下肢外骨骼结构设计与控制毕业设计

摘 要外骨骼广泛存在于自然界，许多动物都有不同形式的外骨骼，诸如犰狳的铠甲，穿山甲的鳞片。本质上都是一种可以给他们提供保护的坚硬外部结构，帮助他们抵御天敌，躲避自然灾害。人类从生物学中得到启示，发现外骨骼所具有的巨大潜力，并希望设计一种外骨骼来帮助运动机能受损的人类。因此近些年来许多研究单位和高校都致力于开发能为人体提供支持和保护的外骨骼机器人。作为一种全新领域的机器人，它不仅可以帮助那些肢体受损的残障人士恢复行走，还可以增强人体的负重水平，故可用于交通、建筑、机械、军事、医护等各个领域。目前已知的下肢外骨骼大多为了实现快速精确的运动控制，采用传统驱动形式，将刚性驱动器安装在主动关节的位置上，使得结构庞大复杂，重量居高不下最终使得关节位置与人体契合度不高，穿戴不便舒适性降低。针对以上问题，本文主要研究人体下肢的运动机理，分析阅读国内外最新下肢外骨骼的研究情况，形成自己独立的思考。开发一种全新的下肢外骨骼，设计完成其主体结构和各项配置。力求达到轻量化、小型化的设计目标，本文创新性的采用了绳驱的方式，将驱动器与下肢外骨骼本体分离，驱动器统一安装于背部，从而减少穿戴患者负担。最后，对其硬件例如主控器、传感器、电机及驱动器等进行选型，在LabVIEW 环境编程，对控制方案进行设计，搭建运动控制的试验平台，最终对该下肢外骨骼的结构和控制方案进行验证。关键词：下肢外骨骼；机械设计；运动控制程序iiABSTRACTThe exoskeleton is widespread in nature, and many animals have different forms of exoskeletons, such as the armor of a mandarin duck and scales of pangolins. Essentially, it is a hard external structure that can provide them with protection, helping them to resist natural enemies and avoid natural disasters. Humans have been inspired by biology and found that the exoskeleton has great potential, and he hopes to design an exoskeleton to help humans with motor impairment. Therefore, in recent years, many research institutes and universities have devoted themselves to developing exoskeleton robots that can provide support and protection for the human body. As a brand-new robot, it can not only help those physically disabled people with disabilities to resume walking, but also increase the bodys weight-bearing capacity. It can be used in various fields such as transportation, construction, machinery, military, and medical care.Currently known exoskeleton of the lower extremity is mostly used for fast and accurate motion control. The conventional drive form is adopted. The rigid driver is installed on the position of the active joint, so that the structure is large and complex, and the weight is high and the joint position is not compatible with the human body. High, inconvenient wearable comfort is reduced. In view of the above problems, this paper mainly studies the movement mechanism of the lower limbs of the human body and analyzes the research situation of the latest