穿戴式下肢負(fù)重外骨骼機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)仿真【含三維及8張CAD圖】

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I穿戴式下肢負(fù)重外骨骼機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)仿真摘要：穿戴式負(fù)重外骨骼機(jī)器人是輔助下肢有運(yùn)動(dòng)障礙的患者進(jìn)行站立及行走活動(dòng)的康復(fù)型機(jī)器人。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)康復(fù)機(jī)器人的需求越來(lái)越多，而國(guó)內(nèi)研究剛剛起步，許多技術(shù)還不夠成熟，還需要不斷的深入研究。本論文對(duì)下肢外骨骼機(jī)器人進(jìn)行了國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的查閱和需求分析，針對(duì)機(jī)器人的機(jī)械總體結(jié)構(gòu)、外骨骼系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真與動(dòng)力學(xué)分析進(jìn)行了設(shè)計(jì)。首先，由于外骨骼機(jī)器人需要適用于人體結(jié)構(gòu)，因此外骨骼機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要明確人體尺寸及下肢運(yùn)動(dòng)范圍。根據(jù)人體下肢結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特征確定機(jī)器人關(guān)節(jié)自由度，選擇合適的驅(qū)動(dòng)方式并設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)式。其次，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)外骨骼機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和運(yùn)動(dòng)特性分析。運(yùn)用拉格朗日方程建立動(dòng)力學(xué)模型，為機(jī)器人控制奠定基礎(chǔ)。最后，本文采用 Creo 三維軟件對(duì)外骨骼機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。關(guān)鍵詞：外骨骼機(jī)器人；可穿戴式；動(dòng)力學(xué)IIABSTRACTWearable 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; dynamicsIII目錄摘要 .................................................................................................................................ABSTRACT....................................................................................................................第一章 緒論 ...................................................................................................................1.1 研究背景及意義 ..............................................................................................1.2 外骨骼機(jī)器人概述 ..........................................................................................1.3 外骨骼機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究狀況 ..................................................................1.3.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r .....................................................................................1.3.2 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r .....................................................................................1.4 課題的研究?jī)?nèi)容 ..............................................................................................第二章 穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)理論及方案 .................................................2.1 人體下肢骨骼生物學(xué)結(jié)構(gòu) ..............................................................................2.2 人體正常步態(tài)分析 ..........................................................................................2.3 外骨骼助力機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)確定 ..................................................................2.4 外骨骼機(jī)器人的自由度分配 ..........................................................................2.5 外骨骼機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì) ......................................................................2.6 本章小結(jié) ..........................................................................................................