毕业设计（论文）-助力式下肢外骨骼机器人的结构设计

助力式下肢外骨骼机器人的结构设计与分析作 者 姓 名： 指 导 教 师： 单 位 名 称： 专 业 名 称： Structural design and analysis of the lower limb exoskeleton robot 设计任务书设计题目：助力式下肢外骨骼机器人的结构设计与分析基本内容：1. 针对设计内容，查阅相关参考文献30篇以上，其中外文文献不少于30%；2. 设计内容主要包括：机器人整体外形设计；各机构的连接固定；减速器和电机的选用及计算；3. 用绘图软件SolidWorks绘制三维模型，用CAXA绘制装配图、部装图和零件图合A0图纸4张以上，要求设计的内容合理，图纸规范；4. 翻译1篇与设计课题相关的英文文献；5. 撰写设计说明书1份。设计专题部分：题目： 基本内容：学生接受设计题目日期第1周指导教师签字： 年 月 日ii 摘要摘 要随着科学技术的发展，下肢外骨骼机器人作为一种典型的人机一体化助力装置，在军事领域和生物医学等领域得到了越来越多的重视，是智能机器人的又一重大突破。该研究融合了机器人学、机构学、人机工程、控制理论以及福祉工程学等学科。外骨骼通过提取人的运动信息控制机器腿，通过机器腿来完成依靠人的自身能力无法完成的负重、远行等任务。此外，下肢外骨骼机器人也可以用来检测人体的运动信息，通过深度学习辅助残患人士行走，以达到康复治疗的目的。本文查阅了国内外相关研究的文献资料，了解了国内、外相关研究的背景、研究进展和未来的总体发展方向，总结了人体下肢骨骼模型和下肢骨骼的运动机构特征、步行运动的序列、步行过程中的关节功能等，建立了下肢外骨骼三维模型，并对外骨骼的髋关节、膝关节和踝关节等重点关节结构进行了详细设计。外骨骼机器人在运动过程中需要与人体正常运动保持高度的一致性，因此考虑穿戴者的舒适性以及人机工程学设计了各关节的自由度以及杆长可调机制。通过介绍不同驱动方式的优缺点最终确定电机以及减速器方案并通过分析所得驱动力矩和功率完成电机以及减速器的选型。为适应不同的路况，在足底设计了缓冲避震装置，以保证穿戴者在行走过程中的舒适性和平稳性。关键词：下肢外骨骼；结构设计；步态规划；缓冲避震iii AbstractAbstractWith the continuous development of science and technology, lower extremity exoskeleton robot as a typical man-machine integrated power plant, in the biomedical and military fields have been more and more attention, is a major breakthrough in intelligent robots.The study incorporates disciplines such as mechanics, ergonomics, robotics, control theory, and welfare engineering. This kind of exoskeleton relies on human motion information to control the robot, through the robot to complete the ability to rely on their own can not be done alone load, travel and other tasks. In addition, exoskeleton robots can also be used to detect the movement information of the body, through the depth of learning to assist disabled people walking to achieve the purpose of rehabilitation.This paper reviews the literatures of relevant research at home and abroad, investigates the background, research progress and future development of domestic and foreign research. It summarizes the characteristics of the movement of the lower limb and the movement of the lower limb, the sequence of walking, The joint function of the process, the establishment of the lower limb skeleton three-dimensional model, and the exoskeleton of the hip, knee and ankle joint structure such as the focus of the design. The skeletal robots need to maintain a high degree of consistency with the