7-DOF下肢外骨骼机器人驱动系统的设计与仿真

摘要摘 要下肢外骨骼机器人是一种可穿戴、交互式仿生机器人，其类似人体外骨骼，通过穿戴在人体身上，与人体行动保持一致，达到辅助人体运动的目的。本文介绍了下肢外骨骼机器人的结构设计与优化、液压驱动系统设计、数学模型的建立，以及基于MATALAB、AMESim平台的仿真分析。其结构设计主要包括各关节的设计和优化，所设计机器人为7自由度，基本能复现人体下肢的所有运动功能。其驱动系统采用液压驱动，本文通过2种方案的对比优化，设计了合理的液压驱动系统和轻型液压缸，满足了机器人的工作要求。而液压系统阀控缸数学建模的建立，是实现关节连续、稳定控制的基础。最后运用AMESim平台软件建模仿真，验证理论计算的正确性和液压系统的性能。设计出来的下肢外骨骼机器人机构高度范围为1051mm1251mm，宽度最大为654mm，脚掌长度为385mm。除了踝关节的背屈/跖屈方向的转动外，可满足人体下肢各个关节不同方向的转动要求。其适合对象为：髋关节到地面的距离在851mm1051mm范围内，臀宽不超过375mm，体重不超过80kg的人。关键词： 外骨骼 机器人 液压系统 AMESim仿真 目录Abstract Lower limb exoskeleton robot likes a insect exoskeleton,is a wearable,interactive bionic robot.In this paper,it contains four parts mostly :design and optimize the structure of exoskeleton robot,hydraulic drive system design ,the foundation of mathematical models and simulation analysis based on AMESim.The structure design main contains joints design and optimization,it can recur all functions ,with 7-DOF ,of human lower limb basically.The drive system adopts hydraulic pressure system and differential connection.The differential hydraulic cylinder raises the efficiency and decreases the loss of the energy.According to the working principle of valve-controlled cylinder system,the mathematical equation of the system was established.Finally,use AMESim to verify the performance of the hydraulic system. The height range of the mechanical structure of the lower limb exoskeleton robot is 1051mm to 1251mm.Its maximum length is 654mm and the width is 385mm.In addition to the ankle rotation in the direction of dorsiflexion/plantar flexion,the mechanism can meet the different rotation requirements of the human lower limb joints. It is suitable for the people whose distance from hip to the ground is within the range of 851mm to 1051mm,whose hip width does not exceed 375mm and whose weighing is less than 80kg. Key Words： Exoskeleton;Robot;Hydraulic System;AMESim Simulation目 录第一章 绪论11.1 研究背景和意义11.1.1 研究背景11.1.2 研究目的和意义11.2 下肢外骨骼机器人国内外研究现状21.2.1 下肢外骨骼机器人国外研究现状21.2.2 下肢外骨骼机器人国内研究现状51.3 面临的难题与本文所做的工作71.4 本文研究内容7第二章 下肢外骨骼机器人的结构优化与运动分析92.1人体下肢解剖学概述92.1.1 人体的基本平面和基本轴92.1.2 下肢关节运动102.2人体下肢外骨骼机器人结构设计102.2.1 人体下肢骨骼关节结构分析102.2.2 人体下肢各关节自由度的配置122.2.3 