第三章 外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ...................................................................................3.1 外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成 ...................................................................................3.2 髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ..........................................................................................3.3 膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ..........................................................................................3.4 踝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ..........................................................................................3.5 外骨骼機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式選擇 ..........................................................................3.6 本章小結(jié) ..........................................................................................................IV第四章 外骨骼機(jī)器人 Creo 仿真分析 .........................................................................4.1 Creo 仿真軟件概述 ........................................................................................4.2 運(yùn)動(dòng)仿真分析 ..................................................................................................4.3 踝關(guān)節(jié)有限元分析 ..........................................................................................4.4 膝關(guān)節(jié)有限元分析 .........................................................................................4.5 本章小結(jié) ..........................................................................................................第五章 結(jié)論 ...................................................................................................................參考文獻(xiàn) .........................................................................................................................致謝 .................................................................................................................................附錄 .................................................................................................................................1第 1 章 緒論1.1 研究背景及意義隨著社會(huì)的發(fā)展，誕生了一種用于康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域的新型機(jī)械結(jié)構(gòu)，被稱為康復(fù)器械，對(duì)于康復(fù)醫(yī)療器械的研究被推向高潮，越來(lái)越多的單位加入了這個(gè)行列。這種康復(fù)醫(yī)療器械是一種讓人直接穿戴在身上的機(jī)械裝置，用來(lái)為肢體傷殘的患者提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)下肢的正常運(yùn)動(dòng)。近年來(lái)，由于交通事故的頻頻發(fā)生，致使很多人肢體傷殘，同時(shí)，由于快節(jié)奏的生活，給更多人帶來(lái)了很大的壓力，人口老齡化的問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。針對(duì)這一現(xiàn)象，研究人員研發(fā)出一種醫(yī)療器械，這種醫(yī)療器械通過(guò)各種驅(qū)動(dòng)方式為患者提供動(dòng)力，幫助他們恢復(fù)肢體運(yùn)動(dòng)功能。