normal movement of the human body during exercise. Therefore, considering the comfort of the wearer and the interpersonal engineering, the freedom of each joint and the mechanism of adjusting the length of the joints are designed. Through the introduction of the advantages and disadvantages of different drive methods to determine the final motor and reducer program and through the analysis of the drive torque and power to complete the motor and reducer selection. In order to adapt to different road conditions, in the foot of the design of the cushioning device to ensure that the wearer in the process of walking comfort and stability.Key words：Lower extremity exoskeleton；Structural design；Gait planning；Buffer shociv 目录目录设计任务书i摘 要iAbstracti第1章 绪论11.1选题背景与研究意义11.2 国内外研究现状及发展动态21.2.1 国外研究现状及发展动态21.2.2 国内研究现状及发展动态41.3 本课题的提出及论文结构51.3.1 主要内容51.3.2 论文结构6第2章 人体下肢运动机理分析72.1 人体下肢解剖学概述72.1.1 名词术语解释72.1.2 下肢各关节运动特点分析82.1.3 步态周期时相分析112.2 负重行走对步态的影响112.3 下肢外骨骼设计要求12第3章 外骨骼结构设计与三维建模133.1 零件的三维模型153.2 下肢外骨骼装配183.3 各个关节设计203.3.1 髋关节设计20v3.3.2 膝关节设计213.3.3 踝关节设计223.3.4 限位装置设计243.4 腿杆设计243.5 背部承物架设计253.6 缓冲足底设计263.6.1 概述263.6.2 缓冲足底三维模型273.6.3 脚跟设计283.6.4 脚趾设计293.7 外骨骼三维模型30第4章 减速器和电机的选择314.1 驱动系统的确定314.2 驱动电机、减速器的选择计算32第5章 关键零部件的计算与校核355.1 直齿圆锥齿轮的计算与校核355.2 轴的计算与校核385.3 轴承的校核405.4 腿杆的校核42第6章 环保与经济性分析45第7章 总结与展望467.1 总结467.2 展望46参考文献47vi结束语49vii第1章 绪论第1章 绪论1.1选题背景与研究意义下肢骨骼是一种能够对生物柔软器官提供进行构型、建筑和保护的外部框架结构。下肢外骨骼机器人是一种可穿戴的仿生机器人，即穿戴在人身体外部的一种机械结构，它可以为穿戴者提供支撑、保护和运动增强的能力。传统轮式交通工具是目前机器负重和远行的主要方式，而且其对路面环境要求较高。在很多领域无法成功完成预定目标，例如在军事行动、科学考察、消防营救等领域1。随着研究的深入开展，人们发现受现有控制方法和环境感知的限制，类人型机器人有着严重的缺陷，包括决策和与人体的高度结合的能力2。因而将人的智慧与机器所具备的强大机械能量结合起来，组合成为一个封闭体，将会带来前所未有的变化，而外骨骼机器人正是这样一种综合体3。研发助力式外骨骼机器人为穿戴者提供强大的力量和耐力来加强长距离行走和负重能力，从而完成一些特殊任务。助力式下肢外骨骼机器人由于其自身的商业和军事应用价值，近年来已成为国内外科学工作者的一个重点研究领域。在军事上，单兵装备越来越先进，随之产生的问题就是装备体积和负重的增加。通过穿戴外骨骼，士兵的装备负重可以经过下肢外骨骼结构直接传递给地面，这让士兵背负重物灵活行走成为现实。通过穿戴下肢外骨骼，士兵可毫不费力的完成装填炮弹、运送伤员和长距离奔袭等紧急任务，在这过程中基本不会消耗士兵体能，从而使士兵的战斗力大量增加，真正成为战场上毙敌制胜的核心力量。此外，随着社会发展，我国已经成为世界上老年人口最多的国家。据联合国统计，到本世纪中期我国超过60岁的人口有近5亿，随着年龄增长，老年人各种生理功能衰退和交通事故不断增加，中风、偏瘫、截瘫等患者也不断增加，致使这类人群下肢运动功能出现障碍，生活质量急剧下降，使家庭和社会的负担越来越重。此时如果有下肢外骨骼机器人的辅助，帮助此类人群行走、上下楼梯和适当负重等，其一方面可以提高老年人的生活质量。另一方面可减少护理人员很大一部分工作量，从而缓解社会劳动力不足的压力。因此本文设计的是一种可穿戴的助力式下肢外骨骼仿生机械腿，它可以把人体下肢和机械腿有机的结合起来，以人为中心，根据穿戴者的意愿来控制机器的行走，同时提高穿戴者搬运重物和行走的能力。本文设计的外骨骼，可以根据使用者自身的身体情况进行调节。