exoskeleton exoskeletons at home and abroad to form their own independent thinking. Develop a brand new lower limb exoskeleton designed to complete its main structure and configuration. In order to achieve the goal of lightweight and miniaturization, this article innovatively adopts the rope drive method to separate the driver from the exoskeleton body of the lower extremity and install the driver on the back, thereby reducing the burden on the patient. Finally, select the hardware such as master controller, sensors, motors, and drivers, program in the LabVIEW environment, design the control scheme, build a motion control test platform, and finally perform the structure and control scheme for the exoskeleton exoskeleton. verification.Key words: Lower limb exoskeleton robot；mechanical design；motion control iiiprogram目 录摘 要 iABSTRACT.i目 录 I第一章 绪论 .11.1 课题来源及研究意义 11.1.1 课题来源 .11.1.2 研究意义 .11.2 下肢外骨骼研究现状及发展趋势 21.2.1 国内外研究现状 .21.2.2 驱动形式 .41.3 本文研究内容 5第二章 下肢外骨骼总体方案设计 .52.1 人体下肢运动规律 52.1.1 人体基本面和基本轴 .52.1.2 人体下肢运动机理 .62.2 设计原则 72.3 整体方案 72.3.1 整体方案 .72.3.2 整体尺寸 .82.4 本章小结 9第三章 下肢外骨骼结构设计 .103.1 绳驱动线盘结构设计 .103.2 髋关节及膝关节结构设计 113.2.1 髋关节结构 .113.2.2 膝关节结构 .123.2.3 关键轴 .133.3 大腿及小腿结构设计 143.4 踝关节及足部设计 143.5 驱动器设计 15II3.6 本章小结 15第四章 下肢外骨骼运动学分析和零部件校核 .174.1 D-H 模型运动学及运动空间分析 174.1.1 D-H 模型模型运动学正解 .174.1.3 运动空间分析 .204.2 膝部以下人机连接的运动学分析 214.3 关键零件和结构的校核 214.3.1 主要轴的强度和刚度校核 .224.3.2 轴承的寿命校核 .254.3 本章小结 26第五章 变刚度驱动器运动控制实验 .275.1 平台硬件选型 275.1.1 控制器的选择。 .275.1.2 电机选择 .285.1.3 编码器选型 .285.1.4 驱动器选型 .285.2 程序设计 295.21 Labview 开发环境 .295.2.2 初始化程序设计 .295.2.3 数据采集程序设计 .295.4.4 PD 控制程序设计 295.3 阶跃响应实验 305.3.1 实验过程 .305.3.2 实验结果分析 .305.4 本章小结 30第六章 总结与展望 .306.1 工作总结 306.2 工作展望 31参考文献 .32致谢 .35III附录 .3611 绪论1.1 课题来源及研究意义1.1.1 课题来源本论文选题来自国家自然科学基金青年基金项目“类生物骨骼肌变刚度驱动器的仿生机理与优化设计方法研究” （项目批准号：51605339） ，中国博士后基金面上项目“面向康复机器人的变刚度驱动器仿生设计原理及方法” ， （项目批准号：2016M592382）及中国高校基本科研业务费专项资金青年教师自助项目“智能机器人用柔性驱动器的仿生设计方法和控制策略” （2042016kf0021） 。1.1.2 研究意义外骨骼广泛存在于自然界，许多动物都有不同形式的外骨骼，诸如犰狳的铠甲，穿山甲的鳞片。本质上都是一种可以给他们提供保护的坚硬外部结构，帮助他们抵御天敌，躲避自然灾害。人类从生物学中得到启示，发现外骨骼所具有的巨大潜力，并设计一种外骨骼来帮助运动机能受损的人类。 。因此近些年来许多研究单位和高校都致力于开发能为人体提供支持和保护的外骨骼机器人。