穿戴式下肢负重外骨骼机器人设计

穿戴式下肢负重外骨骼机器人机构设计与动力学仿真摘要：穿戴式负重外骨骼机器人是辅助下肢有运动障碍的患者进行站立及行走活动的康复型机器人。随着我国经济发展，对康复机器人的需求越来越多，而国内研究刚刚起步，许多技术还不够成熟，还需要不断的深入研究。本论文对下肢外骨骼机器人进行了国内外文献的查阅和需求分析，针对机器人的机械总体结构、外骨骼系统运动学仿真与动力学分析进行了设计。首先，由于外骨骼机器人需要适用于人体结构，因此外骨骼机器人的机械结构设计需要明确人体尺寸及下肢运动范围。根据人体下肢结构和运动特征确定机器人关节自由度，选择合适的驱动方式并设计成可调节式。其次，在机械结构设计的基础上，对外骨骼机器人进行运动学和运动特性分析。运用拉格朗日方程建立动力学模型，为机器人控制奠定基础。最后，本文采用Creo三维软件对外骨骼机器人进行运动仿真。关键词：外骨骼机器人；可穿戴式；动力学ABSTRACTWearable exoskeleton robots are rehabilitation robots that assist patients with movement disorders in the lower limbs to perform standing and walking activities. With the economic development of our country, more and more demand for rehabilitation robots, and domestic research has just started, many technologies are not mature enough, but also need continuous in-depth research. In this paper, the literature on the exoskeleton of the exoskeleton of the lower extremities was reviewed and the demand analysis was carried out. The overall mechanical structure of the robot and the kinematic simulation and dynamic analysis of the exoskeleton system were designed. First of all, because the exoskeleton robot needs to be suitable for the human body structure, the mechanical structure design of the exoskeleton robot needs to define the human body size and the range of motion of the lower extremities. According to the structure and motion characteristics of the lower limbs of the human body, the degree of freedom of the joints of the robot is determined, an appropriate driving mode is selected, and the adjustable mode is designed. Second, based on the design of the mechanical structure, the kinematics and kinematics of the exoskeletal robot are analyzed. Lagrange equations are used to establish dynamic models and lay the foundation for robot control. Finally, Creo three-dimensional software is used to simulate the exoskeleton robot.Keywords: exoskeleton robot; wearable; dynamics目录摘要ABSTRACT第一章 绪论1.1 研究背景及意义1.2 外骨骼机器人概述1.3外骨骼机器人的国内外研究状况1.3.1 国内发展状况1.3.2 国外发展状况1.4课题的研究内容第二章 穿戴式下肢外骨骼机器人设计理论及方案2.1人体下肢骨骼生物学结构2.2人体正常步态分析2.3外骨骼助力机器人运动参数确定2.4外骨骼机器人的自由度分配2.5外骨骼机器人的总体方案设计2.6本章小结第三章 外骨骼机器人结构设计3.1外骨骼机器人结构组成3.2髋关节的结构设计3.3膝关节的结构设计3.4踝关节的结构设计3.5外骨骼机器人驱动方式选择3.6本章小结第四章 外骨骼机器人Creo仿真分析4.1 Creo仿真软件概述4.2运动仿真分析4.3踝关节有限元分析4.4 膝关节有限元分析4.5本章小结第五章 结论参考文献致谢附录III第1章 绪论1.1 研究背景及意义随着社会的发展，诞生了一种用于康复医疗领域的新型机械结构，被称为康复器械，对于康复医疗器械的研究被推向高潮，越来越多的单位加入了这个行列。