1.2 国内外研究现状及发展动态1.2.1 国外研究现状及发展动态下肢外骨骼机器人在欧美和日本等发达国家得到了医疗机构和科研工作者的高度重视，如：2002年，日本筑波大学Cybemics实验室成功研制了HAL（Hybrid Assistive Limb）外骨骼机器人系统，HAL是一种混合辅助下肢体系列的可穿戴型外骨骼机器人系统，如图1.1所示。HAL由腿部、背包、电池、一系列的传感器和可携带的计算机共同组成。这种装置可以让穿戴者以1.1m/s的速度行走，它集合了多种信号传感器包括肌电信号传感器、角度传感器、地面接触力传感器等。HAL可以通过收集腿部肌肉的肌电信号来判断穿戴者将要发生的运动。然后便携计算机组对驱动系统发出指令使驱动电机产生相应的运动。此后筑波大学又相继研制成功了各种HAL系列机器人。HAL-3可以辅助穿戴者完成生活中的基本动作，例如行走、爬坡等。2004年世界博览会上筑波大学展出了HAL-4和HAL-5系列机器人，这些外骨骼机器人不仅能帮助穿戴者行走，而且机构的上半部分还可辅助穿戴者的手臂完成简单动作。HAL-5几乎可以帮助穿戴者完成生活中的一切活动。HAL-3的质量为22kg，HAL-4的质量为17kg，HAL-5的质量为15kg4，5，此外HAL系列机器人的脚踝部分能够吸收大部分的重量。图1.1 HAL助力外骨骼美国国防部高级研究项目局（Defense Advanced Reserch Projects Agency，DARPA）在2000年投资5000万美元用于资助对能够增强人体体能的外骨骼（Exoskeleton for Human Performance Augmentation，EHPA）的研究与开发工作6，准备研制一款可穿戴的能与穿戴者相适应的下肢外骨骼系统。士兵在穿戴外骨骼后，可以背负约180kg的军用装备连续行走4个小时，且行军速度有明显提升。在战争中下肢外骨骼可以大大增强士兵的作战能力，同时能在士兵受伤情况下帮助士兵以正常速度行走。有研究表明，士兵穿戴重量为45kg的外骨骼，同时负重35kg的重物行走，穿戴者感觉到的重量只有3kg。美国国防部高级研究项目局共资助了多家科研机构，其中四家研究机构负责设计完整的外骨骼系统，这四家机构分别是Millennium Jet公司、橡树岭国家实验室（ORNL）、SARCOS机器人公司和加州大学伯克利分校的人体工程实验室（HEL），其他一些研究机构主要负责研究开发适应外骨骼的动力驱动系统和供电设备。加州大学伯克利分校首先在2004年推出了BLEEX（Berkeley Lower Extremity Exoskeleton）下肢外骨骼系统7，如图1.2所示。该外骨骼系统包括两条外骨骼仿生机械腿、一个动力驱动系统和用于负重的背包等。BLEEX使用混合动力，即电池组对随身携带的控制组件供能，同时液压缸驱动双腿行走。整个外骨骼系统上配备有40多个传感器和4个液压驱动装置，这些共同构成了一个封闭体系，传感器向计算机控制组件提供信息，控制器则根据这些信息掌握穿戴者当前的状态，并进行实时调整。图1.2 BLEEX下肢外骨骼机器人1.2.2 国内研究现状及发展动态国内对下肢外骨骼机器人的研究起步较晚，科研机构有限，相对于国外而言，在这方面仍处于初期阶段。近年来，随着科学技术的发展和市场需求的增加，下肢外骨骼机器人的研究在国内也得到了越来越广泛的重视，如中国科技大学、哈尔滨工程大学、浙江大学等，并取得了一些有价值的科研成果。中国科学院合肥智能机械研究所于2004年开始了对下肢外骨骼机器人的研究开发工作8，9，现今已研制出了外骨骼样机。该外骨骼结构共设计了12个自由度，其中单腿髋关节有3个自由度，膝关节1有个自由度，踝关节有1个自由度以及足底关节1有个自由度。在髋关节和膝关节屈伸运动处添加了电机驱动装置，这样整个外骨骼系统由4个电机驱动。外骨骼系统的传感系统主要由足底关节的3个一维传感器、髋关节和膝关节处旋转运动的光电编码器以及2个肌电信号传感器组成。其控制思想是传感器通过把采集脚底压力的信号传递给控制器，控制器再结合外骨骼关节位姿信息判断外骨骼当前位姿，对外骨骼进行实时控制。图1.3 浙江大学下肢外骨骼行走机器人浙江大学所属机电研究所开发的一款下肢外骨骼机器人，设计的目标人群是针对中风病人帮助其进行恢复治疗，即可以预防病人的肌肉组织因长时间没有锻炼而造成肌肉萎缩，一定程度上让患者具备重新行走的能力，还能减轻患者长时间训练后带来的肢体疲惫10，如图1.3所示。动力源和传动方式选用电机和滚珠丝杠副将两者连接，把电机的转动滚珠丝杠转变成直线的形式，来推动肢体运动。该机构使用了减重吊架来实现减重的效果，整个机构包括髋关节和膝关节两部分，未考虑踝关节部分。目前。这款设备已经可以很好地应用被动控制模式，正在进行半被动控制法的研究开发工作。哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室研发了一种外骨骼机器人样机，如图1.4所示。该样机下肢机构通过仿生学分析方法设计，并采用直流无刷电机对髋关节和膝关节进行驱动11。控制方法基于下肢外骨骼动力学模型求逆的方法消除穿戴者对外骨骼人体的作用力；然后采用ADAMS对下肢行走过程做出仿真验证。（a）辅助平台 （b）机器人本体图1.4 哈尔滨工业大学外骨骼机器人1.3 本课题的提出及论文结构1.3.1 主要内容下肢外骨骼机器人是控制工程、信号处理、信息理论、机器人学、人机工程学和仿生学等多学科交叉的综合体现。本文的主要内容是一些基础性和原理探索性的工作。文章内容主要包括：（1） 人体行走步态分析。