人体下肢各关节活动范围与变化情况122.2.4 人体下肢外骨骼机器人结构设计132.2.5 人体下肢外骨骼机器人驱动的设置162.2.6 人体下肢外骨骼机器人结构的优化162.3 下肢外骨骼机器人力学分析182.4下肢外骨骼机器人驱动方式的选择222.5 机械结构的ADAMS运动仿真分析232.6本章小结25第三章 人体下肢外骨骼机器人液压系统的设计263.1液压技术简述与发展现状263.2下肢外骨骼机器人液压系统的总体设计273.2.1 执行元件参数的确定273.2.2 拟定液压系统原理图273.2.3 液压缸的设计313.2.4 泵、电机、电源的选型403.2.5 阀的选型443.2.6 液压辅件的选型463.3下肢外骨骼机器人液压系统的安装483.3.1 驱动液压缸的安装483.3.2 液压阀的安装493.3.3 其他元件的安装503.4本章小结50第四章 液压系统建模与仿真分析514.1 建模方式的选择51 4.2 基于解析法的阀控液压缸数学建模514.3阀控非对称液压缸系统动态性能仿真与分析594.3.1 模型参数确定594.3.2 阀控缸系统的频域分析604.4 基于AMESim的液压系统建模614.4.1 AMESim软件介绍614.4.2 AMESim的工作模式624.4.3 液压伺服系统建模644.5 仿真结果分析654.6 不同系统参数对系统性能的影响664.7本章小结67第五章 总结与展望685.1 本文工作总结685.2 未来工作展望69附 录70参考文献73 ContentsContentsChapter 1 Introduction11.1 Definition and Research Significance of Human Exoskeleton11.1.1 Definition of Human Exoskeleton11.1.2 Research Significance of Human Exoskeleton11.2 Research Status of Lower Limb Exoskeleton Robot21.2.1 Overseas Research Status of Human Exoskeleton21.2.2 Domestic Research Status of Human Exoskeleton51.3 Facing Problems and Done Work71.4 The Content of This Thesis.7Chapter 2 Structure Optimization and Motion Analysis of Lower Limb Exoskeleton Robot92.1 Human Body Anatomy of Lower Limbs 92.1.1 Basic Plane and Axis of Human 92.1.2 Articulate Movement of Human Lower Limbs102.2 Basic Structure Design of The Lower Limb Exoskeleton Robot102.2.1 Human Joint Structure Analysis 102.2.2 The Joint DOF of Human Lower Limbs 122.2.3 The Motion Range 122.2.4 Structure Design 132.2.5 Drives Settings 162.2.6 Structure Optimization 162.3 Mechanical Analysis of The Lower Limb Exoskeleton Robot 182.4 Drive Mode of The Lower Limb Exoskeleton Robot 222.5 Kinematics Simulation Analysis Based on ADAMS 23 2.6 Conclusion of This Chaptert 25Chapter 3 The Hydraulic System Design263.1 Hydraulics Description and Development Status263.2 Hydraulic System Overall Design 273.2.1 Fixed Actuator Parameters273.2.2 Draw Up The Hydraulic System Schematic Diagram273.2.3 Hydraulic Cylinder Design 313.2.4 Selecte The Pump, Motor and Power 403.2.4 Selecte The Valves 443.2.4 Selecte Hydraulic Accessories 463.3 Installation of Hydraulic System 483.3.1 Installation Cylinders 483.3.2 Installation Valves 