作为一种全新领域的机器人，它不仅可以帮助那些肢体受损的残障人士恢复行走，还可以增强人体的负重水平，故可用于医疗、军事、建筑、机械等各个领域，比如：在建筑行业中，复杂的施工环境，短暂的工期，都催促施工者提高工作效率，加快进度；在战争中，士兵需要背负各种现代化武器和新兴装备以应对突如其来的战况；在医护行业，护士需要经常辅助患者行走，搬运伤者和医疗器材；在社会中，存在许多残障人士，需要辅助才能行走。下肢外骨骼既可以帮助人们提高背负载荷的能力，完成繁重的工作，还可以为患者提供运动康复治疗使得那些残障人士可以生活自理恢复自信心。因此，设计开发一种集轻量化、便携化、智能化于一体的下肢外骨骼成为了现阶段的主流趋势。目前已知的下肢外骨骼大多为了实现快速精确的运动控制，将刚性驱动器安装在主动关节的位置上，使得结构庞大复杂，重量居高不下最终使得关节位置与人体契合度不高，穿戴不便舒适性降低。针对以上问题，本文的主要研究内容有：第一，研究人体下肢的运动机理，分析阅读国内外最新下肢外骨骼的研究情况，形成自己独立的思考，设计一种新型的下肢外骨骼。第二，自主设计完成一种下2肢外骨骼，完成三维绘图及二维工程图的绘制，并制作样机验证其可行性。第三，利用 DH 方法建立下肢外骨骼的运动学方程。分析计算下肢外骨骼的运动空间，讨论其与人体运动空间的拟合程度。之后以膝关节以下的人机穿戴进行分析，进行建模讨论穿戴偏差。最后用有限元分析软件 ANSYS 对关键轴类零件进行计算校核，最后计算轴承寿命。第四，加工各个零部件组装样机，选择硬件例如主控器、传感器、电机及驱动器等，对控制方案进行设计，在 LabVIEW 环境编程，搭建运动试验平台，最终对该下肢外骨骼的结构和控制方案进行验证。1.2 下肢外骨骼研究现状及发展趋势1.2.1 国内外研究现状上世纪 60，美国海军在实战中发现提高士兵的负载能力有助于提升其作战能力，于是由其下属的研究办公室提供资金，牵头美国通用电器集团和美国著名高校康奈尔大学，要求其开发一款可以提升人体负载能力的外骨骼助力机器人。不久之后这款名为“哈迪曼 1”的外骨骼助力机器人便应运而生，如图 1.1 所示。利用水压作为其动力源，使用早期主从控制方法。 “哈迪曼 1”体积巨大，重量也达到了惊人的 680 kg。虽然如此“哈迪曼 1”依旧展现出来惊人的效果，实验证明它利用水泵提供的压力最多可以将人体的四肢力量提升 25 倍 8。虽然效果明显，缺点也显而易见，680kg 的庞大重量让使用者望而却步，只能固定在基座上供人演示。使得后续研究者认识到要考虑驱动形式和机械结构的影响，提高其实用性。在这之后的 1978 年，麻省理工学院也参与到下肢外骨骼的设计中来，为了避免外骨骼机器人体积和重量过大。他们提出一种准被动式外骨骼助力机器人新的思路，借助人体本身的力量开发出一款更加便携、使用更加舒适的机器人。经过几年的研发，这款机器人最终成型。图 1.2 为麻省理工学院设计的外骨骼下肢助力机器人。进入新千年以后，各国对下肢外骨骼的研究都跨上了新的台阶，2000 年，为了增加士兵的承重和运动能力，美国著名武器制造商洛马公司推出了一款 “HULC”的外骨骼机器人，如图 1.3 所示。由于设计之初就考虑到要将其应用到实战中去，所以该外骨骼机器人首要目标便是在士兵负重的情况下还能提高士兵的机动能力。利用特殊的机械结构可以将人体的体重传递至地面，使用者仅仅3承担一部分负重，使得其实用效果大大提升，但是其在续航方面存在短板，一次充电仅仅可以使用 2 小时左右 7。与此同时，日本的研究也取得了突破，日本由于人口老龄化严重，医护工作者短缺。由此思路日本神奈川理工学院开发了一款全身式外骨骼助力机器人，各个机械单元相对独立。可以协助医护工作者搬运重物，转移病人，协助患者行走。利用气动驱动器实现驱动。它的驱动器其最大负载可以到达 85 kg 11，满足日常需要。图 1.4 神奈川理工 图 1.6 哈佛柔性机器人近年来，下肢外骨骼的设计研究不断推陈出新。 2016 年哈佛大学的 Walsh 教授的设计就让人眼前一亮。该团队经过反复研究，抛弃了传统机械结构，创新性的提出了像衣服般柔软的下肢外骨骼，利用柔性弹力绳布置在人体的各个受力关键点，在起到协助人体运动的同时，不给使用者增加身体和心里上的负担，设计科学合理，应用前景广泛。 相比较于国外，国内在该领域的研究较晚，技术较为落后，但近几年国家重点项目的大力支持下也取得了卓越的成效。如华中科技大学、哈尔滨工业大学、浙江大学，和中科院等，提出了各自的新设计新思路。图 1.7 为浙江大学自主研发的多自由度下肢外骨骼助力机器人。在髋关节和膝关节这两个主动关节使用气动驱动。另外为了提高人机交互性能，预判使用者图 1.1 哈迪曼 1 图 1.2 MIT 外骨骼机器人 图 1.3 HULC4意图比如：屈膝、伸腿等，设计者还在其脚底板设置压力变化传感器并将其输入到主控板上，再将其反馈到主动关节的气缸的位移控制信号上，以实现人机协作。电子科技大学也自主研发了一款下肢外骨骼。其创新点在于利用传感器预判使用者运动趋势，将信号反馈给主动关节配合其动作。