本课题在行走步态实验的基础上，对人体行走步态进行归纳分析；在人体下肢解剖学的基础上分析行走过程中的运动学和生物学机理，并通过下肢各运动关节的运动范围和结构特点，确定了下肢外骨骼在结构设计过程中应满足的条件。（2） 下肢外骨骼机构的总体设计与三维建模。首先确定各关节的运动类型和自由度数，设定各关节安全运动范围。继而进行本体机构的构造设计，包括髋部机构设计，外挂膝关节副设计，可调性腿部连杆设计和脚踝关节结构设计。（3） 驱动系统的确定以及整体结构的计算与校核。通过分析比较各动力源的优缺点确定外骨骼的驱动系统，然后校核计算确定设计的可行性。1.3.2 论文结构本文以下肢外骨骼为研究对象，首先对人体行走运动机理分析，得出了人体髋关节、膝关节和踝关节的运动特点和关节运动范围，实现了外骨骼机器人设计的理论基础；其次在前文分析的基础上对外骨骼进行了详细设计，包括关节设定、腿杆和足底等，然后对其三维建模；最后对所设计的外骨骼进行了强度的校核。本文主要研究路线和内容如图1.5所示。图1.5 主要研究路线和内容- 51 -第2章 人体下肢运动机理分析第2章 人体下肢运动机理分析由于下肢外骨骼机器人为可穿戴式，工作时直接与穿戴者接触，并与人体一起运动，因此设计时要考虑一定的柔性12。采用人性化的结构设计同时又必须反映出人体关节的运动特点，即仿生。因此在进行下肢外骨骼机械结构设计之前，应先对人体下肢生理结构和行走运动机理进行分析。2.1 人体下肢解剖学概述2.1.1 名词术语解释（1）为研究方便，在人体内构建基本平面和基本轴13。人体的基本平面和基本轴如图2.1和2.2所示。图2.1 人体基本平面 图2.2 人体基本轴矢状面：通过身体前后且与地面垂直的切面，此面将人体分为左右两部分，沿正中线作的矢状切面叫正中面。额状面：通过身体左右径且地面垂直的面，此面将人体分为前后两个部分。水平面：通过人体直立身体且与地面平行的切面，此面将身体分为上下两个部分。额状轴：在额状面内经过人体中心且垂直于矢状面的轴。矢状轴：在矢状面内经过人体中心且垂直于额状面的轴。垂直轴：经过人体中心且垂直于水平面的轴。以上三个轴互相垂直。（2）关节的各种运动人体完成行走及转弯等一系列运动主要由髋关节、膝关节和踝关节的配合运动来实现。解剖实验研究表明，在髋关节和踝关节处有三个自由度，分别是屈与伸、旋内与旋外、外展与内收，在膝关节处有一个自由度，即屈伸自由度。屈/伸：关节在矢状面内绕额状轴的运动，定义腿向前运动为屈，向后运动为伸。外展与内收：指关节在额状面内绕矢状轴运动，远离为外展，收缩为内收。旋内与旋外：指关节在水平面内绕其本身的垂直轴旋转，向内为旋内，向外为旋外。环转：指关节绕额状轴、矢状轴等连续运动。2.1.2 下肢各关节运动特点分析人体下肢的各部分骨骼结构分别通过髋关节、膝关节和踝关节这三个关节的紧密连接而连接在一起，从而组成了人体的下肢骨架14，如图2.3所示。图2.3 人体下肢骨骼结构（1）髋关节 髋关节由髋臼和股骨头组成，属于杵臼关节，如图2.4所示。从形态上看类似球窝环节，运动非常灵活。由于很大程度上它要支撑上身躯干的重量和保持平稳性，因此要求它的牢固性非常高。它的辅助结构还包括各个部分的结缔组织，比如图中骼股结缔组织和耻骨韧带，它们的作用首先是连接骨骼，其次是保证安全性和稳定性，用来限制运动幅度。限制的原理是借助于这些组织紧固坚韧的特性，加上凹陷程度较大的关节窝，这样就可以直接影响每种形式的运动范围。图2.4 髋关节（2）膝关节 膝关节属于人体所有关节中结构最复杂的一类，类属于滑车球状关节15，如图2.5所示。根据生物学的研究膝关节的结构组成分为4个部分，分别是股骨的腂关节面、股骨内侧的腂关节面、髌面和髌骨后面。一般情况下，正常的行走过程中膝关节只有在屈膝状态下才会产生微小的内外旋运动，不过由于旋转角度很小可忽略不计，所以在外骨骼的研制过程中可不考虑膝关节的旋转自由度。因此膝关节可以视为一个铰关节，根据膝关节的结构其屈伸自由度的运动范围可达到0-150。膝关节运动所需要的动力全部来自屈肌和伸肌的收缩。 图2.5 膝关节（3）踝关节 踝关节是由内、外部踝关节面和胫骨的下关节面一起组成的“”形结构的关节窝，如图2.6所示。理论上踝关节只能绕一个轴转动，即只能在矢状面内屈伸（脚面朝下压为“屈”，脚面朝上抬为“伸”），不过由于滑车关节面前后两端的宽度差，当脚下压时，关节面宽度尺寸较小的一端未能完全占据关节窝，因此踝关节也可在冠状面内做一定幅度的内外翻。图2.6 踝关节人体穿戴下肢外骨骼，下肢外骨骼跟随人体一起运动，因此下肢外骨骼机器人的关节运动范围由人体下肢关节的运动范围决定。下肢外骨骼机器人的关节运动范围至少要和人体运动时的关节范围一致。不过为了安全，下肢外骨骼机器人的关节运动范围一般要小于人体关节运动范围的极限值16。综上所述，下肢各关节自由度运动范围设计如表2.1所示。表2.1 人体下肢各关节自由度运动范围关节运动特征人体下肢各自由度运动范围人体下肢各自由度行走运动范围髋关节屈/伸-120 - 65-27 - 21髋关节内收/外展-35 - 40微小髋关节旋内/旋外-30- 60-20 - 45膝关节屈/伸-160 - 0-48 - 0踝关节屈/伸-20 - 50-7 - 25踝关节旋内/旋外-35 - 50基本为0踝关节内收/外展-35 - 20-30 - 15外骨骼结构中，只在髋关节和膝关节中有限位自由度，其余为冗余自由度。其中髋关节中屈/伸自由度的运动范围为-25 20，膝关节中屈/伸自由度的运动范围为-140 0。