这种康复医疗器械是一种让人直接穿戴在身上的机械装置，用来为肢体伤残的患者提供动力，实现下肢的正常运动。近年来，由于交通事故的频频发生，致使很多人肢体伤残，同时，由于快节奏的生活，给更多人带来了很大的压力，人口老龄化的问题也越来越严重。针对这一现象，研究人员研发出一种医疗器械，这种医疗器械通过各种驱动方式为患者提供动力，帮助他们恢复肢体运动功能。美国等一些国家的实验室和研究机构研制出了穿戴式外骨骼机器人，这种机器人可以为使用者提供充分的动力和耐力，从而使他们的耐力和负重能力得到加强，该机器人的应用为许多下肢残障患者提供了方便。可穿戴式下肢外骨骼机器人是人机一体化系统，其主要作用是通过机械机构为使用者提供动力，帮助他们恢复正常的运动能力。现如今，在世界范围内，穿戴式下肢机器人的研究刚刚兴起，还处于一个技术不成熟的阶段，在这个全新的领域，还需要不断的探索。1.2 外骨骼机器人概述外骨骼机器人是一种可穿戴的仿生机器人，是一种直接供使用者穿戴在体外的机械结构，使用者可以通过该机器人获得充分的动力，从而增强使用者的运动能力。穿戴式下肢外骨骼机器人不仅仅应用于医疗领域，在军事方面也有着广泛的应用。穿戴式下肢外骨骼机器人是机器人领域的一个新的分支，越来越多的单位加入到这个领域，也取得了很大的成就。穿戴式外骨骼机器人涵盖了机械设计学、机器人学、仿生学、运动学等多学科的知识，同时涉及传感器、控制、信息处理等技术1。1.3外骨骼机器人的国内外研究状况1.3.1 国内发展状况我国对外骨骼下肢助力机器人的研究开始于20世界初，目前正处于起步阶段，还有很多技术不够成熟，仍需继续努力。目前有许多高校和科研院从事这项研究。我国从事这一方面的单位主要有中科院合肥智能机械研究所、浙江大学、上海大学等。清华大学是我国最先展开外骨骼机器人研究的机构之一，经过不断的实验研究和探索，最终研发出多款外骨骼机器人。这些外骨骼机器人可以帮助上下肢体有伤残的人群正常的运动，其中截瘫步行机适用于下肢功能残障的患者2，其结构如图1-1所示。图 1-1 清华大学截瘫步行机自2004年起，中科院合肥智能所机器人传感实验室大力发展对穿戴式下肢机器人的探索。采用理论分析、仿真分析、模型试验相结合的研究方式，对可穿戴负重机器人的结构设计、感知和控制方法等进行了阐述，取得了相应的成果3。并研制出一款可穿戴型步行助力机器人原型样机，如图1-2所示，该设计可为使用者提供额外的动力，辅助使用者加强下肢运动的能力，从而能够进行正常的下肢运动。图 1-2 中科院合肥所研制的外骨骼机器人浙江大学杨灿军教授等人在穿戴式下肢外骨骼机器人方面进行了大量研究，并取得了相当显著的成果。其实验室样机如图1-3所示，包含主动控制和被动控制两种形式。在外骨骼主动形式下，提出了基于足底压力信号来识别人体运动意图的自适应模糊神经网络（ANFIS）理论4，运用此理论可以有效判断使用者行动意图，从而实现辅助人体行走的功能。 图1-3 浙江大学下肢康复外骨骼原型1.3.2 国外发展状况据了解，国外在下肢外骨骼机器人这个领域的研究较早，早在20世界60年代末期，美国和前南斯拉夫就已经进入了对这方面的研究。目前，世界上多个国家跻身于外骨骼机器人这个领域当中，而研究相对成功的有美国、日本等国家。在这些国家中，美国的研制水平是相对最高的。在2000年，美国政府启动了“外骨骼增强人体体能表现”计划，该计划共投资5000万美元，从而资助了很多单位对穿戴式机器人的探索和研发，加快了许多单位在这个领域的研发，经过不断的探索，最终研发出了“XOS”系列负重机器人、BLEEX机器人、HULC机器人等。使用这些机器人可以有效地帮助人们减轻负重，同时未使用者提供了充分的动力，帮助他们正常行走。BLEEX机器人主要是由：驱动系统、机械机构、控制系统及背包等部分组成，设计过程中采用拟人化设计，而且机器人的每条下肢具有7个自由度，可以完成人体下肢所能完成的动作，液压缸为其提供动力。经过不断的改进，在BLEEX的基础上，伯克利又研制出第二代产品和。随后，伯克利又与洛克希德马丁公司合作于2009年推出第三代产品KULC，又被称为人类负重外骨骼，结构如图所示。2002年，在日本筑波大学实验室HAL系列穿戴式助力机器人系统被研制出。其设计目的是辅助下肢残障者能够正常行走，利用这一系统，很多下肢有伤残的患者都可以重新站起来。HAL机器人主要由外骨骼腿、电池、传感器等部分组成。与BLEEX机器人不同的是，HAL机器人是通过穿戴者腿部电信号来预测其行走趋势，从而实现辅助功能。 图1-4伯克利下肢外骨骼BLEEX 图1-5 人类负重外骨骼HULC 图1-6 HAL外骨骼机器人通过查阅相关资料，我们可以看出国外在穿戴式下肢外骨骼机器人的设计和动力学方面进行了大量的研究，并取得了相应的成果。但是在我国，对于外骨骼机器人这个领域的研究还是较少，在一些技术上还是不够成熟，与国外相比还是具有很大差距。1.4课题的研究内容本课题的研究对象是穿戴式下肢负重外骨骼机器人，通过建立人体坐标，对人体下肢在各个平面内的运动进行分析以及人体下肢生理学结构分析，从而进行结构设计。整个论文的主要工作有：1. 外骨骼机器人总体方案设计本文的重点是进行穿戴式外骨骼机器人的机械结构设计，首先要确定机器人的整体结构设计方案，通过分析人体下肢的结构特点和人体正常运动的条件，确定机器人的自由度和结构参数，选择驱动方式。