即具有前、后双屈、内、外两种活动自由，其中膝关节屈伸是主动的，踝关节是屈伸是被动的，利用能量储存机制降低能耗。轮腿变形外骨骼的轮式运动状态，这种状态可以由外骨骼状态，通过可展轮式机制，快速变化切换。在这种情况下，后轮由电机直接驱动，前轮由电机-软轴传动驱动[26]。图1-7FourierX1下肢助力外骨骼傅利叶公司于2019年在中国率先推出了FourierX1型下肢康复机器人。FourierX1可以收集各种数据信息，并将其存储到外骨骼机器人大数据库中，并以内置传感器的力反馈为依据，感知佩戴者的运动意愿，从而达到有效地帮助佩戴者助力行走的效果[27]。ABB公司发布了一款可落地应用、可批量生产的FD-X1。与FourierX1相比，FD-X1的尺寸和质量都得到了极大的优化，在保证一定的刚性的前提下，它的重量减少了35%，厚度减少了42%，可以用于辅助行走、康复训练、运动功能强化等诸多方面。从这一点可以看出，我国在可穿戴下肢外骨骼机器人的节能技术上取得了很大进展，但其研究内容多集中于刚性外骨骼的结构与控制方向的优化，而在可穿戴下肢外骨骼机器人节能技术等领域的进一步研究还未展开。要使可穿戴下肢外骨骼机器人在实际中得到推广，还需要克服各种困难[28]。主要研究内容本次课题研究的可穿戴下肢外骨骼机器人的设计。本论文的重点在于，对可穿戴下肢外骨骼机器人的设计，并对它的工作原理、结构特点等展开了详尽的阐述，对它的工作原理与工作参数展开了研究，并经过分析，对其关键部分的最佳参数组合进行了优化，主要开展了以下几个方面的工作：对可穿戴下肢外骨骼机器人展开了研究，并对它的结构特点等进行了详尽的阐述，对机械的原理与工作参数展开了研究。研究方法在研究过程中主要采用了如下方法：(1)文献法，通过市场调研，网络查询，查阅相关资料，了解目前国际上在可穿戴下肢外骨骼机器人方面的最新进展，并利用数字模拟软件对其进行模型化分析。(2)以理论为基础的方法。从理论上对其工作机制进行了分析，并对其进行了全面的分析。(3)采用模拟分析软件对部件进行数学建模和优化，从而获得最优的工作参数。图1-8研究方法本章小结本章通过对国内外可穿戴下肢外骨骼机器人调研，了解到其具体应用背景。通过对国内外可穿戴下肢外骨骼机器人调研可以分析出其现有可穿戴下肢外骨骼机器人的优缺点，并详述了本课题研究的主要内容、方法以及技术路线等，同时也为后续的理论研究指出了一定的方向。总结归纳出其本次课题设计依据。第2章总体方案分析设计2.1人体下肢运动解剖学分析为方便后面的论述，这一部分将先介绍人体构造剖面的构成。如图2-1所示，与坐标系相似，用互相正交的坐标轴及正交面将人体切分成了空间的八个象限，也就是冠状轴、矢状轴和垂直轴以及垂直相对应的矢状面、冠状面和水平面。矢状表面把身体分成左、右、冠表面把身体分成前、后，水平表面把身体分成上、下。人体下肢以骨盆和骶尾骨为界，与上肢躯干相区别，它包含了下肢带和游离下肢两部分，主要由股骨、股骨、胫骨、腓骨和足骨为支撑，组成了貌关节、膝关节和踝关节三个稳定灵活的活动关节，具体情况见图2-2。利用神经对下肢肌肉群的收缩进行控制，进而牵动韧带，带动相应的关节转动，最终可以实现人体多种、多种、复杂的下肢姿态运动。关节活动性指的是一个人在移动的时候，能够实现的移动的幅度，通常用一个动作的弧度或一个转动的角度来衡量。目前，用于测量关节移动的主要方法有三种：一是人工测量，二是数字标注，三是基于3D重建的动作捕获分析。人工测定法是一种较简便的测定方法，不需要繁琐的仪器要求和测定过程，因而具有更强的普适性。膝关节的弯曲和伸展是在人体的矢状平面上完成的，其幅度与膝关节的姿势有关。在双膝伸直时，脑绳肌群张紧时，内窥镜关节的弯曲角较放松时要小。在貌关节伸展运动的过程中，作为髓关节延伸肌肉的脑绳肌的功能被弱化了，所以伸展运动角度相对于脑绳肌张紧下的角度要大一些。