2.1.3 步态周期时相分析人体步态运动是一种周期运动，步行过程中双脚与地面交替接触与分离，并且脚与地面是一个滚动接触过程。从双脚分析步行运动，一个完整的步态周期如图2.7所示，整个周期包括单足支撑相（Single Support Phase）和双足支撑相（Double Support Phase）两个阶段。在单足支撑期间，一只脚接触地面并承担身体重量，另一条腿处于摆动期。在双足支撑相中，双足着地，由双足支撑身体重量，包括前足着地双足支撑和后足着地双足支撑两个时期。对于指定的右腿，完整的步态周期分为支撑相和摆动相两个阶段，足趾离地进入摆动期（摆动期约占步态周期的40%），在摆动期间，腿总是先屈膝，然后向前摆动，直至大、小腿运动到一条直线上。脚跟着地进入支撑期（支撑期占步态周期的60%，其中单侧肢体支撑期占40%，双侧肢体支撑期占20%），身体重心继续向前运动，当脚趾再次离地时完成一个步态周期。图2.7 人体步态周期2.2 负重行走对步态的影响人体的负重形式有很多种，由于下肢外骨骼的设计定位及结构限制，本课题重点分析背部负重对于人体步态的影响，而且背部负重也是最常见的负重行走形式之一17。人体背部负重行走时，为了减少冲击和保持平衡，行走姿态必然会做出相应调整。研究表明，不论轻或重的负载都会对行走步态特征产生影响18。背部负重不同时，髋关节、膝关节以及上躯干的步行姿态均有明显变化，其变化趋势相似，但幅值有明显差异。随负重的增加，髋关节和膝关节弯曲角位移会有所增加；踝关节角位移变化不明显；上躯干向前倾角的角位移增大。人体背部负重后平均步速小于正常步速，相比而言步长的变化很小。可以看出，负重对于各个关节的运动范围有一定的影响，而对于运动的步长，加速度等运动参数的影响则不明显（步速除外）。另外，本课题设计的外骨骼是期望穿戴外骨骼后，其能辅助人体负重让人体的行走尽量接近正常步态，无明显负重感。2.3 下肢外骨骼设计要求由以上内容分析可以得出：（1）助力式下肢外骨骼旨在辅助穿戴者负重行走，在保证负重助力的前提下，其自由度及关节设计要与人体关节结构类似，保证行走的可靠性和稳定性19。（2）外骨骼行走时由驱动系统助力，为保证行走的安全性，在外骨骼的驱动关节都应设计有限行程限位装置。（3）设计外骨骼时，负重量的大小和外骨骼自身的重量与外骨骼驱动系统的功率、所用材料、结构设计以及电机的选取有关，需要对助行器连杆的承载能力、刚度等需要进行计算和校核，来保证外骨骼的行走助力功能。设计指标如下所示：最大负重：25kg；外骨骼总重：不超过30kg；供电：电池组供电48V，持续工作4小时以上；行进速度：可以4km/h的速度在多种地形中行走；穿戴者身高范围：1600-1850mm。第3章 外骨骼结构设计与三维建模第3章 外骨骼结构设计与三维建模在前面章节分析的基础上，本课题设计了一款助力式下肢外骨骼，对外骨骼腿杆、关节、腰部、缓冲足底、背架以及关节限位装置等进行了详细设计。整个外骨骼结构设计简洁，整体框架结构采用比较常用的7075铝合金材料。7075铝合金为高强度合金材料，可进行热处理，具有极高的抗剥落腐蚀和抗应力腐蚀断裂性能20。其力学性能见表3.1。其负重主要集中在腰部和大腿杆。在各关节处通过高副低代转化关节球副，并设计垫圈缓冲冲击。表3.1 7075铝合金力学性能抗拉强度（MPa）屈服强度（MPa）延伸率（1/16in）弹性模量（E/GPa）硬度（HB）泊松比密度（g/cm3）52445511711500.332.81确定了外骨骼的总体构型后，利用计算机辅助设计软件SolidWorks完成了各部分零件的三维设计和总体装配。SolidWorks是一款基于Windows操作系统下的三维设计软件，其能够在整个产品设计工作中自动捕捉设计意图和任意设计修改。在装配环境里，可以方便地设计和修改零部件。不论设计用“自顶向下”方法还是“自底而上”的方法进行装配设计，都将大幅度提高设计效率。SolidWorks可以生成完整的、车间认可的详细工程图，当修改图纸时，三维模型、各个视图、装配体都会自动更新。添加各种插件后可实现产品的运动仿真、有限元分析及加工工艺的制定，以保证产品从设计、工程分析、加工制造、制造过程中的数据一致性，从而真正实现产品的数字化设计和制造，大幅提高产品的设计效率和质量。本设计中主要用到SolidWorks的功能有：零件三维建模、装配体设计和Motion动画运动等。说明如下：打开SolidWorks后的界面会出现零件、装配体和工程图三个按钮。选择零件后单击确定，进入零件建模环境，画好草图后可以运用拉伸、切除、旋转等一系列的命令生成需要的三维零件模型，如图3.1所示：图3.1 三维零件建模将所有零件进行建模后，用SolidWorks装配体的功能将各个零件通过重合、同轴心、平行、垂直等配合关系装配成一个整体，如图3.2所示。装配完成后用干涉检查功能检查装配体的零件之间是否有干涉关系并进行修改。图3.2 装配体完成下肢外骨骼的装配后，导入人体三维模型，预览人体穿上外骨骼后的效果图，如图3.3所示。图3.3 人体穿戴外骨骼效果图待装配体完成后，运用SolidWorks中的Motion运动分析功能，模仿人体行走的运动特点，通过添加马达将两个机械腿运动起来，如图3.4所示。图3.4 Motion运动3.1 零件的三维模型装配体是由数个零件构成的，而零件是由各种特征构成的，特征是组成零件的重要部分。只有在输入各个特征命令后才能生成符合要求的零件模型，下面对外骨骼结构的关键零件进行说明。