2. 动力学分析与仿真在动力学方面，我们将利用相关的软件对所设计的穿戴式机器人的机械结构进行一定了力学性能分析，保证机器人的稳定性和安全性。利用Creo三维仿真软件进行零件的装配，并进行仿真分析。第二章 穿戴式下肢外骨骼机器人设计理论及方案2.1人体下肢骨骼生物学结构在研究人体运动学方面，首先要建立参考系，根据查阅的资料得知人体常用的三维坐标系如图2-1所示。人体解剖学中定义了三个相互正交的基本面，分别是：矢状面、额状面（冠状面）、水平面（横切面）5。矢状面是将人体自上而下纵切分为左右两部分的截面，额状面（冠状面）是将人体自上而下纵切为前后两部分的截面，水平面（横切面）是将人体横切分为上下两部分的截面。这是人体的三个基本面，人体全身自由度多，所以可以完成复杂多样的动作，如果要全部进行分析会非常困难，而本课题所研究的穿戴式下肢外骨骼机器人只需要分析人体下肢在矢状面内所完成的运动，这样会使整个过程变得简单，从而进行外骨骼机器人的结构设计和力学分析。人体解剖学中不仅定义了三个平面，还有三个基准轴，分别是：额状轴、矢状轴和垂直轴。其中，额状面与矢状面相较的轴线称为垂直轴，额状面与水平面相交的轴线称为额庄轴（冠状轴），水平面与矢状面相交的轴线称为矢状轴。这就是人体解剖学中的三面三轴，利用这些可以帮助我们更方便的进行人体运动学分析。图2-1 人体基本轴与基本平面图一般人体下肢主要由骨、关节和骨骼肌三部分组成，而决定人体下肢运动状况的主要关节包括：髋关节、膝关节和踝关节。人体下肢主要完成的运动有前进、后退和转向，这些过程都是依靠下肢骨骼、骨骼肌和神经系统来控制的。参与这些运动的主要关节就是髋关节、膝关节和踝关节，这三个关节的结构将会作为设计外骨骼机器人的依据，外骨骼机器人需要完成人体下肢所能完成的运动，所以必须要与人体下肢基本结构相似，且具有相同的自由度。髋关节位于腰部，连接着人体腰部和腿部。髋关节是由一个球形股骨头与髋臼组成，属于杵臼关节，其结构如图2-2。髋关节内脂肪较多，会随着关节内部压力的变化而被挤出或吸入，从而维持关节内部压力的平衡。髋关节是一个多轴性关节，可完成多方相的动作，髋关节可以实现屈伸、收敛和旋转等多方向的运动，是全身位置最深的关节，具有重要的负重和活动功能。图2-2 髋关节膝关节由股骨内、外侧踝和胫骨内、外侧踝及髌骨组成，是人体最大且结构最复杂的关节，属于滑车关节。膝关节是连接大小腿的关节，这一关节处的韧带较多，所以膝关节绕垂直轴的运动幅度小。伸直时，由于韧带拉紧，故不能作旋转运动。因此可认为膝关节只有一个自由度，只做屈伸运动。2-3 膝关节踝关节由胫骨远侧端关节面、腓骨远侧端关节面和骨滑车关节面构成，如图2-4，踝关节的运动范围较小，可实现足部的伸屈和内外翻的运动。 图2-4 踝关节2.2人体正常步态分析人体的行走过程主要是髋关节、膝关节和踝关节带动整个身体来完成的，进行步态分析可以知道人体下肢的步态是否正常，有着十分重要的作用，也是进行穿戴式下肢外骨骼机器人设计的前提。为了使设计的穿戴式下肢机器人能够实现辅助下肢残障者正常运动，我们需要对人体下肢进行步态分析。人体正常的行走过程包括为两个阶段：支撑期和迈步期。详细的步态周期过程如图2-5所示，所谓的步态周期是指人体行走过程中一只脚脚跟着地到这只脚脚跟再次着地所经历的时间。每个步态周期人体下肢都经历了两个阶段，支撑期和摆动期。从脚趾着地到脚尖离地成为支撑期，约占整个步态周期60%。脚趾离地到脚跟再次着地为摆动期，约占整个步态周期40%。在正常人体行走过程中，有一时期双脚都与地面接触，其中一只脚蹬地，一只脚站立，这一时期称为双支撑期。图2-5 人体步态周期2.3外骨骼助力机器人运动参数确定穿戴式下肢机器人是应用于各种人群，所以其结构需要设计为可调式。通过查阅相关资料，我们能够了解人体下肢基本结构，而且能够得到人体的具体尺寸数据，如表2-1，从而为机器人的设计提供参考。表2-1 人体下肢部位基本尺寸人体下肢部位理论尺寸范围髋部宽273374大腿410496小腿328407足长219272足宽84105穿戴式下肢负重外骨骼机器人是应用于不同身高的人群，所以机械结构的大小腿连杆及腰部连杆需要设计成可调节式的，根据表2-1提供的数据，确定外骨骼机器人合理尺寸大致设定为：大腿杆调节范围为410至490mm,小腿杆调节范围为310至390mm,腰部调节范围：280至340mm人体下肢所完成的各种运动均是由骨盆、大腿、小腿和足这四部分的运动组成，以髋关节、膝关节和踝关节三个关节连接。下肢各关节的运动主要分为：屈/伸、外展/内收、回旋,各个关节的运动都是在一定的范围内，从而保证人体的平衡。经过整理可以得出各个关节相应运动的范围，如表2-2。表2-2 人体下肢各关节运动范围下肢关节关节运动范围髋关节屈/伸-12065内收/外展-30-40旋内/旋外-15-60膝关节屈/伸-1200踝关节背屈/趾屈-1420内翻/外翻-30202.4外骨骼机器人的自由度分配人体在行走过程中，下肢的运动主要是在矢状面内产生，而下肢其他的运动及身体其他部位的运动都是用来保证人体平衡，所以在设计过程中，我们对这些动作不进行分析。对于外骨骼机器人的结构设计，为了能实现在矢状面内各个关节的运动，我们采用三个扭转活动副，并分别安置在机器人的三个关节的相应位置，用来模拟三个关节的转动。