2.2人体下肢运动机理分析人体的下肢行走是一种重复的、循环的运动，每个步态周期中，左右两条腿都会表现出类似的运动规律，并且有一定的相位差。所以，要想要对人体下肢的基本运动规律进行研究，就可以从单侧下肢开始，去探究它的一般运动方式，并将其运用到人类的下肢的步行运动中去。由于人类步行的一系列动作都是通过一只脚来实现的，而且每一步的长度和长度都是不变的，所以，要想让人类能够很好的适应各种步行方式，就需要保持身体的稳定。人在步行过程中，要想保证其重心和地板的接触面不变，同时也要改变支撑面上的受力状态。在支撑腿受到外部外力作用的时候，按照动力学原理，将会导致人体重心与地面之间产生一个向上的力[1]。因为人的行走是一种循环的运动，而且在每个循环中，人的各个关节的夹角都会改变，因此，人的支撑腿部的受力将会呈现出非均匀性。图2-3下肢运动周期对于侧下肢的行走来说，整个行走循环可分为两个阶段：支持阶段与摇摆阶段。在支撑相阶段，腿部伸直，与直线平行，脚掌着地，以实现对身体重心的稳定，并将身体负荷传递到地面；在摇摆的时候，患者的下肢是悬空的，在摇摆的过程中，患者的双腿会在不同的关节之间产生不同的动作，从而使患者的双腿向前移动。从图2-3可以看出，以人的右脚脚跟地和左脚脚尖着地为起始状态，这一时期被称为全支撑相，直至左脚脚尖离地，在一个行走周期中，约占10%。从左脚脚尖离地到左脚脚跟地，这一时期为右下肢单支撑相，右肢类似于倒立摆，实现人体重心的前移，这一时期在一个行走周期中约占40%。从左脚脚跟地到右脚脚尖离地是右下肢的支撑相结束，因为两脚都没有离地，所以也是全支撑相，在一个行走周期中占10%左右。接着，右下肢摆动到前方，直到右脚脚跟地，为右下肢单摆动相，大约占一个行走周期的40%。在整个行走周期中，患者的两肢同时运动，下肢抬起时右肢跟上，右下肢落地时左肢抬起，这样就可以保证整个人体的重心稳定，同时也保证了躯干的平衡。当患者上肢摆动时，下肢也会向前摆动以维持重心的稳定。由于这一阶段需要进行上肢足尖离地、上肢及腰部动作协调，所以这一阶段中会产生比较大的关节力矩。当患者左右下肢同时运动时，可以看到其两肢行走的运动轨迹存在差异，但大致可以分为两个部分：右侧下肢移动至全支撑相、左侧下肢移动至摆动相。患者在行走时，左右下肢是交替着向前运动的。这一过程中，患者下肢的动作受到人体结构和行走环境等因素的限制，而且随着时间推移会越来越复杂。图2-4支撑期阶段肌肉活动及受力分析在足部最初接触地的阶段，当足部抵达地面时，人体的腿部开始减速，如图2-4（a）中所示。这一过程是由屈、屈两条腿同步运动来完成的，从而使膝盖在空间上保持平衡，并使其处于正确的位置。臀部的伸肌会减缓腿部的动作，有助于膝关节的舒展以及脚部的位置。同时，小腿前肌也会随着时间的推移，慢慢的向下伸展，使得小腿无法再用力撞击地面。接着，进入支撑的初始阶段，下肢开始传递人体载荷，如图2-4（b）所示。这个伸膝动作是借助前屈曲的脚踝偏压来完成的，它把四肢的接触点往前移，把身体对膝部的反应往前移，这样就能把膝部拉直。在第2-4（c）的中间，身体的重心会上升到一个顶点，身体会因为惯性而不断地向前运动。这时，只需要让膝盖保持伸直，脚掌与地面充分接触，就可以进行这个过程，只需要很小的能量就可以完成，而且还可以起到下肢转移负载的作用。同时，下肢三头肌（左右腓肠肌和比目鱼肌）等长度的肌肉也会收缩，形成“刚性”的支撑点，使跟腱在重力的影响下吸收踝关节的负功，并在最后一次蹬地的时候将其松开。如图2-4（d）所示，在支撑相的终结阶段，膝关节伸展-踝关节前屈力偶继续维持膝关节被动地向前伸，但踝关节后屈肌/跟腱开始收缩使身体向前加速。这个过程中，最大的力量被用来推动身体前进，并通过髂腰肌肉来改变重心。2.3可穿戴下肢外骨骼机器人总体结构设计如图2-5所示为本次课题设计的可穿戴下肢外骨骼机器人总体方案设计。其可穿戴下肢外骨骼机器人主要是由脚部固定装置、腿部支撑机构、腰托固定机构，转动关节，助力气缸以及足部仿真关节组成。