493.3.3 Installation Hydraulic Accessories 503.4 Conclusion of This Chaptert 50Chapter 4 Hydraulic System Modeling and Simulation Analysis514.1 Selecte A Modeling Method 514.2 Valve Control Hydraulic Cylinder Mathematical Modeling514.2.1 Analytical Method of Modeling594.2.2 Mathematical Model of Other Parts594.3 Hydraulic System Modeling Based on AMESim604.3.1 Introduction AMESim624.3.2 AMESim Modeling 644.4 Analyzing The Simulated Results 654.5 Influence of Different Parameters 664.6 Conclusion of This Chaptert 67Chapter 5 Summary and Prospect685.1 The Summary68 5.2 The Prospect 69Appendix70Referenced73第一章 绪论第一章 绪论1.1 研究背景和意义1.1.1 研究背景外骨骼是一种能够提供对生物柔软内部器官进行构型，建筑和保护的外部结构。外骨骼是充当盔甲的器官，它为生物提供了一个框架或结构，保护和支持生物柔软的身躯。因此人类千百年来就梦想能拥有自己的外骨骼，代替人类机械式的劳动，并帮助人类完成自身所不能完成的工作和任务。本文介绍的人类外骨骼是指可穿戴于人体外部、提高人类一定生理机能和对人体产生一定防护的机械装置，由于其安装位置和产生的作用和生物界中的外骨骼很相似，故将其称为人类外骨骼。人类外骨骼之所以会产生,其实是人类自身的生理机能无法满足外界环境的要求。面对外界中野兽、自然灾害等，人类的微薄之力根本就无法与之抗衡。如此，促使人类探索大自然，推进科技进步，研制出对人类帮助更大的器械。当今社会，工业与科学技术相互支撑、相互推动，人类有足够的能力改造大自然，建立适合人类生存的居住环境。这些居住环境有完善的保护设施，用来保护人类不受到大自然的危害。随着大自然威胁的减少，人们开始关注人类自身生理机能不足或缺陷引发的问题上，如瘫痪等。相较于改造自然环境的大型器械，用于辅助人类解决自身生理机能不足的器械要有小巧的体积、精密的构造和符合人机工程学等特点。而人类外骨骼就是这些器械中的一种，由于人类外骨骼是针对人类体型设计的，所以应具有很高的便携性和灵活性。1.1.2 研究目的和意义下面从四个方面简述当今社会对外骨骼机器人的需求。（1） 老年人。随着社会的发展，老龄化加重，已超过人口总数的10%1。老年人由于生理衰老造成肌肉萎缩、肌力下降。普遍存在体力不支，行动不便，力量、耐力不足等情况，在上下楼梯时费力、缓慢，严重者需要医护人员辅助其上下楼梯与行走。研发一种可穿戴舒适的装备，帮助老年人行走、上下楼梯、适80 当负重等十分必要，如果有外骨骼机器人的辅助，其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2。另外一方面可以提高老年人的生活质量。（2） 瘫痪病人。瘫痪分为神经损伤或病变造成的瘫痪和肌病瘫痪。研究表明，对于神经损伤的瘫痪病人，如果定期的帮助他舒展活动瘫痪部位，一方面可促进血液循环，避免肌肉组织萎缩，另一方面可刺激瘫痪部位的神经修复，从而提高康复几率。而对于肌病瘫痪的病人，定期帮助其舒展活动瘫痪部位，可有效阻止肌肉组织萎缩，防止恶化，并有助于疾病的治疗3-4。目前，瘫痪康复训练的基本方法是理疗师对患者“手把手”的训练。这种模式，无论对患者还是医务工作者都是一项长期的艰苦工作。如此研制外骨骼机器人，一方面可以替代护理人员的部分工作，缓解护理人员不足的压力；另一方面可增加瘫痪病人的护理强度，提高瘫痪病人的康复几率。（3） 军人。在现代社会中，随着科技发展，武器的杀伤力上升，士兵需要穿沉重的防御装备，再加上通讯设备、武器和补给等，士兵较以往增加了很多负荷，这一方面虽然提高了单兵作战能力，另一方面却降低士兵的灵活性和持久力，进一步降低部队的机动性和行军距离。而如果采用外骨骼机器人后，将成为一名超级士兵，拥有无穷的力量，可携载更多的武器装备，火力威力增强，防护水平提高，同时可克服任何障碍，高速前进，不会产生疲劳感，很大程度上提高部队的作战效率和作战水平。（4） 建筑工人。在建筑行业里，这种外骨骼机器人也大有用武之地，一方面可以有效的节省建筑工人的体力，消除疲劳，提高工作效率。另一方面，让建筑工人能够承担高强度和特殊环境的工作。上面简单阐述了社会对外骨骼机器人的迫切需求。因此，研制先进的外骨骼机器人就具有良好的社会、经济和军事意义。