外骨骼机器人的设计需要满足人体下肢的正常运动，所以在其三个主要关节处要合理选取自由度。髋关节主要是实现下肢的屈/伸运动，但为了保证下肢外骨骼机器人穿戴更加舒适，辅助治疗效果更好，设计中在髋关节处设置了2个自由度。膝关节是人体结构中较为复杂的一个关节，为了简化分析，我们仅考虑膝关节在矢状面内的屈/伸运动，故设置1个自由度。踝关节是一个主要运动轴，绕额妆面做背屈趾/屈运动。由于脚掌关节结构复杂，而穿戴式下肢机器人设计中多作为单自由度分析，故设置1个自由度。综上分析，外骨骼机器人工具有8个自由度，髋关节2个，膝关节1个，换关节1个。2.5外骨骼机器人的总体方案设计可穿戴式下肢负重外骨骼机器人主要是应用于下肢残障者，帮助他们正常运动的一种机械装置。其结构设计十分重要，我们应该确保可穿戴式下肢负重外骨骼机器人的使用效果和安全性能。在对可穿戴式下肢负重外骨骼机器人的设计时，应遵循以下原则：1. 可穿戴式下肢外骨骼机器人的设计必须保证各个关节处的自由度与人体下肢自由度一致，结构相同，能够实现人体下肢所能实现的运动。2. 可穿式外骨骼机器人是应用于广泛人群，所以其设计必须满足广大群众的身高特点。由于人类的身高不同，所以可穿戴式下肢负重外骨骼机器人在尺寸结构方面应设计成可调节的，从而满各种人群使用。3. 可穿戴式下肢负重外骨骼机器人应具有重量轻、体积小、易携带、坚固耐用等特点。综合以上理论分析，设计出可穿戴式下肢负重外骨骼机器人并利用Creo建立三维模型。如图2-6所示。图2-6 外骨骼机器人整体建模2.6本章小结本章首先介绍了下肢外骨骼机器人仿生机理研究，包括建立人体下肢三个主要关节的机构设计，分别是髋关节、膝关节、踝关节。同时进行了正常人体步态分析和各个关节运动参数。确定了可穿戴式下肢负重外骨骼机器人的机构自由度、杆长及各关节允许活动范围，设计了下肢外骨骼机器人的总体结构方案。第三章 外骨骼机器人结构设计3.1外骨骼机器人结构组成穿戴式下肢外骨骼机器人主要功能是辅助下肢残障患者能够正常行走运动，所以在设计其机械结构时应该尽量拟人化。而人体下肢运动主要是由髋关节、膝关节和踝关节三个主要的关节起到作用，所以外骨骼机器人主要由三大部分组成，分别是：踝关节、膝关节和腰部连接，三个主要关节的设计主要是由人体下肢实际运动时的自由度来进行设计。设计的三部分机械结构如图3-1所示，穿戴式机器人主要机械结构就是这三部分，其余结构都是为了辅助整个结构的平衡和稳定性。所以在后续的设计中，我们要着重这三个主要部分的设计，不仅在尺寸上要准确，在结构上也要做到简单耐用。a 腰部结构 b 足部结构 c 腿部结构图3-1 外骨骼机器人基本结构3.2髋关节的结构设计髋关节可以完成屈伸、收敛和旋转等运动，具有三个自由度，但其主要运动是在矢状面的屈伸运动，因此我们将髋关节在矢状面内完成的运动视为主要运动，其他运动视为辅助运动。在整个设计过程中，需要对各个关节的运动进行限位，使其在一定范围内完成。髋关节分为两部分组成：可调节的腰部和背部负重，腰部基本尺寸为：长280mm，宽100mm。如图3-2所示。在腰部零件的两端设计了辅助调节宽度的两个零件，如图3-3。在设计过程中，我们将背部负重支撑的部分掏空，从而达到减轻重量的目的。同时将腰部的四个角设计为圆角，不仅减材而且美观，更好地为使用者提供帮助。图3-2 腰部零件图3-3 腰部调节零件髋关节要连接腰部和腿部，而且需要满足屈伸和内翻/外翻两个自由度，所以我们将采用如图3-4所示的结构，这样就可以满足两个自由度，实现髋关节的伸屈和内翻/外翻的运动。髋关节处的设计虽然保证了两个自由度，实现下肢两个自由度内的运动，但是该设计还是存在一定的问题，不能精确地限制自由度的范围，所以需要进一步优化、改善。3.3膝关节的结构设计在设计过程中，我们将膝关节部分进行了简化，将其设计成单自由度结构，只做屈伸运动，从而使整体结构相对简单。通过轴和轴承连接大腿和小腿，实现屈曲/伸展运动功能，结构如图3-5。图3-5 膝关节膝关节主要是连接大小腿的关节，大小腿的设计如图3-6所示。大小腿的设计是可调节的，小腿的调节范围是：330至400mm，大腿的调节范围是：410至490mm。图a 小腿零件图 图b 大腿零件图图3-6 大、小腿零件图腿部的设计和腰部类似，由于可穿戴式下肢外骨骼机器人是应用于广泛人群，所以我们把腿部的设计分成两部分，一部分是基本长度，另外一部分便是调节长度，这样就可以是腿部在一定范围内进行调节，从而在尺寸上能满足更多患者使用。3.4踝关节的结构设计外骨骼负重机器人下肢运动时，虽然踝关节屈/伸的角度较小，但是踝关节会受到不断变化的支撑反力，如果不限位会造成一定的危险。因此在踝关节的设计方面需要增加一个缓冲装置对运动进行缓冲，如图3-6。图3-6 踝关节结构 图3-7 踝关节简化在踝关节的设计上，为了保证踝关节不收到支撑反力的损坏，需要进行设计缓冲装置，我们选取气弹簧作为缓冲装置，可将踝关节的结构简化为图3-7，进行分析计算。设计中可测量得知L2、L3的长度，然后进行求解几何，确定L1长度。计算公式如下： 公式3.1式中L1表示气弹簧的长度。L2表示足部连接中心到踝关节连接中心，L3表示气弹簧上端到踝关节连接中心。气弹簧的行程及长度可以经过计算得出，其中踝关节的自由度限制范围【-14， 20】，而L2、L3可经过测量得知，0=120，经过计算可得出L1的长度范围90mm至110mm，总长度为110mm，采用球头连安装在踝关节上。