图3.5所示为髋关节外展内/收运动件，此零件既能实现髋关节的外展/内收，又是连接腰部和髋关节及以下部分的连接体，按普通成人的身高计算，外展内收运动件的长度约为132mm。其前端开有光孔用于实现髋关节的旋内/旋外运动。图3.5 髋关节外展/内收运动件图3.6所示为腰板，腰板的作用是将外骨骼的左腿和右腿连接起来，同时背部承物架也固连在腰板上。单个腰板的长度为为147mm，上面开有等距离的7个通孔，便于随时调节连接长度。（a）左腰板 （b）右腰板图3.6 腰板图3.7所示为腿杆零件，腿杆的作用是将髋关节和膝关节、膝关节和踝关节等关节连接起来，杆上开有6个等间距的通孔，便于根据使用情况调节机械腿腿的长度。腿杆的长度为280mm，宽度为30mm，高度为21mm，以确保满足强度要求。图3.7 腿杆图3.8所示为为安置于踝关节上的弹簧架，其安装形式为中间方形孔套于踝关节连接架上，通过两个并排螺栓与之紧固。弹簧架两侧也开有方孔，目的是便于悬挂拉伸弹簧。弹簧架整体的长度为118mm，宽度为26mm，高度为14mm。图3.8 弹簧架图3.9所示为脚板零件，脚板的作用也有两个，一是连接踝关节及以上部分和缓冲足底；另一个是负重人体。脚板上粘有塑胶鞋，人脚穿上塑胶鞋后可与外骨骼融为一体。脚板的长度为280mm，宽度为120mm，厚度为11mm。图3.9 脚板3.2 下肢外骨骼装配此模型共有12个自由度，单下肢各6个，其中髋关节有收展、屈伸和旋转运动3个自由度，膝关节有屈伸运动1个自由度，踝关节有屈伸、收展运动2个自由度。模型设计图如图3.10所示。此外骨骼设计时分为7个模块，分别是背部承重模块、髋关节模块、驱动系统模块、膝关节模块、踝关节模块和缓冲足底模块。背部腰带将背部承物架和下肢机构连一起，大腿杆将膝关节和髋关节连接一起，小腿杆将膝关节和踝关节连一起，驱动系统安放在腿杆上。连接件均用铰制孔螺栓连接，连接牢固，可靠。图3.10 下肢外骨骼机器人装配图人体穿上外骨骼机器人后的效果图如图3.11所示。图3.11 人体穿戴外骨骼机器人效果图3.3 各个关节设计3.3.1 髋关节设计由前面章节分析可知人体髋关节是一个典型的球窝关节，承载全身重量最大的部位，也是全身最重要的关节。髋关节有两大基本功能：首先，外骨骼关节要具有“迈步”功能；其次，外骨骼要具有保持平衡和改变行走方向的功能。在外骨骼设计时，为实现屈伸自由度的独立运动，需要将髋关节球窝关节进行高副低代，即将3自由度的球副分解为3个单自由度的旋转运动副21。因此，髋关节设计为3个自由度，即屈/伸、旋外/旋内、外展/内收三个自由度。其中屈/伸为主动自由度，其余为被动自由度。图3.12所示为外骨骼髋关节结构设计爆炸图。屈伸运动机构参与行走的主要运动，为减小噪声采用了轴承连接的方式，轴承用圆锥滚子轴承；内收/外展自由度设计在腰部，有效减少了外骨骼关节与人体关节空间位置的差异，该机构不受驱动，只跟随身体来调节运动状态，这里采用轴销连接的方式来实现；旋内/旋外运动机构位于屈伸运动上方，其旋转轴中心线与腿杆中心线重合，实现整个腿部的旋转运动。 图3.12 髋关节爆炸图髋关节包括：腰带连接件1、销轴2、内收/外展运动件3、旋内/旋外运动件4，髋关节关节轴5、圆锥滚子轴承6、大腿杆7、屈/伸运动件8、调整垫片9、 轴承盖10。 整个髋关节结构和腰带通过连接件用两个螺栓连接；腰带连接件1和内收/外展运动件3通过销轴连接，两者可以发生相对转动；内收/外展运动件3和旋内/旋外运动件4采用薄壁圆筒的方式连接，在4上车出一圆轴，下面放有润滑垫片，上端用挡盘连接，防止脱落；屈/伸运动件8和关节轴之间套有圆锥滚子轴承，保证了转动的灵活性；屈/伸运动件8和大腿杆7用连个螺栓连接，由于两个屈/伸运动件只在下端连接，因此在8上开有锪平孔，用两个螺栓连接；在大腿杆上放置驱动电机和减速器。3.3.2 膝关节设计膝关节是人体关节中比较重要的关节，既要承受上肢体的压力，又要能传递载荷，即可运动又能缓解振动，是下肢活动的枢纽。膝关节具有两大功能：首先，膝关节在承受体重和传递载荷时，在完成屈/伸运动时有很好地稳定性；其次，膝关节又要有很好的适应性，在行走、跑步时，遇到路面不平整状况，膝关节要求对这种随机冲击有一定的缓冲作用。在外骨骼膝关节设计中，仅设置一个与人体膝关节屈/伸自由度同轴的旋转自由度来实现外骨骼膝关节的屈/伸运动，如图3.13所示。旋转运动副中添加圆锥滚子轴承，同样为减少振动和噪声。图3.13 膝关节爆炸图图3.3中：1是大腿杆连接件；2是关节轴；3是轴承；4是屈/伸运动件；5是垫片；6是轴承盖；7是小腿杆。3.3.3 踝关节设计人体踝关节具有三个自由度，人体下肢运动时，踝关节主要是完成屈/伸运动，外展/内收运动在路面不平或脚步受冲击时，起调节平衡作用，内旋/外旋运动在调节人体下肢运动的前进方向起微小作用，主要由髋关节内旋/外旋运动来调节，为减少整体结构复杂程度，外骨骼踝关节的内旋/外旋运动可忽略，不在设计范围之内。如图3.14和图3.15所示。考虑到脚踝外侧空间位置与脚踝的连接，尽量使设计紧凑、贴近人体，从而减少偏差。沿小腿杆方向从上到小依次为屈/伸运动副和外展/内收运动副，屈/伸关节轴线与骨骼踝关节轴线重合。踝关节不参与下肢行走的主运动，因此在此处没有添加驱动。如果行走过快，则会出现重心不稳，因此在两侧添加了拉伸弹簧，有效的保证了行走时的稳定。图3.14 踝关节爆炸图 图3.15 踝关节结构图膝关节包括：固定弹簧的弹簧上架1、小腿杆连接件2、踝关节关节轴3、深沟球轴承4、屈/伸运动件5、调整垫片6、轴承盖7、拉伸弹簧8、销轴9、脚板连接件10、外展/内收运动件11、脚板12。