1.2 下肢外骨骼机器人国内外研究现状1.2.1 下肢外骨骼机器人国外研究现状 下肢外骨骼机器人在美国和日本等国家得到了科研工作者和医疗机构的普遍重视，许多研究机构都开展了有关的研究工作，近年来取得了一些有价值的成果，如：（1） 美国Sarcos公司研制的XOS外骨骼机器人 美国Sarcos公司研制的一种可佩戴的、能量自动化机器人到2005年时脱颖而出，如图1.1所示。其外骨骼机器人XOS显著成功，其解决了全身式外骨骼控制，快速反应及流畅动作，可以让使用者轻松连续举起和放下90kg的杠铃，其主要的工作原理是：XOS在精心挑选的位置设置力传感器，当穿戴者移动肢体想要做某一个动作时，相关的受力传感器立即通知中控电脑，然后通过电脑高速计算决定外骨骼应该采取何种动作来帮助使用者，根据计算结果，电脑指示恰当位置的液压缸移动活塞。XOS全身装备30个液压元件，每秒必须侦测受力状况数百到数千次不等，并传输到中枢电脑，中枢电脑迅速完成运算后立即下达指令到相关的液压元件来完成动作。由于目前市场上没有合适的液压元件，因此XOS全身所需的30个液压元件都是自行设计。缺陷在于能耗大，自带的电池只能使用40分钟。目前正在进一步解决能耗问题，譬如应用新开发的液压元件代替传统的液压元件来降低能耗或者研制人造肌肉纤维取代液压元件进一步降低能耗，同时也简化结构。目前第二代的XOS2比之前的能耗量降低了50%，其加强型设计能让使用者更快适应周围环境5。（2） 美国伯克利大学军方合作项目外骨骼助力机器人士兵服 该装置名为伯克利低位肢体外骨骼(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton)或称作布利克斯(BLEEX)，如图1.2所示，是加州大学伯克利分校高级防御研究工程室设计出来的，尝试将自动机械支柱与人的双腿相连，以降低负重，从而使步兵能够在负载更重的情况下行进更长的路程。这套设备主要由燃料供给及发动机系统、控制及检测系统、液压传动系统及外骨骼机构组成，使用这种装置的人要通过传动带将自身的腿与机械外骨骼的腿相连，背上要背一个装有发动机、控制系统的大背包，背包中同时还留有承载有效载荷的空间。动力传动过程为：发动机-液压系统-外骨骼机构。该装置能平衡掉设备的自重（有50kg），使人穿着时无负载感觉，且控制系统将保证它的重心始终是在使用者的双脚上。该装置的背包中还可负载32kg重量。而对使用者而言，他则只感觉像是背了2kg一样。这种装置除了帮助士兵外，还可以协助医疗人员将伤员撤离开危险地区或使消防员能够携带很重的设备攀登上更多的楼层6。 图1.1 XOS外骨骼机器人 图1.2 BLEEX外骨骼机器人的外形（3） 洛克希德马丁公司研制的人类负重外骨骼”（HULC）系统2009年,防务巨头洛克希德马丁公司在BLEEX机器人的基础上，测试新一代“人类负重外骨骼”（HULC）系统”，如图1.3所示。该系统是一种模仿人体结构特点设计的外穿型机械骨骼，内部配备有液压传动装置和可像关节一样弯曲的结构设计，不但能够直立行进，还可完成下蹲和匍匐等多种相对复杂的动作。HULC系统的动力源为两块总重量3.6公斤的锂聚合物电池。在一次充满电后，HULC可保证穿着者以4.8公里/小时的速度背负90公斤重物持续行进一个小时。而穿着外骨骼的奔跑冲刺速度可达到16公里/小时。新式的外骨骼系统装备有更加先进的软件、更耐用的电池，并采用适用度更广的设计7。（4） 日本筑波大学研制的Hal-5外骨骼机器人Hal-5是日本筑波大学Yoshiyuki Sankai设计的一款辅助型外骨骼机器人，其外形如图1.4所示。这款外骨骼机器人可辅助穿戴者进行肩关节、肘关节、髋关节和膝关节的伸展/屈曲运动。采用直流电机作为驱动器。通过检测人体皮肤表面的肌电信号来读取穿戴者的运动意图，结合关节上的电位计、脚底的力传感器、躯干上的回转仪和加速计所检测的信息来控制机构去辅助穿戴者运动。这套装置具有2个控制系统：一个用来检测皮肤表面的肌电信号，经过滤、提取特征后传输到控制器中，从而获得穿戴者的运动意图；另一个是自动控制系统，它通过检测穿戴者现有的运动信息，结合数据库中人类运动步态信息来判断穿戴者的运动意图，并做出相应的调整。这款装置通过锂电池供电，正常运作时间为2小时40分。老年人或残疾人在它的辅助下能以4km/h的速度行走，毫不费力的上下楼梯。上臂最大可负重40kg，下肢最大可负重100-180kg8-10。 图1.3 HULC外骨骼机器人的外形图 图1.4 HAL外骨骼机器人的外形图 1.2.2 下肢外骨骼机器人国内研究现状我国对下肢外骨骼机器人的研究起步比较晚，下肢外骨骼机器人研究任然处于黄金期。国内设计外骨骼机器人的院校主要有哈尔滨工业大学、浙江大学、北京航空航天大学等。目前国外已有很多外骨骼机器人进入投产阶段，而国内的外骨骼机器人主要停留在实验室研发阶段，且还主要研制响应速度较低的康复型外骨骼机器人11-14。哈尔滨工业大学的张志诚等人设计外骨骼下肢助力机器人，其结构图见图1.5，对于该机器人，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。其采用盘式电机驱动，并搭建了相应的外骨骼下肢助力机器人的软硬件平台15。 