脚部固定装置为脚部实现固定功能，通过上下卡扣将使用者的脚部进行固定。再起到稳定固定的作用的过程中，同时也起到了辅助装置的随动功能。腿部支撑机构为整个腿部实现支撑。同时通过力传导，将作用力传递至脚部固定装置，使人的下肢达到省力的目的。腰托固定机构为腰部提供有力的支撑。防止在搬运重物过程中，对腰椎及脊柱的损害。整套可穿戴下肢外骨骼机器人，由两套转动关节一套足部仿真关节组成。可以模拟实现人体的步态动作。助力气缸为整套装置提供良好的气动支撑，通过伸缩来模拟人体的肌肉功能。本课题中的可穿戴下肢外骨骼机器人在设计阶段，尺寸均按照前述的《中国成年人人体尺寸》进行设置。其中主体部分材料，大腿、小腿、膝关节均使用6061高强度铝合金，在保证强度的前提下尽可能减少重量。膝关节转轴、关节万向轴则主要使用45#，尽量增加关节连接处的可靠度，提高关节强度。图2-5总体方案设计2.4方案结构特点以人下肢为仿生原型，进行下肢设计关节尺寸进行了仿生方面的考虑，根据标准尺寸得出下肢相关的数据，并设计出各个关节的尺寸。质量轻，便于修改主要采用6061铝合金作为主体部分的支撑材料，6061铝合金是一种高强度，广泛用于航空航天、车辆、建筑等领域，不仅质量轻，而且具有及高的可靠性。而将大腿与膝关节分体的设计则增加了方案的适应性，使用者可以根据身高的不同选用不同长度的膝关节或者大腿结构，以保证自己获得最优质的体验。驱动方案简单，便于调整相比于传统的滚珠丝杠螺母、齿轮传动、谐波传动等方式，拮抗对拉式的助力气缸机构更加简单，在实际使用过程中也非常便于调整。整体结构抗震性好因为采用了工作原理类似于人体肌肉的人工助力气缸作为驱动器，其自身的物理特性在系统中得以体现，仿生特性使得仿人行走步态更加自然、稳定。2.5本章小结本章对可穿戴下肢外骨骼机器人进行了整体结构设计。并对人体的下肢运动进行了相应的机理分析和运动学分析。从而根据其机理运动的分析和运动分析，设计出了该气动辅助性的装置的总体方案。

第3章下肢外骨骼机器人设计分析3.1下肢惯性参数分析设计在建立人体下肢模型时，需要对其质量、重心位置和惯性力矩进行准确的测量。根据《成年人人体关心参数》中所列的人体特征，将其分为：足，小腿，大腿，上肢，上肢，下肢，手，前臂，上肢。以70Kg、45Kg和163Kg的男子作为参考，按《成年人人体惯性参数》计算，如表3-1。表3-1人体的质量分布依照《成年人人体惯性参数》给出的计算方程，人体下肢的质心位置和转动惯量。因为本文只研究人体下肢在YZ面上的运动状况，故只计算各体段相对于X轴的转动惯量。Y=B0在式中，X1表示体重，X2表示身高，B0为常数项，B1表示体重回归系数假设大腿的质心位置为d1，它表示大腿的质心到膝关节的距离，大腿绕X轴的转动惯量为Id1=-122.520-0.310X1+0.2350XI1=-370537.7+428.4X1+286.21假设小腿的质心位置为d2，它表示小腿质心与踝关节之间的距离，小腿绕X轴的转动惯量为Id2=23.47+0.5X1+0.095XI2=-30104.4+299.0X1+20.12X本文以体重70kg，负载45kg。则总重为115kg。身高1.63m(1630mm)的男性为参照，通过公式，可以计算出下肢各段的转动惯量。计算过程如下：大腿：d1=-122.520-0.310X1+=-122.520-0.310×115+0.235×1630=224.88mmI1=-370537.7+428.4X1=-370537.7+428.4×115+286.21×1630=145250.6kg·mm小腿：d2=23.47+0.5X1+=23.47+0.5×115+0.095×1630=235.82mmI2=-30104.4+299.0X1+=-30104.4+299.0×115+20.12×1630=37076.2kg·mm故人体下肢惯性参数分布见表3-2：表3-2人体下肢惯性参数分布项目大腿小腿相对质量14.19%3.67%质量9.933kg2.569kg质心224.88mm235.82mm转动惯量145250.6kg·mm37076.2kg·mm3.2下肢外骨骼机器人下肢结构设计3.2.1自由度的选择对前述的下肢构型进行分析，髋关节可以实现在三个自由度上的运动，而其主要运动面为YZ面，在另两个面上的运动幅度较小，故将其运动简化为1个自由度。