美國(guó)等一些國(guó)家的實(shí)驗(yàn)室和研究機(jī)構(gòu)研制出了穿戴式外骨骼機(jī)器人，這種機(jī)器人可以為使用者提供充分的動(dòng)力和耐力，從而使他們的耐力和負(fù)重能力得到加強(qiáng)，該機(jī)器人的應(yīng)用為許多下肢殘障患者提供了方便?？纱┐魇较轮夤趋罊C(jī)器人是人機(jī)一體化系統(tǒng)，其主要作用是通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)為使用者提供動(dòng)力，幫助他們恢復(fù)正常的運(yùn)動(dòng)能力。現(xiàn)如今，在世界范圍內(nèi)，穿戴式下肢機(jī)器人的研究剛剛興起，還處于一個(gè)技術(shù)不成熟的階段，在這個(gè)全新的領(lǐng)域，還需要不斷的探索。1.2 外骨骼機(jī)器人概述外骨骼機(jī)器人是一種可穿戴的仿生機(jī)器人，是一種直接供使用者穿戴在體外的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使用者可以通過(guò)該機(jī)器人獲得充分的動(dòng)力，從而增強(qiáng)使用者的運(yùn)動(dòng)能力。穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人不僅僅應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，在軍事方面也有著廣泛的應(yīng)用。穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)新的分支，越來(lái)越多的單位加入到這個(gè)領(lǐng)域，也取得了很大的成就。穿戴式外骨骼機(jī)器人涵蓋了機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)、機(jī)器人學(xué)、仿生學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)，同時(shí)涉及傳感器、控制、信息處理等技術(shù) [1]。21.3 外骨骼機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究狀況1.3.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)對(duì)外骨骼下肢助力機(jī)器人的研究開(kāi)始于 20 世界初，目前正處于起步階段，還有很多技術(shù)不夠成熟，仍需繼續(xù)努力。目前有許多高校和科研院從事這項(xiàng)研究。我國(guó)從事這一方面的單位主要有中科院合肥智能機(jī)械研究所、浙江大學(xué)、上海大學(xué)等。清華大學(xué)是我國(guó)最先展開(kāi)外骨骼機(jī)器人研究的機(jī)構(gòu)之一，經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)研究和探索，最終研發(fā)出多款外骨骼機(jī)器人。這些外骨骼機(jī)器人可以幫助上下肢體有傷殘的人群正常的運(yùn)動(dòng)，其中截癱步行機(jī)適用于下肢功能殘障的患者 [2]，其結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示。圖 1-1 清華大學(xué)截癱步行機(jī)自 2004 年起，中科院合肥智能所機(jī)器人傳感實(shí)驗(yàn)室大力發(fā)展對(duì)穿戴式下肢機(jī)器人的探索。采用理論分析、仿真分析、模型試驗(yàn)相結(jié)合的研究方式，對(duì)可穿戴負(fù)重機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、感知和控制方法等進(jìn)行了闡述，取得了相應(yīng)的成果 [3]。并研制出一款可穿戴型步行助力機(jī)器人原型樣機(jī)，如圖 1-2 所示，該設(shè)計(jì)可為使用者提供額外的動(dòng)力，輔助使用者加強(qiáng)下肢運(yùn)動(dòng)的能力，從而能夠進(jìn)行正常的下肢運(yùn)動(dòng)。3圖 1-2 中科院合肥所研制的外骨骼機(jī)器人浙江大學(xué)楊燦軍教授等人在穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人方面進(jìn)行了大量研究，并取得了相當(dāng)顯著的成果。其實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)如圖 1-3 所示，包含主動(dòng)控制和被動(dòng)控制兩種形式。在外骨骼主動(dòng)形式下，提出了基于足底壓力信號(hào)來(lái)識(shí)別人體運(yùn)動(dòng)意圖的自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANFIS）理論 [4]，運(yùn)用此理論可以有效判斷使用者行動(dòng)意圖，從而實(shí)現(xiàn)輔助人體行走的功能。圖 1-3 浙江大學(xué)下肢康復(fù)外骨骼原型1.3.2 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r據(jù)了解，國(guó)外在下肢外骨骼機(jī)器人這個(gè)領(lǐng)域的研究較早，早在 20 世界 60 年代末期，美國(guó)和前南斯拉夫就已經(jīng)進(jìn)入了對(duì)這方面的研究。目前，世界上多個(gè)國(guó)家躋身于外骨骼機(jī)器人這個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，而研究相對(duì)成功的有美國(guó)、日本等國(guó)家。在這些國(guó)家中，美國(guó)的研制水平是相對(duì)最高的。4在 2000 年，美國(guó)政府啟動(dòng)了“外骨骼增強(qiáng)人體體能表現(xiàn)”計(jì)劃，該計(jì)劃共投資 5000 萬(wàn)美元，從而資助了很多單位對(duì)穿戴式機(jī)器人的探索和研發(fā)，加快了許多單位在這個(gè)領(lǐng)域的研發(fā)，經(jīng)過(guò)不斷的探索，最終研發(fā)出了“XOS”系列負(fù)重機(jī)器人、BLEEX 機(jī)器人、HULC 機(jī)器人等。使用這些機(jī)器人可以有效地幫助人們減輕負(fù)重，同時(shí)未使用者提供了充分的動(dòng)力，幫助他們正常行走。