浙江大学研制出了多自由度下肢外骨骼助力机器人，其结构图见图1.6。采用气动驱动，髋关节和膝关节驱动器为圆状的气缸。其通过将足底压力信号和气缸的位移控制信号直接联系起来，并能够较好的识别出使用者的用途，这款机器人相对于国内其他研究成果，处于领先地位16。 第一章 绪论 图1.5 哈尔滨工业大学下肢外骨骼 图1.6 浙江大学下肢外骨骼机器人外形图 机器人外形图 北京航空航天大学王志鹏等人研究的穿戴式下肢康复机器人，其结构图见图1.7。该机器人主要用于截瘫、 踝部以上部位下肢手术患者以及骨关节炎患者的康复治疗。两条腿共8 个自由度，分别为髋关节屈/伸运动, 髋关节外展/内收运动 , 膝关节屈/伸运动, 踝关节背屈/跖屈运动。采用直流无刷电机与减速器直接驱动17。图1.7 北京航空航天大学下肢外骨骼康复机器人外形图1.3 面临的难题与本文所做的工作外骨骼是针对人类体型设计的，具有很高的便携性和灵活性的机器人。虽然外骨骼机器人的研究在最近十几年取得了很大的进展,然而现实中还有许多问题需要我们去解决。主要存在以下几大技术难点：（1）机械结构方面。目前外骨骼机器人实现高拟人化和高契合度还有一定难度，合理的机械结构和关节运动副的设计，运动自由度的分配，以便于穿戴者舒适、操作灵活、最大限度地拓展人的活动范围，达到人机一体。（2）信息交换方面。目前外骨骼机器人主要通过采集肌电信号和力反馈的方法来获取穿戴者的运动意图。肌电信号采集的方法有很严格的外界环境限制，一旦信号采集的地方发生微小的变化（如流汗等）就会干扰信号的采集；而力反馈法具有本质上的滞后性，当穿戴者做出快速的运动或者高难度的动作时就会有阻碍感18-19。因此开发一种能让外骨骼机器人与人类神经直接交流的方法是外骨骼机器人未来需要解决的一个研究难题。（3）控制方面。目前许多外骨骼机器人的测试结果中都说系统具有良好的响应速度，然而这是在穿戴者进行缓慢运动的情况下测试的，一旦穿戴者进行高速运动或做出一些复杂动作，装置就无法达到期望的响应速度20-22。所以提出更好的控制理论和设计更加优秀的控制器件是外骨骼机器人未来需要解决的又一个研究难题。（4）工作时间方面。其关键就是能源问题，目前外骨骼机器人使用的便携式能源只能给系统提供2-4小时的续航时间，无法实现其长久作业。（5）动力驱动方面。对于驱动器与驱动系统本身，既要有较轻便的重量，较小巧的体积，但又必须具备较大的驱动力，同时还要具有良好的散热性能。这些都是能否实现外骨骼机器人结构紧凑、外力驱动、轻巧便携的关键因素23-26。1.4 本文研究内容 本文主要研究以下几个方面： （1）机械结构的改进与优化。针对前期出现的零件加工较复杂，力学性能不佳等问题，采用自由度替代的原理，对部分零部件进行优化改进，并采用ADAMS运动仿真分析。（2）液压动力系统的设计。为了实现外骨骼机器人连贯、稳定的运动，本设计采用液压驱动的方式，通过设计合理的液压伺服系统，从而实现驱动的目的。 （3）仿真分析与优化。本文基于MATLAB和AMESim软件对下肢外骨骼机器人液压系统建立物理模型，并仿真分析，验证系统的性能，并优化设计。第二章 人体下肢外骨骼机器人的结构优化与运动分析第二章 下肢外骨骼机器人的结构优化与运动分析2.1人体下肢解剖学概述2.1.1人体的基本平面和基本轴人体自由度的定义根据人机工程学中人体基准面和基准轴来确定27，如图2.2所示，人体共有三个基准面和三个基准轴。三个基准面分别是：水平面，矢状面，冠状面。其中水平面是横切直立身体与地面平行的切面，将人体分为上下两部分；矢状面是沿身体前后径所作的地面垂直的切面，将人体分为左右两部分；冠状面是身体左右径所作的与地面垂直的切面，将人体分为前后两部分。三个基准轴分别是：额状轴，矢状轴，垂直轴。其中额状轴是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；矢状轴是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；垂直轴是在垂直通过水平面的轴，它是额状面与矢状面的交线。图2.1 人体基准面和基准轴2.1.2下肢关节运动 解剖学家、物理治疗师根据关节的运动形式、运动方向以及运动关节与身体其它部分的关系，采用专业的命名法，将关节运动分为：平动、角度运动、旋转和特殊形式运动26。 平动：只在平面关节中出现。 旋转运动又可为：屈/伸、外展/内收、回旋、环旋等。 屈/伸：运动环节（指相邻两关节中心之间的部分）在矢状面内，绕额状轴运动，向前运动为屈，向后运动为伸（膝、足关节相反）。 外展/内收：运动环节在额状面内，绕矢状轴运动，远离正中面为外展，接近正中面为内收。 回旋：运动环节在水平面内，绕其本身的垂直轴旋转，由前向内的旋转叫内旋（或称旋前），由前向外的旋转叫旋外（或称旋后）。 环旋：运动环节绕额状轴、矢状轴和它们之间的轴连续运动，运动环节描成一个圆锥体，其远端描成圆锥体的底周。 特殊运动包括：屈足背屈跖、内翻外翻、旋外旋上和旋内旋下。 屈足背/屈跖：以踝关节为轴，将足背往胫骨的方向移动为屈足背，如勾脚；将脚尖往下移动，为屈跖，如压脚背。 内翻/外翻：以踝关节为轴，将足部内侧提起为内翻，外侧提起为外翻28。