有了缓冲装置的设计，减少了踝关节在受到地面支撑反力而造成的损坏，更好的保护使用者的安全。3.5外骨骼机器人驱动方式选择外骨骼机器人的驱动方式对其十分重要，驱动方式的选择应满足动态性能好、响应速度快。而且应该具有高灵敏度、便于安装、质量轻、可靠性能高等特点。目前，机器人所使用的驱动方式主要是：电机驱动、气压驱动和液压驱动三种方式。（1） 液压驱动：液压驱动系统应用灵活，可根据实际需要合理布置，液压驱动最突出的特点是响应速度快，重量轻，动态性能好，操纵控制方便等。但是液压油易泄露，容易造成环境污染，而且维护不便。（2） 气压驱动：气压驱动是以压缩空气为介质，以气源为动力的驱动形式，这种驱动方式具有：使用寿命长、环保、结构简单、容易控制等优势。但是在使用过程中有较大的噪音，且驱动精度低，所以不将其应用在外骨骼机器人。（3） 电机驱动：电机驱动与前两者相比更适合应用在外骨骼机器人，因为电机驱动传动效率高、便于维护、控制简单。综上所述，选用电机驱动作为穿戴式下肢机器人的驱动方式，这样便于控制，而且效率高。我们可采用集成电机、减速器及丝杠螺母机构的电动缸作为驱动执行器。3.6本章小结本章分析了穿戴式下肢机器人各关节运动的实际情况，并以此为依据设计了外骨骼机器人的髋关节、膝关节和踝关节这三个部位的机械结构，并对外骨骼机器人的驱动方式进行了分析和选择。第4章 外骨骼机器人Creo仿真分析4.1 Creo仿真软件概述Creo一款三维设计软件，可实现零件的三维建模、分析和可视化等功能，操作简单，使用方便。本设计主要应用这款软件进行外骨骼机器人零部件的机械机构设计及装配，并利用其进行了机器人各个关节在力学方面的一些分析，从而保证外骨骼机器人在使用过程中的可靠性和安全性。 4.2运动仿真分析为保证穿戴式下肢外骨骼机器人机械结构各个部分的安全性能，能更好的帮助下肢残障患者使用，我们利用Creo三维软件进行了相应的分析。我们用到了Creo三维软件的Simulate这一功能，对部分零件进行了有限元分析，主要是分析腿部膝关节和踝关节的形变、应变、应力等因素。利用三维软件可以直观的观察出各部分零件在设计过程中存在的问题。有限元分析步骤如下：1 首先提取简化的下肢外骨骼机器人的结构设计，选择所有模型，设置零件的材料为钛。2 对选取的模型进行约束和施加负荷。3 对该模型进行静力学分析，主要包括应变、应力和刚度分析。外骨骼机器人的结构主要有三个部分，我们需要对这三个部分进行有限元分析，分析这三个部分在受到一定载荷时的应力、应变和形变情况，从而分析所设计的结构是否合理。利用有限元分析可以有效地保证外骨骼机器人的结构设计满足强度要求，提高外骨骼机器人的安全性。4.3踝关节有限元分析为使穿戴式下肢机器人的踝关节机械结构能满足使用者的要求，具有较好的强度和安全性，我们对下肢骨骼机器人的踝关节进行了有限元分析。首先选取踝关节的结构设计模型，在Creo三维软件中选择Simulate功能菜单，对踝关节进行材料设置，然后进行材料方向的选择和载荷的设置，完成这几步就可以建立静态分析来查看结果。因为外骨骼机器人的驱动方式为电机驱动，机器人需要保证高强度。因此选择材料为钛合金，钛合金具有高强度、耐热性、质量轻等优点，下表是钛合金和常用的45号钢性能参数的对比。表4-1 钛合金和45钢性能参数性能钛合金45钢密度4.51g/cm37.85g/cm3抗拉强度441Mpa600Mpa屈服强度373Mpa355Mpa泊松比0.30.27 由表可知，钛合金的质量大概为45钢的一半，重量上比45钢更适合作为踝关节的加工材料，在屈服强度这一性能上钛合金比45钢高，所以我们选取钛合金作为穿戴式下肢机器人零部件的加工材料。以此保障穿戴式机器人的强度和安全性，更好辅助下肢残障患者进行正常运动。图a 形变图 图b 应力图 图c 应变图图4-1 踝关节有限元分析如图4-1是踝关节有限元分析的结果，从图中可以看出在踝关节连接部位的设计基本合格，但如果承受载荷过大会使其发生形变，可能会影响到外骨骼机器人的整体结构，所以需要进行优化，使其在结构上能承受更大的载荷。但是踝关节的应力、应变均满足要求，所以踝关节的机械结构设计需要进一步改善，从而达到设计的目的。4.4 膝关节有限元分析踝关节对下肢外骨骼机器人的结构很重要，但是另外两部也不能忽视，所以在进行了踝关节的有限元分析，我们需要对另外的部分进行分析，从而能更好的保护使用者安全。应用同样的方法，我们将进行对膝关节的有限元分析，虽然膝关节只做屈伸运动，但其在结构上也必须具有较好的强度，这样才能更好的将大腿和小腿两部分连接在一起。分析结果如图所示，从图中我们可以看出膝关节结构的应力、应变都在正常范围内，所以设计的机械结构部分满足可靠性的要求。通过有限元分析，我们确定了外骨骼机器人的机械结构设计基本可行，但是部分地方需要进行优化改进，是整体设计能更加方便、实用。图a 形变图 图b 应力图 图c 应变图图4-2 膝关节有限元分析以上就是对腿部膝关节的有限元分析，从结果来看，设计还是可行的，但是我们仍需要不断的努力学习，完善自己设计，使今后设计出来的外骨骼机器人可以造福更多的人。4.5本章小结本章主要应用Creo三维软件对穿戴式下肢外骨骼机器人的机械结构进行了有限元分析，验证了下肢外骨骼机器人的强度和刚度。第5章 结论本课题主要是设计一种可穿戴式下肢负重外骨骼机器人来帮助那些下肢残障的患者进行康复治疗，有助于他们能正常行走。