BLEEX 機(jī)器人主要是由：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)及背包等部分組成，設(shè)計(jì)過(guò)程中采用擬人化設(shè)計(jì)，而且機(jī)器人的每條下肢具有 7 個(gè)自由度，可以完成人體下肢所能完成的動(dòng)作，液壓缸為其提供動(dòng)力。經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)，在 BLEEX 的基礎(chǔ)上，伯克利又研制出第二代產(chǎn)品 和 。隨后，伯克利又與洛克希德·馬丁kerExoHiberxoClim公司合作于 2009 年推出第三代產(chǎn)品 KULC，又被稱為人類負(fù)重外骨骼，結(jié)構(gòu)如圖所示。2002 年，在日本筑波大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室 HAL 系列穿戴式助力機(jī)器人系統(tǒng)ybeics被研制出。其設(shè)計(jì)目的是輔助下肢殘障者能夠正常行走，利用這一系統(tǒng)，很多下肢有傷殘的患者都可以重新站起來(lái)。HAL 機(jī)器人主要由外骨骼腿、電池、傳感器等部分組成。與 BLEEX 機(jī)器人不同的是，HAL 機(jī)器人是通過(guò)穿戴者腿部電信號(hào)來(lái)預(yù)測(cè)其行走趨勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)輔助功能。圖 1-4 伯克利下肢外骨骼 BLEEX 圖 1-5 人類負(fù)重外骨骼 HULC5圖 1-6 HAL 外骨骼機(jī)器人通過(guò)查閱相關(guān)資料，我們可以看出國(guó)外在穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人的設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)方面進(jìn)行了大量的研究，并取得了相應(yīng)的成果。但是在我國(guó)，對(duì)于外骨骼機(jī)器人這個(gè)領(lǐng)域的研究還是較少，在一些技術(shù)上還是不夠成熟，與國(guó)外相比還是具有很大差距。1.4 課題的研究?jī)?nèi)容本課題的研究對(duì)象是穿戴式下肢負(fù)重外骨骼機(jī)器人，通過(guò)建立人體坐標(biāo)，對(duì)人體下肢在各個(gè)平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析以及人體下肢生理學(xué)結(jié)構(gòu)分析，從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。整個(gè)論文的主要工作有：1. 外骨骼機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)本文的重點(diǎn)是進(jìn)行穿戴式外骨骼機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先要確定機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)分析人體下肢的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和人體正常運(yùn)動(dòng)的條件，確定機(jī)器人的自由度和結(jié)構(gòu)參數(shù)，選擇驅(qū)動(dòng)方式。2. 動(dòng)力學(xué)分析與仿真在動(dòng)力學(xué)方面，我們將利用相關(guān)的軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的穿戴式機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定了力學(xué)性能分析，保證機(jī)器人的穩(wěn)定性和安全性。利用 Creo三維仿真軟件進(jìn)行零件的裝配，并進(jìn)行仿真分析。6第二章 穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)理論及方案2.1 人體下肢骨骼生物學(xué)結(jié)構(gòu)在研究人體運(yùn)動(dòng)學(xué)方面，首先要建立參考系，根據(jù)查閱的資料得知人體常用的三維坐標(biāo)系如圖 2-1 所示。人體解剖學(xué)中定義了三個(gè)相互正交的基本面，分別是：矢狀面、額狀面（冠狀面）、水平面（橫切面） [5]。矢狀面是將人體自上而下縱切分為左右兩部分的截面，額狀面（冠狀面）是將人體自上而下縱切為前后兩部分的截面，水平面（橫切面）是將人體橫切分為上下兩部分的截面。這是人體的三個(gè)基本面，人體全身自由度多，所以可以完成復(fù)雜多樣的動(dòng)作，如果要全部進(jìn)行分析會(huì)非常困難，而本課題所研究的穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人只需要分析人體下肢在矢狀面內(nèi)所完成的運(yùn)動(dòng)，這樣會(huì)使整個(gè)過(guò)程變得簡(jiǎn)單，從而進(jìn)行外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)分析。人體解剖學(xué)中不僅定義了三個(gè)平面，還有三個(gè)基準(zhǔn)軸，分別是：額狀軸、矢狀軸和垂直軸。其中，額狀面與矢狀面相較的軸線稱為垂直軸，額狀面與水平面相交的軸線稱為額莊軸（冠狀軸），水平面與矢狀面相交的軸線稱為矢狀軸。這就是人體解剖學(xué)中的三面三軸，利用這些可以幫助我們更方便的進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。圖 2-1 人體基本軸與基本平面圖一般人體下肢主要由骨、關(guān)節(jié)和骨骼肌三部分組成，而決定人體下肢運(yùn)動(dòng)狀7況的主要關(guān)節(jié)包括：髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。人體下肢主要完成的運(yùn)動(dòng)有前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向，這些過(guò)程都是依靠下肢骨骼、骨骼肌和神經(jīng)系統(tǒng)來(lái)控制的。