2.2人体下肢外骨骼机器人结构设计2.2.1 人体下肢骨骼关节结构分析髋骨为人体腰部的骨骼，共左右两块。其结构如图2.2，骶骨与髂骨之间有骶髂关节，从运动方式上可看做滑车关节，属微动关节。主要作用是利于重力通过该关节向下肢传递，以及自高处着地或跳跃时缓冲冲击力及震荡。耻骨联合主要用于连接两髋骨，不具有相对移动性，如此髋骨可看为一个刚性整体。图2.2 人体髋骨结构髋骨和股骨之间的髋关节，由股骨头与髋臼相对构成，属于杵臼关节。髋关节为多轴性关节，能作屈伸、展收、旋转运动。但由于股骨头深嵌在髋臼中，髋臼又有关节盂缘加深，包绕股骨头近2/3，所以关节头与关节窝二者的面积差甚小，故运动范围较小，这里可将之当作球铰链连接。连接大腿与小腿的膝关节，如图2.3所示。主要由股骨内、外侧髁和胫骨内、外侧髁以及髌骨构成，为人体最大且构造最复杂，损伤机会亦较多的关节。其基本运动为屈伸，所以可将膝关节当作平面铰链连接。 图2.3 人体膝关节结构 图2.4 人体踝关节结构踝关节，如图2.4所示。由胫、腓骨下端的关节面与距骨滑车构成，胫骨的下关节面及内、外踝关节面共同作成的“冂”形的关节窝，容纳距骨滑车（关节头），踝关节属滑车关节，可沿距骨体做背屈及跖屈运动。在跖屈时，足可做一定范围的侧方运动，所以将踝关节当作球铰链连接27。2.2.2 人体下肢各关节自由度的配置 为了最大程度复现人体下肢运动状态，下肢外骨骼机器人应尽量与人体本身自由度一致。对于人体髋关节来说，有三个自由度。分别实现矢状面内的屈/曲运动，冠状面内的外展/内收运动，水平面内的旋内/旋外运动，其自由度与球铰链一致；对于膝关节来说，有一个自由度，实现人体在矢状面的屈/曲运动；对于踝关节来说，有三个自由度，分别是矢状面内踝关节屈/曲运动，冠状面内外展/内收，水平面内的旋内/旋外。2.2.3人体下肢各关节活动范围与变化情况 从生物力学角度看, 整个人体运动是以关节为支点, 通过骨骼肌的收缩, 使其绕轴转动来实现的，因此人体各关节的运动范围受到肌肉韧带的限制，下肢各关节运动范围如下表2.1、表2.2所示29。（I） 各关节运动范围的确立 髋关节活动范围：中立位为髋关节伸直，髌骨向上。 表2.1 髋关节活动角度参考值活动类型屈曲后伸外展内收伸位旋转屈曲位旋转正常角度参考值120130101530452030外旋3040内旋4050外旋3040内旋4050 膝关节活动范围：中立位为膝关节伸直，关节活动：a.屈曲：110130b.过伸：510 踝关节及足部关节活动范围:踝关节中立位为足与小腿间呈90度角，而无足内翻或外翻。足之中立位不易确定,本文暂取外展10，内收10。 表2.2 踝关节活动角度参考值活动类型踝关节背屈踝关节跖屈距下关节跗骨间关节跖趾关节正常角度参考值2030约4050内翻约30，外翻3035约25背屈约45，跖屈3040（II） 各关节角度的变化情况各关节在一个步态周期内，各关节的角度变化和功率变化情况分别如下图2.5、图2.630所示。 图2.5 髋膝踝关节角度随时间变化 图2.6 关节在一个步态周期内功率 曲线 的变化 2.2.4 人体下肢外骨骼机器人结构设计下肢外骨骼机器人的运动副简图如下图2.7所示。机架与人体腰部固定连接，髋关节采用轴向转动副与万向节构成的类球铰链，有3个自由度；膝关节采用平面铰链，有1个自由度，其转轴与人体膝关节的转轴平行，类球铰链的十字轴轴心到膝关节平面铰链中心的距离和人体髋关节到膝关节的距离相同；膝关节下面是一个轴向转动副，轴向转动副下面是外骨骼机器人的踝关节部分，其由4个平面铰链、2个直线移动副、1个环形移动副组成，共同构成3自由度，目的是为了形成具有三个正交转轴且转轴交点与人体踝关节中心重合的机构，1号转动副和3号转动副朝向相同，和2号移动副共同用来调整人体脚掌绕踝关节的X轴转动，4号环形移动副的圆心与人体踝关节的球心重合，用于调整人体脚掌绕踝关节的Z轴转动，5号转动副和7号转动副朝向相同，与6号移动副共同用来调整人体脚掌绕踝关节的Y轴转动，而8号部分类似鞋底，与人体脚掌固定连接。各关节具体的三维结构简图分别如图2.6、2.7、2.8所示。 图2.7 下肢外骨骼机器人三维结构简图 图2.8 髋关节部分结构简图 髋关节部分三维结构简图如上图2.8所示，包括髋部U型固定架1、液压缸2、十字轴外延支座3、万向节4、垂直轴向转动轴承5。轴向转动轴承实现髋关节的水平面内的旋内/旋外运动；液压缸通过两侧耳环铰链分别与髋部固定架和可旋转支座连接，实现髋关节在矢状面内的屈/曲运动；万向节实现冠状面内的外展/内收运动，此时髋关节为3个自由度，基本能复现人体髋关节的运动。 图2.9 膝关节部分结构简图 图2.10 机器人高度调整机构简图 膝关节部分三维结构简图如下图2.9所示。膝关节是由大腿6、小腿7、膝关节液压缸8组成。液压缸两侧耳环分别与大腿和小腿内侧铰链支座铰接，通过液压活塞杆的伸长与缩短，实现膝关节在矢状面内的屈/曲运动。机器人高度的调整是通过套杆9、套筒11和固定螺杆10来调整的，如上图2.10所示，套筒表面铣削加工了一个平面，用于与螺杆端面贴合，调整套杆与套筒的相对位置，并用螺杆加以固定，从而实现了高度的调整。