膝关节实现曲伸运动，在YZ面上运动，为1个自由度。踝关节将小腿与脚相连，协调作用，实现脚的曲伸以及内外翻运动，为2个自由度。下肢的自由度被确定为4个。配置的仿生下肢自由度如图3-2所示。图3-1下肢自由度配置综上，本课题可穿戴下肢外骨骼机器人，共包括髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节、脚六部分，共4个自由度。后续的设计都将在这个基础上展开，通过设计合理的刚体结构并选用合适的连接方式，将助力气缸穿插其中，实现各个关节对自由度的限制令其形成一个具有仿生学特性的整体。3.3仿生助力气缸的选择助力气缸选择FESTO公司的MAS系列产品。根据橡胶管内部直径分为10mm、20mm、40mm三种规格，此处我们选择内径为10mm的型号，该类型助力气缸在工作原理上也属于Mckibben型助力气缸。但是它在结构上做了优化，将编织网纤维直接嵌入到橡胶筒内部，提高了力学性能。内径10mm的助力气缸最高允许工作压力达0.8MPa（相对压力），最高输出力为1200N，最大收缩率为20%。助力气缸的输出力远大于人腿运动时所需的力，故该MAS10型助力气缸在本文中可用作动力源。图3-2McKibben助力气缸图3-2为空气助力气缸的构造图，空气压力经气孔输入，气孔的大小可由控制器按工作状态调节。只有在输入处空气压力增加时，内层的橡胶管才会扩张，因为外层的网状结构具有很高的刚性，所以不会被拉伸，从而限制了肌肉的径向变形（直径变大，长度变短），从而形成轴向的缩紧力。而随着输入空气压力Pi的下降，人造肌肉会发生拉伸（松驰），从而使其刚性和驱动力下降。可以通过对橡胶管中的空气压力进行控制，来达到对肌肉的刚度的要求。3.4气动系统设计空气动力系统由空气源，压力伺服比例阀，麦克本气动助力气缸和机械装置等构成。通过该气源供给具有0.6至0.8MPa的压力的压缩气体。压缩后的空气通过一根管道，通过一台伺服-比例阀门，被输送到助力气缸。每个助力气缸都连接到一个伺服成正比的阀，它有一个出口阀和一个入口阀。肌助力气缸的气压是由施加在伺服成比阀门上的电压来控制的。助力气缸在受压后，会产生收缩拉力，带动机械部件的关节旋转，从而实现运动轨迹的追踪。从以上所述的行走姿势中，我们可以看到，在行走中，有三个动作是由助力气缸来完成的：收缩，舒张，保持。而在空气动力系统中，它可以分为三个阶段，即进气，保持压力，排气。为此，采用了三位四通电磁阀来实现对空气管路的控制。助力气缸与外部空气源连接。图3-3气动原理图当电磁阀左侧电磁铁通电时，三位四通电磁阀位于左位工作状态，助力气缸进气收缩，产生拉力；当两侧电磁铁都不通电时，三位四通电磁阀位于中位工作状态，助力气缸处于保压状态，保持前一状态不变；当右侧电磁阀通电时，三位四通电磁阀位于右位工作状态，助力气缸放气泄压。3.5本章小结本章通过对下肢惯性数据的分析以及自由度的分析。从而确定了仿生肌肉的选型设计，并对其进行了相应的气动系统设计以及气动回路的绘制，同时分析了其工作状态原理。第4章关键部件校核分析4.1轴承寿命计算分析轴承在仿生下肢的运动中起到承上启下的作用，它能增加关节润滑度，又有承载径向载荷的作用，因此是结构中一个比较关键的部件，轴承的寿命需要进行校核以保证仿生下肢的长时间高效运行。其中，髋关节、膝关节、踝关节三处的轴承最为重要，故对其进行寿命校核。轴承预期计算寿命计算公式为：Lh＇在正常行走时，各个关节主要受竖直方向的力，即髋关节轴承受径向力，而轴向力可忽略不计，最大荷载为单腿着地时，故P＝Ｆ_ｒ，如图3.1。