这套主要面向残障人士，还配备了两根拐杖协调运动，辅助残障人士行走如图 1.8 所示。中科院先进制造技术研究所自主研发了一款使用电机驱动的多自由度助力下肢外骨骼，由于使用了高精度的电机及传感器，体积和质量都较大，正在试验阶段。图 1.7 浙江大学机器人 图 1.8 电子科大机器人 图 1.9 中科院下肢机器1.2.2 驱动形式下肢外骨骼的驱动方法主要有电气驱动、液压驱动、气压驱动、绳驱动等。液压驱动虽然可以提供较大的功率输出，但是众所周知液压设备具有体积巨大、价格昂贵、污染高等缺陷不适合下肢外骨骼这样小型的设备使用。气压驱动的和液压驱动一样，只是将载体由液压油变为气体。但是相比于液压驱动气压驱动功率小很多，并且空气的压缩形变较大，导致运动时冲击较大。运动不平稳导致，气动驱动难以实现精准的位置控制。给下肢外骨骼的控制系统的设计增加了许多难度。电气驱动具有很多优点比如反应快速、运动精度高、体积小，控制精确等。但是下肢外骨骼与工业机器人不同，最终目的是达到人机的协调配合。将电机设置在主动关节上，导致人机穿戴偏差大，使用者舒适性降低。而且电机体积和重量都比较大，给使用者增加了不小的负担。某些进口电机价格高昂，最终使得整机加工居高不下，难以面向市场。5考虑到这些问题，本文设计的下肢外骨骼采用绳驱动的方式。绳驱动相较于电机驱动关节，在保证输出功率的同时，重量更轻、体积更小、更易于实现控制。由此可见，绳驱动具有运动速度快，控制精度高，柔性驱动，价格低廉等诸多优点。1.3 本文研究内容（1）阅读国内外最新下肢外骨骼的研究情况及文献，分析研究人体下肢的运动机理，形成自己独立的思考，并设计完成一种基于绳驱的新型下肢外骨骼。（2）自主设计完成一种下肢外骨骼，完成三维绘图及二维工程图的绘制，并制作样机验证其可行性。（3）利用 DH 方法建立下肢外骨骼的运动学方程。分析计算下肢外骨骼的运动空间，讨论其与人体运动空间的拟合程度。之后以膝关节以下的人机穿戴进行分析，进行建模讨论穿戴偏差。最后用有限元分析软件 ANSYS 对关键轴类零件进行计算校核，最后计算轴承寿命。（4）加工各个零部件组装样机，选择硬件例如主控器、传感器、电机及驱动器等，对控制方案进行设计，在 LabVIEW 环境编程，搭建运动试验平台，最终对该下肢外骨骼的结构和控制方案进行验证。6第二章 下肢外骨骼总体方案设计2.1 人体下肢运动规律2.1.1 人体基本面和基本轴如图 2.1 是人体的基本面和基本轴的划分。从人体的相对几何中心开始，建立了一个直角坐标系各轴两两垂直，垂直于地面向上的轴称为垂直轴；水平从后向前与人体目光方向一致的轴称为矢状轴；水平从左向右并且同时垂直于纵转轴和矢状转轴的轴称为额状轴。这三轴分别为水平面、额状面、和矢状面的法向量。2.1.2 人体下肢运动机理人体的各个关节都主要由骨、关节和骨骼肌三者组成，关节内存在关节软骨、韧带及脂肪等。对人体下肢的主要关节有三个，分别是髋关节、膝关节和踝关节。耻骨、坐骨、髋骨、组成髋关节；髌骨和胫骨则构成膝关节；胫骨的下关节面及内、外踝关节面构成踝关节。外部的肌肉起到牵拉、覆盖及保护的作用，关节内则有软组织和脂肪提供润滑与保护。髋关节，为杵臼关节，关节表面覆盖软组织，内部充满滑脂。每当关节内压力增大滑脂被挤出压力减小滑脂吸入，使得关节内压力始终保持平衡。其主要运动为奔跑时的前后屈伸及左右跨步时的外旋和内旋。膝关节，为滑车关节，关节内有一个由股骨内、外侧髁和胫骨内、外侧髁以及髌骨组成的关节腔，关节面上覆盖一层光滑的关节软骨。在收缩及伸直状态时，肌肉及韧带收紧，无法做旋转运动，只能前后屈伸，因此将其简化为仅具有屈伸自由度。踝关节也是一个滑车关节，主要有由胫骨的下关节面及内、外踝关节面构成，可以做背屈或跖屈运动。因为踝关节处的韧带和肌肉都较为薄弱，运动角度又限制较大，故将其简化为一个被动的单自由度的铰链， 腿部肌肉组成如图 2.3 在此不再赘述。髋关节 膝关节 踝关节7伸/屈 外旋/内旋 外展/内收 屈/伸 背伸/趾屈 外旋/内旋120/-30 60/-30 80/-35 0/-90 25/-30 40/-40表 2.1 人体下肢基本运动范围图 2.1 人体划分 图 2.2 下肢骨骼 图 2.3 下肢肌肉2.2 设计原则（1）强化功能实用性。设计初衷即考虑下肢外骨骼康复训练及助力，强化实用功能，摒弃冗余结构，尽可能达到结构简单，功能全面。（2）增强零件工艺性。在设计零部件时，要考虑加工、制造及装配时的情况，尽可能在保证零件精度的同时，减小制造难度，降低成本，提高实用性。（3）强调设计舒适性，设计始终立足以人为本，考虑穿戴者使用时感受降低人机连接偏差，达到穿戴无负担，使用舒适，操作简单，响应迅速。 （4）保证零件可靠性，在满足强度和刚度的情况下进行结构优化，使用高性能材料，尽量降低运动惯量。2.3 整体方案2.3.1 整体方案根据上述原则，现将总体方案描述如下：（1）背板作为驱动及控制装置的主要安装位置，同时也是人机链接的重要部分。