该调整装置安装于髋关节与大腿液压缸支座之间，不仅保证了调整的方便性，而且还不受高度的调整的影响。 图2.11 踝关节部分结构简图踝关节部分三维结构简图如下图2.11所示。踝关节是由脚后跟液压液压缸14、踝关节外侧液压缸16、踝关节环形套杆13、环形套筒12组成。脚后跟液压活塞杆耳环与鞋底15连接，通过脚后跟液压缸的运动，可以实现踝关节矢状面内的屈/曲运动。踝关节环形套杆与环套筒构成一个沿曲线运动的移动副，通过二者的相对运动实现踝关节水平面的旋内/旋外运动。踝关节外侧液压缸两侧耳环分别与小腿和环形套筒连接，通过踝关节外侧液压缸的作用，可以实现踝关节冠状面的外展/内收。为了避免环形套杆与鞋后跟液压缸的运动干涉，将其设计成如图中所示。 使用时，使用者将其穿戴在大腿外侧，同时通过松紧带与腰部、大腿、小腿固定，双脚通过脚部松紧带固定在鞋底。2.2.5 人体下肢外骨骼机器人驱动的设置人体下肢外骨骼机器人单侧腿均有七个自由度，如果选择全部驱动必然会导致控制系统的复杂性和不必要的能量消耗，增加装置的自身重量。 因此，只有那些需要消耗大量功率的自由度才应该被驱动。下肢各关节功率消耗情况如上图2.6所示30。绝大部分功率消耗在踝关节、膝关节和髋关节的屈曲运动上。而在实际运动中，7个自由度在行走和爬楼过程中，主要是各关节屈曲运动的1个自由度在作用，其他自由度起辅助作用。结合功率消耗和实际运动情况，因此，本装置髋关节和踝关节3自由度分别只采用一个驱动源，膝关节和小腿轴向（踝关节内收、外展）为单自由度单个驱动源，总共需要四个驱动源。2.2.6 人体下肢外骨骼机器人结构的优化（1） 极限限位保护装置的设置结合前期设计的机械结构可知，一旦控制器控制出现问题，机械装置就存在过量运动的风险，有可能给肌体带来严重的运动损伤，因此机械角度的限位对于保护人体安全具有重要的意义。本机器采用双重限位保护：第一种为接触式限位开关，当各液压缸达到极限位移，触碰限位开关，达到限位的目的。第二种为机械结构限位。 图2.12 髋关节限位 图2.13 膝关节限位 髋关节限位如上图2.12所示，其原理是在髋关节万向节上叉设置限位块A、B，通过限位块将髋关节的运动角度约束在安全范围内。膝关节限位如上图2.13所示，其原理是在外骨骼膝关节设置限位块，通过限位块将膝关节的运动角度约束在人体膝关节运动范围内。踝关节限位是通过零件本身结构尺寸来限制，当踝关节屈矢状面屈/曲运动达到极限时，环形套杆与脚后跟液压缸干涉，当关节冠状面的外展/内收达到极限时，外侧液压活塞杆与地面干涉，达到限位的目的。（2） 人机交互优化设计 下肢外骨骼机器人在设计过长中，需要与使用者进行交互，充分考虑到使用者的感受和产品本身的柔顺性，其设计要符合人体工程学的概念，方便使用者进行合理、舒适的运动。首先，对机构的鞋子结构进行优化。足部其本身并不是一个刚体，而是由肌肉、韧带、筋膜和20多块骨骼组成的复杂结构。脚弓也是人体进化后的一个产物，它与附着在其上面的肌肉，就像减震器一样，减缓地面对人体的冲击，保护人体的组织结构。行走过程并不是整个鞋底同时着地，而是鞋后跟先着地，这就进一步加剧了地面对人体的冲击力。优化后在鞋后跟添加了上下两块橡胶垫，不仅可以提升穿着的舒适感，橡胶垫的变形还可以起到缓冲的作用。其结构如图所示。 图2.14 鞋后跟缓冲垫 其次，对踝关节外侧弧形导向套进行优化。通过运动空间的计算可以得知，当踝关节内收角还未达到运动极限时，导向套绞点出会触碰地面发生干涉，影响了踝关节的运动范围，故对于弧形导向套构件加以优化设计。最后，对髋关节构件进行优化。机器人在行走中承受了较大的液压缸反作用力，髋部结构就需要与人体髋部进行紧固，这必然引起使用体验会大大地下降。基于上述考虑，选用柔性绑带紧固，并在髋背部与机构接触的地方辅以海绵，确保人机交互的舒适性。所设计的机器人髋关节具有3个DOF、膝关节一个DOF、踝关节3个DOF，共7个DOF，其采用液压伺服系统驱动，基本能复现人体下肢运动状态。其实用于臀宽范围小于380mm，髋关节距地面860mm1050mm，重量小于80kg的人。2.3 下肢外骨骼机器人力学分析下肢外骨骼机器人工作时，各个液压缸根据伺服阀的控制，做顺序动作或者复合动作，实现行走的目的。因此，下肢外骨骼机器人的机构受力情况取决于负重满载情况下的重量、髋关节角度1、膝关节角度2和踝关节角度3。人体行走分为单足支撑期和双足支撑期，单足支撑期则是从足尖离地到足跟着地，即足部离开支撑面的时问，约占步态周期的40；双足支撑期是指从足跟着地到足尖离地，即足部支撑面接触的时间，约占步态周期的60% 29。由于人体下肢左右对称，取左腿部分为研究对象，以下未说明之处均为左腿。假定本装置适应体重80kg以内的使用者，装置本身与负载为150kg。整个机构采用材质为LY11的硬铝，重量约为(7.2141)kg31，相较于机器人负载后的重力，机构本身的重量较小，在此为了计算的方便，略去不计。人在处于单腿支撑期受力最大，由上节所确定的各个关节最大活动角度确定1 、2、3的运动极限，由此即可确定各个机构的受力情况和液压缸受力情况。