弹簧上架1通过两个平行螺栓和小腿杆2连接；小腿杆连接件2和屈/伸运动件5用关节轴连接；屈/伸运动件5和外展/内收运动件用三个螺栓连接；脚板连接件10和外展内收运动件11用销轴连接；在弹簧上架1和外展/内收运动件11上开有通过，用圆柱销将两个拉伸弹簧分别挂住，同时在小推杆连接件上加工出限位凸台装置，防止拉伸弹簧出现压缩情况。3.3.4 限位装置设计人体在行走过程中，各个关节的运动角度是在一定范围内的。若是在外骨骼的关节处施加了驱动装置，通过控制系统的控制策略（如位置控制等）就能够实现关节在运动过程中的严格定位，即可以不设置限位装置22。然而，考虑到控制程序可能出错或是遇到特殊情况，外骨骼的关节可能超出设计的运动范围，因此，在添加驱动的关节处必须设置机械限位装置，以防止因控制系统或电机出现故障而发生意外。如图3.16所示为膝关节的关节限位装置，限位装置和屈伸运动件结合在一起，减少了机构的复杂程度。屈/伸运动件上加工有有一定角度的凸缘轮，在腿杆连接件上加工出相对应的凹圆轮，即屈/伸运动件的运动范围为140-0。外骨骼中膝关节的设计和髋关节的设计几乎一致，只是运动的极限位置不同，这样减少了关节在加工制造过程中的复杂度。另外，外骨骼的控制策略为“人主机辅”控制，即主动控制，因此在其他辅助关节处不设限位装置，靠人体本身调节处理。图3.16 关节限位装置3.4 腿杆设计作为连接两关节的腿部连杆机构既是传动装置又是驱动安放装置。连杆的安装精度要求较高，若腿杆长度与使用者腿部长度有差异，将会直接导致两者在行走过程中出现运动干涉现象，当两者偏差较大时，整个人-机封闭系统将会无法正常工作，还会给穿戴者带来伤害。此外，穿戴者人体胖瘦、高度存在差异，为了外骨骼有更好的结构兼容性，将大腿杆、小腿杆和腰部设计成尺寸可调节结构。经过大量采样并统计发现，人体各部位长度相对于人体身高的比例基本上都在一个固定的范围内23。假设人体身高为H，则踝关节至地面的高度为0.039H，膝关节至地面的高度为0.246H+0.039H=0.285H，髋关节至地面的高度为0.245H+0.246H+0.039H=0.53H，人体两条大腿之间的距离为0.191H。成年人体身高度普遍在1600mm-1850mm之间，结构的最大可调范围设定为250mm，腰部宽度可调范围为42mm。本设计中腿杆结构采用通过调节内外杆之间的固定位置来调整腿杆的长度，即大小腿的长度。上下腿杆用铰制孔螺栓连接，铰制孔螺栓主要承受横向载荷，连接牢固，稳定可靠。如图3.17和图3.18所示。图3.17 腿部可调节连杆图3.18 腰部可调节连杆3.5 背部承物架设计下肢外骨骼系统包括动力驱动系统、控制系统、传感系统和执行系统。动力源电池和控制系统设计在背部背架上，背架上还设有一个负重平台。图3.19 背架结构图如图3.19所示。背架通过两边的连接件与腰带用螺栓件相连，上面通过软绳与人体肩部相连，将负重通过腿杆传递到地面，尽量减小对人体的弯矩。背架上专门设计了一个盒体用于放置电池和控制组件，以避免核心器件与外部负重直接接触造成损坏。考虑到舒适性和减缓冲击，在穿戴者与腰部直接接触的支架板面粘接有柔软结实的棉垫护具。针对不同使用人群，腰部也设计成可调节结构，由于此背架无调节结构和限位装置，因此连接为过盈连接，防止出现横向滑移。此背部承物架的尺寸为长161mm，宽220m，高207mm，要求能够承受25kg的负重。3.6 缓冲足底设计3.6.1 概述下肢外骨骼机器人的关键技术是行走机构，其行走的速度和稳定性直接影响其工作能力与效率。在行走过程中，当足部与地面接触时会产生冲击振动，冲击会通过踝关节传递到外骨骼躯干，对其内部的减速机构、驱动系统等造成损伤，同时动态平衡受到干扰，导致步态的不稳定24；外骨骼躯干传递给人体，会给穿戴者造成疲劳和不适感。加上下肢行走方式是“脚跟着地-脚尖离地”的行走方式，因此设计足底缓冲装置可很大限度减少对穿戴者的冲击，也是本外骨骼的重点设计之一。本缓冲足底的缓冲主要由弹簧和柔顺机构来实现。弹簧是一种弹性元件，在受到载荷时能够产生比较大的弹性变形，可以把机械能或动能转换为弹性势能，当载荷消失后弹簧恢复原状，变形消失，将弹性势能转变成动能或机械功。本设计中用到的弹簧为压缩弹簧和扭矩弹簧，其功能主要有：（1）控制机械运动，如内燃机中的阀门弹簧、离合器中的控制弹簧等；（2）用作测力元件，如弹簧秤中的测力器、弹簧等；（3）储存于输出能量，如钟表弹簧、枪械中的弹簧等；（4）吸收冲击能量与振动，如汽车下面的缓冲弹簧等。弹簧刚度是指是指载荷与变形之比，刚度越大表示弹簧越硬。3.6.2 缓冲足底三维模型如图3.20所示，脚跟和脚趾设有一定的弧度25，其作用为：当控制存在误差或者地面不平以及遇到障碍物时，可以减小踝关节所受的冲击力，并能适应更多的步态，更好的实现“脚跟着地脚尖离地”的行走方式，保证在行走过程中更好的适应地面26。接地板上面部分镂空，在保证强度要求的前提下，可以减轻重量，减小摆动腿在摆动过程中产生的振动。图3.20 足底缓冲装置图3.20中：1是压缩弹簧；2是柔顺机构；3是连接件；4是脚趾；5是脚跟；6是扭矩弹簧架；7扭矩弹簧；8是衔合架；9是接地板。连接件3的作用连接缓冲足底的下半部分和脚掌，同时在保证强度的条件下又具有一定的变形能力，如图3.21所示。图3.21 连接件变形示意图当脚跟接地时，载荷一部分通过连接架传递给地面，一部分通过脚跟的扭矩弹簧储存在弹簧中，当载荷继续传递时，和连接架连在一起的脚掌连接板发生转动，转动一定角度后被衔合板挡住防止发生更大转动，衔合架的作用是只允许脚掌连接板发生很小的角度，约为3度，目的是防止产生更大的振动给人体造成不适。