背板预留孔位，设置弹性绑带，可根据不同体型的用户调节，使用者可以像背起书包一样的轻松的背起背板，自由活动不受位置的限制，满足日常康复活动的需8求。（2）大腿、小腿板的形状类似锥形，中部镂空减轻质量，减小使用者负担。为满足不同体型和身高的使用者，利用锁紧滑块机构完成长度调节的功能。真正做到以人为本。（3）髋关节和膝关节作为主动关节，其轴心与人体关节轴心重合起到辅助人体运动的功能。V 型张紧板指向绳驱线盘轴心，对钢绳起到固定和张紧的作用。背部驱动器驱动钢绳运动并并最终传到到髋关节、膝关节线盘。 （4）为增强人机配合，腿部还设置了可移动锁紧滑块绑腿机构，便于不同使用者进行调节。（5）小腿板和脚踝板通过脚踝轴进行连接，脚踝轴两端皆配置轴承，使得小腿板和脚踝板可以相对移动。由前述可知，踝关节较为薄弱，易发生关节积液、韧带撕裂及扭伤，故踝关节处设置单自由度。关节内部也布置限位，防止过度屈伸为使用者带来伤害，起到保护使用者踝关节的作用。图 2.4 分别为主视图、右视图和后视图。图 2.4 主视图 图 2.4 右视图 图 2.4 后视图2.3.2 整体尺寸依据中国居民平均身高分布中的数据，男性的平均身高范围在 168cm-175cm，女性则在 158cm-168cm。为提高该设计的通用性设置腿部变长机构，将大腿的可调整范围确定为 400cm-530cm，小腿可调整范围确定为 320cm-420cm。仅仅 设 置 变 长 机 构 还 远 远 不 够 ， 考 虑 到 人 机 连 接 的 舒 适 性 。 在 背 板 上 预 留 孔 位 ， 设 置长 度 可 调 节 的 弹 性 绑 带 ， 将 驱 动 器 、 减 速 器 、 电 机 及 关 键 控 制 设 备 固 定 在 背 板 上 可9以 随 使 用 者 运 动 。 为 适 应 不 同 使 用 者 的 不 同 的 身 高 和 体 型 ， 大 腿 及 小 腿 固 定 绑 带 的滑 块 位 置 也 可 做 出 调 整 。 踝 关 节 设 置 被 动 自 由 度 ， 不 设 置 脚 板 而 是 在 踝 关 节 板 处 设置 卡 槽 ， 将 使 用 者 原 有 的 鞋 固 定 在 上 面 增 强 适 应 性 和 舒 适 性 。 在 soildworks 中 选 择材 料 属 性 ， 考 虑 到 使 用的 便 捷 性 和 舒 适 性 ， 通 过 简 单 计 算 考 虑 使 用 轻 且 坚 固 的 铝 合 金 作 为 板 件 的 主 要 材 料 ，背 板 考 虑 使 用 美 观 坚 固 的 有 机 玻 璃 ， 轴 类 则 考 虑 使 用 不 锈 钢 进 行 加 工 。 布 置 完 材 料后 ， 核 算 整 机 包 括 电 机 及 驱 动 设 备 质 量 约 为 13kg， 体 积 约 为 相 对 与 其5.5106mm3他 常 见 设 备 对 人 体 负 担 很 小 。 整 机 左 右 宽 度 520mm 左 右 ， 前 后 宽 度 390mm 左 右 ， 上下 高 度 1300mm， 两 者 均 可 做 出 调 整 。 图 2.5 为 下 肢 外 骨 骼 在 CAD 中 的 总 装 图 。 2.4 本章小结本章开篇首先对人体下肢的关节进行了介绍，建立起了对人体下肢结构的基本认识，并由此来安排每个关节的自由度结构方案。而后确定下肢外骨骼设计的原则并且对整机的方案进行了规划，最后对相关硬件的选型做了介绍表格说明了各项指标及参数。图 2.5 主视图 图 2.5 右视图图 2.5 俯视图10第三章 下肢外骨骼结构设计3.1 绳驱动线盘结构设计要将电机输出的转矩转换为钢绳的拉力，再将拉力转换为驱动主动关节转动的转矩则需要一种动力转换装置，利用绳驱线盘将钢绳的拉力转化转矩将其输入到主动关节，如图 3.1 所示即为髋关节绳驱示意图，髋关节设置为单自由度。老式线盘如图 3.2 工作时电机及驱动器工作使得 A 线张紧， B 线放松为顺时针转动，反之逆时针转动，两边对称设置挡位卡槽以固定钢绳。改进后新的绳驱线盘将边缘线槽改为螺旋线，只需一根钢绳，两次通过挡位卡槽进行张紧。线槽深 3mm起导向及约束的作用。V 型张紧板与线盘的圆心对齐，使得钢绳沿着线盘的圆周切向方向运动。图 3.1 新绳驱线盘 图 3.2 旧绳驱线盘3.2 髋关节及膝关节结构设计3.2.1 髋关节结构髋关节，由第二章可知属于杵臼关节，主要可做后伸或外旋以及大腿外展。11本质上属于球角关节，但是在实际应用中球角关节不仅难以与人体配合，更无法现实驱动。考虑到髋关节的主要运动，将其简化为单自由度转动副使得其可控制性、稳定性增强，使用更加简单。髋关节的传动机械结构采用叠加传递的形式，绳驱线盘中心轴线与关节中心轴线重合。绳驱线盘置于最外端与大腿圆盘相固定，大腿圆盘作为驱动的平台，绳驱线盘转动带动大腿运动，大腿圆盘在其孔位两端设置挡边轴承和卡簧对轴进行定位。髋关节轴设置为阶梯轴，一端留有直径 1.5mm 孔位放置编码器，将旋转位移转换成数字脉冲信号来控制角位移，另一端与髋关节圆盘固定，两者预留3mm 间隙以减小摩擦力的不利影响。