參與這些運(yùn)動(dòng)的主要關(guān)節(jié)就是髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，這三個(gè)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)將會(huì)作為設(shè)計(jì)外骨骼機(jī)器人的依據(jù)，外骨骼機(jī)器人需要完成人體下肢所能完成的運(yùn)動(dòng)，所以必須要與人體下肢基本結(jié)構(gòu)相似，且具有相同的自由度。髖關(guān)節(jié)位于腰部，連接著人體腰部和腿部。髖關(guān)節(jié)是由一個(gè)球形股骨頭與髖臼組成，屬于杵臼關(guān)節(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖 2-2。髖關(guān)節(jié)內(nèi)脂肪較多，會(huì)隨著關(guān)節(jié)內(nèi)部壓力的變化而被擠出或吸入，從而維持關(guān)節(jié)內(nèi)部壓力的平衡。髖關(guān)節(jié)是一個(gè)多軸性關(guān)節(jié)，可完成多方相的動(dòng)作，髖關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)屈伸、收斂和旋轉(zhuǎn)等多方向的運(yùn)動(dòng)，是全身位置最深的關(guān)節(jié)，具有重要的負(fù)重和活動(dòng)功能。圖 2-2 髖關(guān)節(jié)膝關(guān)節(jié)由股骨內(nèi)、外側(cè)踝和脛骨內(nèi)、外側(cè)踝及髕骨組成，是人體最大且結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的關(guān)節(jié)，屬于滑車關(guān)節(jié)。膝關(guān)節(jié)是連接大小腿的關(guān)節(jié)，這一關(guān)節(jié)處的韌帶較多，所以膝關(guān)節(jié)繞垂直軸的運(yùn)動(dòng)幅度小。伸直時(shí)，由于韌帶拉緊，故不能作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此可認(rèn)為膝關(guān)節(jié)只有一個(gè)自由度，只做屈伸運(yùn)動(dòng)。2-3 膝關(guān)節(jié)踝關(guān)節(jié)由脛骨遠(yuǎn)側(cè)端關(guān)節(jié)面、腓骨遠(yuǎn)側(cè)端關(guān)節(jié)面和骨滑車關(guān)節(jié)面構(gòu)成，如圖2-4，踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍較小，可實(shí)現(xiàn)足部的伸屈和內(nèi)外翻的運(yùn)動(dòng)。8圖 2-4 踝關(guān)節(jié)2.2 人體正常步態(tài)分析人體的行走過(guò)程主要是髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)帶動(dòng)整個(gè)身體來(lái)完成的，進(jìn)行步態(tài)分析可以知道人體下肢的步態(tài)是否正常，有著十分重要的作用，也是進(jìn)行穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)的前提。為了使設(shè)計(jì)的穿戴式下肢機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)輔助下肢殘障者正常運(yùn)動(dòng)，我們需要對(duì)人體下肢進(jìn)行步態(tài)分析。人體正常的行走過(guò)程包括為兩個(gè)階段：支撐期和邁步期。詳細(xì)的步態(tài)周期過(guò)程如圖 2-5 所示，所謂的步態(tài)周期是指人體行走過(guò)程中一只腳腳跟著地到這只腳腳跟再次著地所經(jīng)歷的時(shí)間。每個(gè)步態(tài)周期人體下肢都經(jīng)歷了兩個(gè)階段，支撐期和擺動(dòng)期。從腳趾著地到腳尖離地成為支撐期，約占整個(gè)步態(tài)周期 60%。腳趾離地到腳跟再次著地為擺動(dòng)期，約占整個(gè)步態(tài)周期 40%。在正常人體行走過(guò)程中，有一時(shí)期雙腳都與地面接觸，其中一只腳蹬地，一只腳站立，這一時(shí)期稱為雙支撐期。圖 2-5 人體步態(tài)周期2.3 外骨骼助力機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)確定穿戴式下肢機(jī)器人是應(yīng)用于各種人群，所以其結(jié)構(gòu)需要設(shè)計(jì)為可調(diào)式。通過(guò)9查閱相關(guān)資料，我們能夠了解人體下肢基本結(jié)構(gòu)，而且能夠得到人體的具體尺寸數(shù)據(jù)，如表 2-1，從而為機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供參考。表 2-1 人體下肢部位基本尺寸人體下肢部位 理論尺寸范圍髖部寬 273～374大腿 410～496小腿 328～407足長(zhǎng) 219～272足寬 84～105穿戴式下肢負(fù)重外骨骼機(jī)器人是應(yīng)用于不同身高的人群，所以機(jī)械結(jié)構(gòu)的大小腿連桿及腰部連桿需要設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)式的，根據(jù)表 2-1 提供的數(shù)據(jù)，確定外骨骼機(jī)器人合理尺寸大致設(shè)定為：大腿桿調(diào)節(jié)范圍為 410 至 490mm,小腿桿調(diào)節(jié)范圍為 310 至 390mm,腰部調(diào)節(jié)范圍：280 至 340mm人體下肢所完成的各種運(yùn)動(dòng)均是由骨盆、大腿、小腿和足這四部分的運(yùn)動(dòng)組成，以髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)三個(gè)關(guān)節(jié)連接。下肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)主要分為：屈/伸、外展/內(nèi)收、回旋,各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都是在一定的范圍內(nèi)，從而保證人體的平衡。經(jīng)過(guò)整理可以得出各個(gè)關(guān)節(jié)相應(yīng)運(yùn)動(dòng)的范圍，如表 2-2。