此处做受力分析的目的是为了确定最大受力，为下章液压系统的设计提供数据支持，各液压缸简图如图2.15，2.16所示。图2.15中分别为髋关节，膝关节，踝关节外侧液压缸1、2、3；图2.16为踝关节脚后跟液压缸4。 图2.15 液压系统部分简图 图2.16 4号液压缸及受力图 研究人体行走步态，当一只脚掌完全着地，另一只脚脚尖即将触地时，此时重心完全作用到单侧腿上，各关节处的屈伸力矩最大，即液压缸需要提供的驱动力最大。此时，关节角达到运动极限。（I） 各液压缸活塞杆所受工作载荷的计算首先分析踝关节脚后跟4号液压缸，受力图如上图2.16所示。由受力平衡，对上述机构进行受力分析，液压缸为二力杆件。 （2.1） 以上公式和3的范围可知：当 3最大，即3= 45时，F4最大，F4=1.41G。 同理，分析踝关节外侧3号液压缸，受力图如下图2.17所示。当1、 2最大时，即1= 130；2=110时,F2、F3最大，此时EC CD,且二者固定连接，有： （2.2） （2.3）得出：F3=1.06G 图2.17 3号液压缸受力图 图2.18 小腿受力图 图2.19 大腿受力图如图2.18，对小腿进行受力平衡分析： （2.4） （2.5）如图2.19，对大腿进行受力平衡分析： （2.6） （2.7） （2.8）（2.9） （2.10）式中 （2.11） （2.12） （2.13） （2.14）则EG=122.7mm,为最小值，即2号液压缸最小位移S2minx=EGmin=122.7mm。 （2.15） 解得BD=246.7mm。 （2.16） （2.17） （2.18） （2.19）则AD=343mm，此时AD为最长，即1号液压缸最大位移S1max=ADmax=343mm。 （2.20） 由上面几式，解得：FK=0.14G;F1=0.43G;F2=0.86G。 L1=300mm;L2=185mm;L3=75mm;L4=190mm;L5=210mm;L6=30mm；L7=50mm;L8=85mm。 即液压缸的最大工作载荷分别为：F1=0.43G；F2=0.86G；F3=1.06G；F4=1.41G。（2） 惯性载荷 （2.21） 式中，v速度变化量（m/s）;t气动或制动时间（s）。行走机械一般取v/t=0.51.5m/s2。（3） 液压缸外载荷 各液压缸分别采用光滑轴承铰接在外骨骼上，摩擦载荷忽略不计。相比稳态运动、减速制动而言，启动加速所受外载荷最大，因此液压缸在启动状态有最大的外载荷Fw。此时各液压缸外载荷Fw和实际作用载荷分别为： （2.22） （2.23）同理： （2.24） （2.25） （2.26） （2.27） （2.28） （2.29）式中，取液压缸的机械效率值为。2.4下肢外骨骼机器人驱动方式的选择 机器人常用的驱动方式有电机驱动、液压驱动、气压驱动等三种类型32。（1）电机驱动 电机驱动是采用常用的直流、交流、伺服、以及步进电机等，与位置比较控制器、速度比较控制器、信号和功率放大器、减速器，以及构成伺服驱动系统不可缺少的位置和速度检测部分构成的一种传动方式。其具有能量传递方便、信号传递迅速、结构精简、无污染等优势。其不足之处是运动平衡性不好，容易受到外界负载的影响，惯性大等。前面所介绍的日本筑波大学研制的Hal-5外骨骼机器人即采用电机驱动。（2）气压驱动 气压驱动是以压缩空气为介质进行能量传递和控制的一种传动方式。其工作原理与液压驱动器相同，具有结构简单，安全可靠，价格便宜。不足之处是由于空气的可压缩性，在负载作用下会压缩和变形，控制气缸的精确位置很难，同时由于气动装置的工作压强低，和液压系统相比，功率/重量比要低很多。因此，气压驱动更多适用于搬运较轻物体，且不需要高精度位置的工作环境。（3）液压驱动 液压驱动是把液压泵产生的工作油的压力能转变成机械能的装置，其包括形成液压的液压泵，供给工作油的导管，控制工作油流动的液压控制阀，以及控制回路等组成。其具有功率/重量比高，低速时出力大，惯性小，可靠性好，刚度大，定位准确等优点。适合微处理器及电子控制，可用于极端恶劣的外部环境。它的不足之处是对油温的变化敏感，容易泄露造成环境污染，噪声大，成本较高等。美国Sarcos公司研制的XOS外骨骼机器人； 美国伯克利大学军方合作项目外骨骼助力机器人士兵服BLEEX；洛克希德马丁公司研制的人类负重外骨骼HULC等均采用液压驱动。 考虑到液压驱动具有响应速度快、负载刚度大，同时已然具有十分成熟的控制方法，可以实现精确的过程控制。因此，本文中将采用液压驱动。2.5 机械结构的ADAMS运动仿真分析 为了更好的反映各关节的运动变化规律，本论文借助ADAMS软件进行仿真分析。ADAMS是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。它是全球运用最为广泛的机械系统仿真软件，用户可以利用Adams在计算机上建立和测试虚拟样机，实现仿真，了解复杂机械系统设计的运动性能。ADAMS机构运动仿真部分最为重要的便是添加约束，包括运动副的创建，驱动的添加，载荷的施加。在髋关节、膝关节、踝关节、以及驱动器两端铰链处添加旋转副；在髋关节、膝关节处添加驱动。运用ADAMS/Vi