并参照表 2.1 可知髋关节屈/伸角度为 120/-30 实际步行范围则小于最大屈/伸度。为防止过度屈伸保护使用者在关节内设置限位。如图 3.3 为膝关节结构剖面图。同时为防止下肢外骨骼过度屈伸，关节内增加限位以达到在保护使用者关节不受侵害的同时，给予助力，关节限位如图3.4 所示，3.5为总装图。1 髋关节板、2 髋关节轴、3 限位、4 大腿板、5 卡簧、6 轴承、7 线盘图 3.3 膝关节结构剖面图1 髋关节板、2 限位块 a、 3 限位块 b、4 大腿板、12图 3.4 髋关节限位示意1 大腿板、2 线盘、3 髋关节轴、4 髋关节板图 3.5 髋关节总装3.2.2 膝关节结构膝关节结构与髋关节较为相似，设置大腿滑块，内有滑道及簧片，调节紧定螺钉可以调节大腿长度，膝关节圆盘与其固连。传动机械结构依然采取叠加传递的方式。绳驱线盘中心轴线与关节中心轴线重合置于最外端与小腿圆盘相固定，小腿圆盘作为驱动的平台，绳驱线盘转动带动小腿运动，小腿圆盘在其孔位两端设置挡边轴承和卡簧对轴进行定位。膝关节轴依然设置为阶梯轴，一端留有直径1.5mm 孔位放置编码器，将旋转位移转换成数字脉冲信号来控制角位移。另一端与膝关节圆盘固定，两者预留 3mm 间隙以减小摩擦力的不利影响。并参照表 2.1可知膝关节屈/伸角度为 120/-30 实际步行范围则小于最大屈/伸度。为防止过度屈伸保护使用者在关节内设置限位图 3.6 为膝关节剖面图，膝关节总装示意图如3.7 所示。1 线盘、2 轴承、3 卡簧、4 大腿板、5 膝关节轴、6 小腿、133.6 膝关节剖面图1 大腿、2 膝关节轴、3 线盘、4 小腿、3.7 膝关节总装3.2.3 关键轴髋关节轴和膝关节轴是设计时的关键，考虑到关节处承受较大载荷，在挑选材料时，不仅要采用高强、高韧的材料，还应在一定程度上保证其价格低廉、加工性能好。查看机械加工手册，考虑使用 304 钢作为轴的材料。根据预估载荷进行初步估算，将髋关节轴径尺寸定为 10mm。髋关节轴主要承受大腿板及人体下肢重量带来的弯矩，而不承受扭矩，故可将该轴视为心轴。考虑到该轴采取叠加传动的方式，将其设置为阶梯轴，设计轴的直径为 10mm，设计轴肩的直径为 12mm，轴向长度 28mm。在 SOILDWORKS 中配置材料估测质量为 0.01kg，其方案设计如图 3.8 所示。膝关节轴相似，但轴向长度 24mm，设计轴的直径为 10mm，设计轴肩的直径为 15mm，估测质量为 0.01kg。方案如图 3.9。图 3.8 髋关节轴 图 3.9 膝关节轴143.3 大腿及小腿结构设计簧片调节两者间隙，增大摩擦提高稳定性。使用者穿戴上后，松开紧定螺钉，大腿末端即可在锁紧滑块中滑动，调节到合适的位置后，拧紧紧定螺钉，防止相对移动。大腿末端安装限位块，保证大腿板不会滑脱。考虑到人机连接，为适应不同体型和身高的使用者，设计一个结构相似的可移动锁紧滑块。该滑块可以在腿部末端滑动以调节绑腿位置。在其上固定弹性绑带人机连接紧密便于穿戴，图 3.10 为大腿总装图，3.11 为小腿总装图。1 髋关节板、2 大腿板、3 可移动锁紧滑块、4 线盘、5V 型张紧板图 3.10 大腿总装1V 型张紧板、2 线盘、3 小腿、4 可移动锁紧滑块、 5 锁紧滑块、6 限位图 3.11 小腿总装3.4 踝关节及足部设计由前述可知，踝关节较为薄弱，外旋、内旋角度较小易发生扭伤及韧带撕裂等伤害。为保护使用者，在踝关节处布置单自由度，踝关节轴端上布置挡边轴承使得脚踝板和小腿板可以相对转动。关节内部同样设置限位保证在上述角度范围内自由旋转而不会超出该范围起到保护使用者的作用。 1 小腿板、2 轴承、3 脚踝轴、4 脚踝板、5 卡簧15图 3.12 踝关节剖面图3.5 驱动器设计驱动器是实现关节运动的重要部件。在驱动器的选择上考虑到外部冲击和碰撞以及人体下肢关节运动机理。决定选用旋转式串联弹性驱动器 SEA。串联弹性驱动器 SEA 得主要组成部件如图 3.13 所示。其中 Maxon 的盘式电机作为动力来源。其输出端与输入齿轮连接，输入齿轮与内套筒齿圈啮合，支架支撑固定外套筒，内套筒与外套筒之间安装深沟球轴承，可以产生相对转动。接通电源后，电机转动带动内套筒转动，外套筒与内套筒之间发生相对转动。绳驱线盘安装在外套筒末端，输出角位移。其结构如图 3.13 所示。1 四叉输入件、2 线性弹簧、3 内套筒、4 外套筒、5 轴承、6 线盘、7 电机、8 底座、9 编码器底座、10 增量式编码图 3.13 驱动器3.6 本章小结本章首先介绍了柔性驱动下肢外骨骼的工作原理及安装方式对比新旧两个不同线盘。之后具体介绍了主动关节的解构和配置，分析了髋关节、膝关节的具体结构，列出了关键轴的参数和大腿、小腿、踝关节的设计方案，最后对驱动器进行详细的结构了说明，整机的总装配图及各个零件名称如下图所示。