3.6.3 脚跟设计如图3.22所示，扭矩弹簧通过安装架与脚跟和接地板连接。当脚跟未受到地面作用力时，两个安装架之间处于接触状态，此种设计避免了足部离地后由于扭矩的回复力而致使脚趾板回到平衡位置后继续偏转的现象。当脚跟受到地面的作用力时，连接脚跟的安装架通过扭矩弹簧绕连接接地板的安装架转动，将冲击转化为弹簧的势能，有效减少振动。图3.22 扭矩弹簧行走时，脚跟先接触地面，由于脚跟设计成弧形，并且有一个被动自由度，当碰到障碍物时，脚跟受到地面的冲击力后向上偏移，缓解地面的冲击以适应地面。脚趾和接地板之间用柔顺机构连接，可以吸收部分冲击力，降低传递到踝关节的力与力矩，从而使行走更稳定。3.6.4 脚趾设计脚趾通过两个并联的柔顺机构与接地板连接。当脚趾受力时，柔顺机构吸收的冲击以弹性势能的方式储存在柔顺机构中27，当脚抬起时，柔顺机构恢复原形，释放能量为抬起提供能量。柔顺机构采用的是双平行四边形机构。为了保证脚趾不会发生较大偏移，在每个接地板上安装两个柔顺机构，呈并联配置。如图3.23所示，每个柔顺机构上开有两个并联的通孔，下面两个孔通过螺钉与脚趾和接地板连接，双面连个通孔的作用是便于螺丝刀拧紧螺钉。为了保证脚趾不会绕轴转动，每个接地板上安装两个柔顺机构，此种方案允许脚趾在俯仰轴方向上发生少量变形，不允许在发生横向转动。图3.23 柔顺机构此柔顺机构有较频繁的循环变形，因此本文设计的柔顺机构采用的是具有良好的工艺性能和力学性能的50CrVA。50CrVA的淬透性较高，在加入了钒后使钢的晶粒细化，所以提高了强度和韧性，降低了过热敏感性，具有较高的疲劳强度和屈服强度。在接地板上装有三个压缩弹簧，以方便可在道路不平时吸收二次冲击，适应更多路况；另一方面保证穿戴者在站立时更加稳定。整个足底缓冲装置通过柔顺连接件与下肢外骨骼脚板连接。3.7 外骨骼三维模型以上为整个设计过程的基本零件和关键部件的说明和三维展示，最后完成各个零件的建模过程，通过SolidWorks装配，添加几何约束关系，装配如图3.24所示。图3.24 外骨骼总装图第4章 减速器和电机的选择第4章 减速器和电机的选择4.1 驱动系统的确定目前外骨骼机器人采用的常见驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。（1）液压驱动 液压驱动是以液体静压能来传递能量和控制的驱动方式，包括输液步进马达和油缸。具有构造简单、工作平稳，易于实现过载保护等特点。但有液体易泄露、噪声大、效率低，液压传动对温度和负载变化敏感等特点。（2）气压驱动 气压驱动是以气体为工作介质，把气压能转化为机械能驱动方式，主要原件为气缸和气动马达。与液压传动类似，有结构简单、无污染、易于无极变速，可在高温下工作等特点，具有较大的功率体积比和功率质量比。但其缺点是速度易变动、难以精确控制、只适用于小功率传动等。（3）电机驱动 电机驱动是以电能为能源，把电能转为为机械能的一种驱动方式，按照电脉冲激励信号方式分为直流电动机和交流电动机两类。电机具有控制精确方便，功率范围大、响应快、工作效率高、无污染等优点。比较以上三种驱动方式，本设计中驱动模块采用的是直流无刷电机28。应用于外骨骼的驱动电机一般要求具有以下特点：快速反应，电机从获得指令信号到完成指令所要求的响应时间短；启动转矩大，在起始驱动时，要求关节处的电机的启动转矩大；转动惯量小，电机往往需要频繁的正反转，要求转动惯量小；另外还要求经得起苛刻的运行条件，可进行十分频繁的正反向和加减速运行。将驱动与关节中心同轴安装有两种形式：一是电机的输出轴直接与关节中心轴同心，经过减速器输出转矩；另一种是电机与外骨骼腿杆平行安转，经过换向器后，再经过减速器与关节中心同轴，如图4.1所示。第一种安放的优点是不需要换向机构，能减轻腿杆重量，缺点是电机在宽度方向上的尺寸较大，会使得关节处横向距离较大，电机离外骨骼腿杆较远，使得安装固定不方便，也不便于电机的平稳运行；第二种安装方案弥补了第一种的不足，将电机平行安装在推杆上，提高了整体的稳定性，减小了安装难度。另外，虽然添加了换向器，但其在横向方向上的尺寸得以减小，且由于电机的输出扭矩较小，故换向器不会太大，且可以选择功率较大的电机来克服增加换向器带来的负载的增加。本外骨骼的电机驱动方案：伺服控制-伺服电机-减速器-换向器-执行机构。（a）电机垂直安装 （b）电机平行安装图4.1 驱动系统布位方案4.2 驱动电机、减速器的选择计算电机的选取型号主要考虑的因素有转矩（电机转矩T1及最终要求的输出转矩T2）、减速比i、转速（电机输出转速N1及最终要求的输出转速N2）、功率等，减速比、转矩和转速之间是相互关联的。电机在输出功率一定的情况下，经过减速器后转矩会得到放大，转速减小，其关系为： （4.1） （4.2） （4.3）式中为减速器传动效率。根据人体行走下肢生物力学29的研究，单位质量人体在三种步速下的髋关节和膝关节屈伸运动的功率消耗情况和所需转矩大小，如图4.2所示。图4.2 人体下肢行走时的生物力学参数假设一个重70kg的人体，行走时需要最大85W的功率，在以1.3m/s的步速行走时在髋关节处有最大转矩，约为84Nm左右。考虑安全系数等影响，按负载的1.3倍计算，结果为109.2Nm，取整后T2=110Nm。人体正常行走时髋关节的最大角速度约为220度每秒，由此可知驱动系统最终输出的最大转速约为36.7r/min。在人体负重