论文中提出了穿戴式下肢机器人的整体设计方案和思路，分析了人体下肢在运动过程中的自由度和运动特征，从而设计了下肢外骨骼机器人的三大关节：髋关节、膝关节和踝关节，并对其进行了动力学建模和运动学分析，利用Creo三维软件对其进行了运动仿真。主要研究成果如下：（1） 通过查阅资料，了解了国内外在外骨骼机器人方面的研究，并提出了下肢外骨骼机器人的设计方案，考虑到穿戴式下肢机器人应用于广泛人群，故将其设计为可调节式的，为了确保外骨骼机器人的安全性和可行性，我们对其运动范围进行了相关约束。（2） 在动力学分析方面，主要采用三维软件对穿戴式下肢外骨骼机器人的三个主要关节进行了相应力学性能的有限元分析，保证了机器人整体的力学性能，提高整体的安全性。参考文献1 张佳帆，陈鹰，杨灿军. 柔性外骨骼人机智能系统M.北京：科学出版社，2011，64-76.2 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）.3 张志成. 外骨骼下肢助力机器人技术研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.4 方郁. 可穿戴下肢助力机器人动力学建模及其控制D.合肥：中国科学技术大学，2009.5 赵豫玉. 穿戴式下肢康复机器人的研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.6 刘涛，杨国平，曹国俊 基于ADAMS的高频破碎锤振动箱的动力学仿真7 教文刚. 基于MATLAB的运动学、动力学过程分析与模拟M.北京：科学出版社，2013.06.8 Ferris D P,Czemjecki J M,Hannaford B.An Ankle Foot Orthosis Powered by Artificiak Pneumatic MusclesJ.Journal of Applicd.Biomechanics,2005.9 Jerry Pratta,Ben Krupp,Design of a bipedal walking robot10 王企远, 步行康复训练机器人助行腿的步态规划与运动控制D.上海：上海大学,2011.11 赵彦峻,徐诚. 人体下肢外骨骼设计与仿真分析J.系统仿真学报.2009.12 蔡兆云,肖湘江.外骨骼机器人技术研究综述J.科学与技术.200713 McGeer T.Passive Dynamic WalkingJ.International Journal df Robotic Research.199014 蔡自兴,机器人学M,清华大学出版社,2000.15 丁玉兰,人机工程学M.北京：北京理工大学出版社,200516 J. 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Weapon Equipment Research Institute, China South Industries Group Corporation, Beijing 102202, ChinaAbstractAn electrically actuated lower extremity exoskeleton is developed, in which only the knee joint is actuated actively while other joints linked by elastic elements are actuated passively. This paper describes the critical design criteria and presents the process of design and calculation of the actuation system. A flexible physical Human-Robot-Interaction (pHRI) measurement device is designed and applied to detect the human movement, which comprises two force sensors and two gasbags attached to the inner surface of the connection cuff. An online adaptive pHRI minimization control strategy is proposed and implemented to drive the robotic exoskeleton system to follow the motion trajectory of human limb. The measured pHRI information is fused by the Variance Weighted Average (VWA) method. The Mean Square Values (MSV) of pHRI and control torque are utilized to evaluate the performance of the exoskeleton. To improve the comfort level and reduce energy consumption, the gravity