161 背 板 、 2T 型 限 位 、 3 腰 板 、 4 可 移 动 锁 紧 滑 块 绑 腿 、 5 锁 紧 滑 块 、 6 踝 关 节 板 、7 驱 动 器 、 8 髋 关 节 、 9 大 腿 、 10 膝 关 节 、 11 小 腿 、 12 踝 关 节图 3.14 整 机 的 总 装17第四章 下肢外骨骼运动学分析和零部件校核本章将首先讨论下肢外骨骼的空间运动范围，探讨其与人体空间运动范围的拟合程度。之后再对下肢外骨骼的人机连接情况及位姿关系进行分析，讨论其偏差。最后对关键零部件进行校核，验证机构可靠性。4.1 D-H 模型运动学及运动空间分析4.1.1 D-H 模型模型运动学正解本文设计的下肢外骨骼，具有两个主动和一个被动关节可以采用机器学中常用得 D-H 方法进行运动分析。要建立下肢外骨骼的直角空间坐标系，首先要将机器人拆分为各个不具有运动副的刚体，在每个刚体上设置一个坐标系，并据此列出一个含有位移和转角等参数 44 的齐次变换矩阵。利用该矩阵可以对对相邻两刚体的空间位置关系进行描述。然后利用公式，依次推导变换最终可得出末端执行机构相对于初始坐标系的位姿，从而建立起机器人的运动学方程。将下肢外骨骼的初始位置定义为人体自然直立，大腿小腿自然下垂，且两者共线。此时，各关节角均为零。设腰部后板固定端为基坐标系。简化后的下周外骨骼坐标系如图 5.1 所示。图 5.1 下肢外骨骼坐标系18得到 DH 参数表如下：关节 i i-1 ai-1 di i 关节变量运动范围1 0 0 0 0 02 -90 0 l1 0 03 90 0 -l2 0 04 0 l3 0 1 120/-305 0 l4 0 2 0/-906 0 l5 0 3 25/-30表 5.1 下肢外骨骼 D-H 参数表各个量的含义如下：变量 ：由坐标轴 到坐标轴 ,绕坐标轴 旋转的角度； 1 1 1变量 ：由坐标轴 到坐标轴 , 沿坐标轴 移动的距离； 1 1 1变量 ：从 到 ，绕 旋转的角度； 1 变量 ：从 到 ，沿 移动的距离。 1 下肢外骨骼，将其视为一个连杆坐标系，坐标系 i 与坐标系 i-1 都是以上四个参数的函数并通过以上四个参数相关联。=Rot(X， )Trans（X, ）Rot(Z, ) Trans（Z, ） （4.1）i-1i 1 1 =Screw (X， ) Screw (Z, , ) （4.2）i-1i 1, 1 = （4.3）i-1i(ci -sisic11 0 ai-11 1110 0 110 1 )上式中各个符号意义如下：Rot（x ）代表旋转变换矩阵，表示绕 x 轴旋转 度；， Trans（x ）代表平移变换矩阵，表示沿 x 轴平移距离为 r， r ；19Screw（x ）代表旋转变换矩阵，表示沿 x 轴平移距离为 r，并且， ,绕 x 轴旋转 度。c cos s sin 将下肢外骨骼 D-H 参数表中的各个数据依次带入方程（4.3）中，可以得到：= （4.4）01(1 00 1 0 00 00 00 0 1 00 1)= （4.12(1,900)(1,1)=(1 00 (900) 0 0(900) 00 (900)0 0 (900) 10 1)5）= （4.623(2,900)(2,2)=(1 00 (900) 0 0(900) 00 (900)0 0 (900) 20 1 )）= （4.7）34(3,1)(3,3)=(11110 30 00 00 0 1 00 1 )= 45(4,2)(4,4)=(cos2-sin2sin2cos20 -40 00 00 0 1 00 1 )（4.8）= （4.9）56(5,3)(5,5)=(cos3 -sin3sin3 cos3 0 -50 00 00 0 1 00 1 )20= = （4.10）06011223344556(aa0 0 a0 1)nx=（ 1+2+3）ny=-（ 1+2+3）nz=0=sin（ 1+2+3）=cos（ 1+2+3）oz=0ax=0ay=0az=1=3+5（ 1+2） +41=1-5（ 1+2） -4sin1=2（4.11）为了验证上述方程的准确性，设下肢外骨骼静止不动时人体自然直立，大腿小腿自然下垂，且两者共线，各个关节转角为零。故将 =0， =0， =0 代入上式。1 2 3（4.12）nx=1ny=0nz=0ox=0oy=1oz=0ax=0ay=0az=1px=3+5+4py=1pz=2= = （4.13）06011223344556(1 00 1 0 3+4+50 10 00 0 1 20 1 )与模型完全吻合，解析正确。214.1.3 运动空间分析由前述可知，下肢外骨骼末端存在一个运动范围，我们将其末端可以到达的范围称为运动空间。它时用来量化其工作性能的一项极其重要的指标，一般来讲其运动空间和人体生理运动空间越相似，拟合程度越好，机器人性能越优良。通常求解运动空间范围可利用图解法、解析法和数值法，针对本文下肢外骨骼，利用数值法求解其工作空间。是关节变量 的方程，对各个关节随机取样。大腿及px， py， pz 1， 2， 3， 4小腿长度尺寸 =200mm、 = 220mm、 =400mm、 =325mm、 =80mm。