作为残疾人行走辅助设备，仿生下肢设计使用时间为5年左右，步行时关节最大转动速度约为n=2r/s。图4-1单腿着地行走姿态4.2髋关节轴承校核4.2.1下肢髋关节受力分析在行走时，单腿离地摆动，另一腿起支撑作用，此时为载荷最大状态。髋关节最大负载为人体总质量减去一条腿的质量。P=(115-13.538)×10=1014.62N4.2.2下肢髋关节轴承的校核髋关节轴承型号为：GB／T276-94深沟球轴承6008，如图4-2。查表得：C=17KN，P=1014.62N，此处使用球轴承，ε=3，n=2r/s，ft=1Lh＇=2.27×则校核通过。图4-2髋关节轴承4.3膝关节轴承校核4.3.1下肢膝关节受力分析膝关节最大荷载为人体总质量减去一条腿的质量再加上仿生下肢大腿的质量和膝关节上半部分的质量。P=(115-13.538+5.22+1.2)×10=1078.82N4.3.2仿生下肢膝关节轴承的校核膝关节轴承型号为：GB／T276-94深沟球轴承61812，如图4-3。查表得：C=31.2KN，P=1078.82N，ε=3，n=2r/s，ft=1Lh＇=1.02×则校核通过。图4-3膝关节轴承4.4踝关节轴承校核4.4.1下肢踝关节受力分析踝关节最大荷载为人体总质量减去一条腿的质量加上仿生下肢总质量减去仿生下肢脚的质量。P=(115-13.538+12.72-1.02)×10=1131.62N4.4.2踝关节的轴承校核踝关节轴承型号为：GB／T276-94深沟球轴承61800，如图4-4。查表得：C=4.58KN，P=1131.62N，ε=3，n=2r/s，ft=1Lh＇=2.5×则校核通过。图4-4踝关节轴承4.5本章小结本章主要对可穿戴下肢外骨骼机器人的人体下肢各关节受力情况，并对仿生下肢受力情况进行分析，并对关键部位轴承载荷及寿命进行计算，使其符合使用要求，确保仿生下肢的安全、稳定运行。结论在本次设计中，我主要对可穿戴下肢外骨骼机器人的整体结构进行了相关设计。在各零部件的设计过程中，对个别零部件在原有结构的基础上进行了改进和优化。熟练掌握绘图软件AutoCAD及三维数模软件的应用，并能够利用该软件进行简单的辅助分析。通过这次毕业设计，提高了我在大学所学专业知识的广泛结合和应用，提高了我运用所学知识的能力，培养了我严谨的设计和细心的态度。本次毕业设计是我们在校学习最后一项内容，也是我走向工作岗位前的历练，对于我以后的工作和学习，都将具有深远的影响意义。通过了解传统可穿戴下肢外骨骼机器人设计流程，调研国内外可穿戴下肢外骨骼机器人的现状，分析现有可穿戴下肢外骨骼机器人特点，明确以提高可穿戴下肢外骨骼机器人行走能力与工作能力为主要研究方向。本文采用模块化思想设计一种新型的可穿戴下肢外骨骼机器人，其行走运动模块主要实现可穿戴下肢外骨骼机器人的省力能力。通过这学期近几个月对可穿戴下肢外骨骼机器人的设计研究，我充分的了解了可穿戴下肢外骨骼机器人的发展背景，对可穿戴下肢外骨骼机器人的未来发展趋势由了清晰的认识。结合大学期间所学知识，在老师的细心指导下，顺利完成了该可穿戴下肢外骨骼机器人的设计工作。在设计过程中，同时也锻炼自己理论与实践相结合设计的经验，为后续工作提供了较有力的支撑，同时也巩固了自身计算机绘图分析的能力。致谢能顺利完成本次对可穿戴下肢外骨骼机器人设计，本次设计我首先要感谢我的导师以及的同学的帮助，感谢导师的知识，严谨的学习态度对我在本次设计以及以往的学习过程中的帮助。让我充分的了解知识的可穿戴下肢外骨骼机器人以及对相关领域的应用。这使我受益匪浅，在今后的学习生活中，我都会感谢老师对于我的细心帮助和同学们之间的相互互助。本次设计的相关领域。本次设计深受老师的教导，并此向以此向老师表示衷心的感谢。时光荏苒，大学毕业季即将到来，我们即将踏入社会进行各个行业领域。我将步入不忘使命，不忘初心，为本行业贡献自己