compensation is taken into consideration when the control law is designed. Finally, practical experiments are performed on healthy users. Experimental results show that the proposed system can assist people to walk and the outlined control strategy is valid and effective.Keywords: exoskeleton, pHRI measurement, data fusion, pHRI minimization, adaptive control1 IntroductionA lower extremity exoskeleton is an automatic device worn by human users to improve strength and en-durance. In recent decades, many advances and progress have been made in the development of wearable exoskeletons. The Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX) was designed to assist people to carry heavy loads, which could walk at the speed of 0.9 ms1 while carrying 34 kg payload1. A single robot leg has four actuators which leads to the complexity and heaviness of the whole system2. The developed exoskeletons latter, i.e., ExoHiker, ExoClimber and HULC, simplify the mechanical structure and reduce the number of active Degrees of Freedoms (DoFs). Those DoFs of joints with the highest power consumption during gait cycles should be actuated while the rest DoFs are passively connected with elastic elements to simplify the system3. Generally, the lower extremity exoskeleton leg is composed of serial or serial-parallel leg segment. A cam-mechanism is implemented in the design of ankle joint of the exoskeleton4. A novel serial-parallel mechanism is designed in a lower extremity exoskeleton to augment load-carrying for walking5,6. However, parallel mechanism will increase the complexity of mechanism and decrease its portability. Compact serial-link mechanisms are utilized in many advanced exoskeletons, e.g., Ekso7 and ReWalk8.The actuation system design and development is a significant aspect for the exoskeleton. There are several popular actuation system modes that have been applied in lower extremity exoskeleton, including hydraulic actuators, electrical motors, serial elastic actuators and pneumatic muscle actuators. Torque-mass ratio, velocity, range of motion and control ability are significant specifications when choosing actuators for exoskeletons9. Hydraulic actuators and electrical motors are utilized frequently due to their high torque-mass rates10.Comprehensively, electrical