l1 l2 l3 l4 l5利用数值计算软件 Matlab 进行计算。将各个关节的变量随机变换组合，将得到的数据代入式(4.11) 中得到不同 ，即末端点的位置。在三维坐标中绘出各px、 py、 pz个点位，并得到下肢外骨骼的工作空间点图如图 5.3；再依据人体下肢关节运动范围，重复上述步骤可以绘制出人体运动空间点图如图 5.4。对比两者可知，本文设计的下肢外骨骼在工作空间与人体下肢的运动空间大部分重合，证明其可以设计合理。4.2 膝部以下人机连接的运动学分析D-H 方法不仅可以用来解析下肢外骨骼运动空间，还可以解析在人机配合中的关键位置和连接中可能出现的穿戴偏差。从而修正改进机械结构，提高穿戴舒适度，减小穿戴偏差，这里仅作简单讨论，不做具体介绍。图。5 为膝以下外骨骼坐标系及尺寸，假定大腿处设置弹性绑带，对膝关节以下人机进行偏差分析，最终可得到人体末端与下肢外骨骼末端之间的向量关系，得到一个关于偏差角度的矩阵。可由 matlab 得到偏差的量化指标从而进行优化。22=Trans（ ,- ）Trans( )Rot( )=01 x00 0,1 x0,900（4.14）(1 00 1 0 -l00 00 00 0 1 00 1 )(1 00 1 0 00 l10 00 0 1 00 1)(1 00 0 0 0-1 00 10 0 0 00 1)=Trans（ , ）Rot( ) Rot( Rot( )=12 1 1 x1,900 1,5) 1,4(1 00 1 0 00 00 00 0 1 l20 1)(1 00 0 0 0-1 00 10 0 0 00 1)(cos500 1 -sin500 0sin500 0 cos500 1)(cos4 -sin4sin4 cos4 0 00 00 00 0 1 00 1)（4.14）=Trans（ , ）= （4.15）23 2 3 (1 00 1 0 00 00 00 0 1 l30 1)=Trans（ , ）= （4.16）34 3 4 (1 00 1 0 00 -l40 00 0 1 00 1 )=Trans（ , ）Trans （ , ）= （4.17）45 4 5 4 6 (1 00 1 0 00 -l50 00 0 1 l60 1 )23（4.18）05=01122334454.3 关键零件和结构的校核确定了下肢外骨骼的总体方案和尺寸后，下一步就是对各个部件进行校核。验证其是否满足强度和刚度要求，只有满足要求的零件才是安全可靠的。本节对下肢外骨骼进行校核，主要内容包括轴弯曲强度和挠度，轴承寿命计算以及对关键零部件进行静力学分析等。4.3.1 主要轴的强度和刚度校核对轴进行的校核的主要是强度和刚度两个方面。对于承受不同载荷的轴计算方法也不尽相同。原则上只要确定出轴的结构和尺寸、轴上零件的布置以及各反力的作用位置就可以求出关键轴上的载荷。本文设计的下肢外骨骼的轴，由前述可知，皆为心轴。以髋关节为例，该轴一端与髋部板固连，另一端布置轴承与大腿配合，故可将其视为悬臂梁。下面即对各个轴进行具体核算验证可行性。在 SOILDWORKS 中给装配体选择各个零部件，配置不同材料。板材主选铝合金 6061，轴类选择 304 不锈钢。可以得到下肢外骨骼整体及各个部分的质量。L1 L2 L3 L4 L5 m1 m2 m3200 220 400 320 80 5.8 5.3 2.8表 4.2 下肢外骨骼各零件长度及质量L1腰后梁长度，mm；L2腰侧梁长度，mm；L3大腿长度，mm；L4小腿长度，mm；L5脚踝长度，mm；m1髋关节以下质量，kg；m2膝关节以下质量，kg；m3踝关节以下质量。Kg。24部位 头颈 上臂 前臂 手 大腿 小腿 足百分比 8.20%8.62%2.43%2.66%1.14%1.25%0.42%0.64%14.10%14.19%3.67%4.43%1.24%1.48%表 4.3 人体下肢质量分布（1）髋关节轴 对髋关节轴进行 Ansys 的有限元分析。由前述可知，该轴为心轴，轴上载荷形式为应力 F。 = 750 （14.19%+3.67%+1.48%） ； （4.19）km1+ = /S = /rl 。 （4.20）kk k得 =808439.5Pa。该轴选用 304 钢，许用弯曲应力为 137 MPa、屈服极限k为 206.8MPa、密度为 8000 kg/m3。结果如图 4.7 所示。由受力分析可以知道，由受力分析可以知道，该轴同样在受扭矩最大或截面直径最小处容易发生危险，截面 1 处扭矩最大， ， =26mm。和截面 2 处直径较d1小， =10mm。故判断其发生危险的可能性最大。d2= +5)=2639.65 Nmm （4.21）1k(l2= =1015.25 Nmm （4.22）2k5按照弯曲强度条件:= （4.23）ca2+2 1轴的计算应力， MPa； caM轴所受的弯矩，Nmm； T轴所受的扭矩，Nmm；W横截面为圆时抗弯截面系数 ；， mm3许用弯曲应力。MPa 1= =0.1d332 d3，=1.5 MPaca1