motors are suitable for exoskeletons due to its wide range of motion, ease of control and maintenance, and simplicity of the system. Normally, the electrical motors are placed parallel with the joint of mechanical legs, which causes increment of structure complexity. Different from the traditional electrical actuators, a novel electrical actuator consisting of DC motor, gear pair and ball screw is developed, which has a more compact mechanical structure com-pared with the traditional actuator.pHRI-based human motion intent estimation is a critical step for the exoskeleton control. It is essential to get an accurate measurement of the pHRI for the robotic exoskeleton control and the assessment of the assistance grade11. The connection cuff is a widely-used device to fasten the human limb to the exoskeleton, which affects the wearing comfort and the walking performance. A flexible connection cuff is a suitable device to interact with the human user. A flexible sensor technique is developed to measure the pHRI pressure, where the sensory system is composed of several optical-electronic sensors12. The system has at least six sensors on the surface of the cuff. The pHRI force can be measured by a strain gauge, where a circle sensor is utilized13. How-ever, the structure of the interaction cuff is complex and has multiple sensors. In this work, a flexible pHRI measurement device is designed and applied in the robotic exoskeleton control, which is composed of two gasbags and one force sensor connected to each gasbag. The gasbag can enlarge the interaction area and guarantee that the pHRI can be measured easily. In addition, the usage of gasbag can increase the wearing comfort and adapt to different human users.The control strategy design is the core issue for the exoskeleton. Control strategies can be divided into three categories according to methods of estimating human motion intent, i.e., approaches based on signals measured from the human body, approaches based on inter-action force measurement and approaches based on signals measured from exoskeletons14. In order to guarantee the natural gait of human users, sensitivity amplification control, model-based control and hybrid assistive strategy are suitable for load-carrying task15.However, se