表 2-2 人體下肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍下肢關(guān)節(jié) 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍屈/伸 -120°～65內(nèi)收/外展 -30°～-40髖關(guān)節(jié)旋內(nèi)/旋外 -15°～-60102.4 外骨骼機(jī)器人的自由度分配人體在行走過(guò)程中，下肢的運(yùn)動(dòng)主要是在矢狀面內(nèi)產(chǎn)生，而下肢其他的運(yùn)動(dòng)及身體其他部位的運(yùn)動(dòng)都是用來(lái)保證人體平衡，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們對(duì)這些動(dòng)作不進(jìn)行分析。對(duì)于外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為了能實(shí)現(xiàn)在矢狀面內(nèi)各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，我們采用三個(gè)扭轉(zhuǎn)活動(dòng)副，并分別安置在機(jī)器人的三個(gè)關(guān)節(jié)的相應(yīng)位置，用來(lái)模擬三個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)。外骨骼機(jī)器人的設(shè)計(jì)需要滿足人體下肢的正常運(yùn)動(dòng)，所以在其三個(gè)主要關(guān)節(jié)處要合理選取自由度。髖關(guān)節(jié)主要是實(shí)現(xiàn)下肢的屈/伸運(yùn)動(dòng)，但為了保證下肢外骨骼機(jī)器人穿戴更加舒適，輔助治療效果更好，設(shè)計(jì)中在髖關(guān)節(jié)處設(shè)置了 2 個(gè)自由度。膝關(guān)節(jié)是人體結(jié)構(gòu)中較為復(fù)雜的一個(gè)關(guān)節(jié)，為了簡(jiǎn)化分析，我們僅考慮膝關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的屈/伸運(yùn)動(dòng)，故設(shè)置 1 個(gè)自由度。踝關(guān)節(jié)是一個(gè)主要運(yùn)動(dòng)軸，繞額妝面做背屈趾/屈運(yùn)動(dòng)。由于腳掌關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而穿戴式下肢機(jī)器人設(shè)計(jì)中多作為單自由度分析，故設(shè)置 1 個(gè)自由度。綜上分析，外骨骼機(jī)器人工具有 8 個(gè)自由度，髖關(guān)節(jié) 2 個(gè)，膝關(guān)節(jié) 1 個(gè)，換關(guān)節(jié) 1 個(gè)。膝關(guān)節(jié) 屈/伸 -120°～0°背屈/趾屈 -14°～ 20°踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻/外翻 -30°～ 20°112.5 外骨骼機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)可穿戴式下肢負(fù)重外骨骼機(jī)器人主要是應(yīng)用于下肢殘障者，幫助他們正常運(yùn)動(dòng)的一種機(jī)械裝置。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分重要，我們應(yīng)該確保可穿戴式下肢負(fù)重外骨骼機(jī)器人的使用效果和安全性能。在對(duì)可穿戴式下肢負(fù)重外骨骼機(jī)器人的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：1. 可穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人的設(shè)計(jì)必須保證各個(gè)關(guān)節(jié)處的自由度與人體下肢自由度一致，結(jié)構(gòu)相同，能夠?qū)崿F(xiàn)人體下肢所能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)。2. 可穿式外骨骼機(jī)器人是應(yīng)用于廣泛人群，所以其設(shè)計(jì)必須滿足廣大群眾的身高特點(diǎn)。由于人類的身高不同，所以可穿戴式下肢負(fù)重外骨骼機(jī)器人在尺寸結(jié)構(gòu)方面應(yīng)設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)的，從而滿各種人群使用。3. 可穿戴式下肢負(fù)重外骨骼機(jī)器人應(yīng)具有重量輕、體積小、易攜帶、堅(jiān)固耐用等特點(diǎn)。綜合以上理論分析，設(shè)計(jì)出可穿戴式下肢負(fù)重外骨骼機(jī)器人并利用 Creo 建立三維模型。如圖 2-6 所示。圖 2-6 外骨骼機(jī)器人整體建模2.6 本章小結(jié)本章首先介紹了下肢外骨骼機(jī)器人仿生機(jī)理研究，包括建立人體下肢三個(gè)主要關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別是髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)。同時(shí)進(jìn)行了正常人體步態(tài)12分析和各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。確定了可穿戴式下肢負(fù)重外骨骼機(jī)器人的機(jī)構(gòu)自由度、桿長(zhǎng)及各關(guān)節(jié)允許活動(dòng)范圍，設(shè)計(jì)了下肢外骨骼機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)方案。13第三章 外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人主要功能是輔助下肢殘障患者能夠正常行走運(yùn)動(dòng)，所以在設(shè)計(jì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)該盡量擬人化。而人體下肢運(yùn)動(dòng)主要是由髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)三個(gè)主要的關(guān)節(jié)起到作用，所以外骨骼機(jī)器人主要由三大部分組成，分別是：踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和腰部連接，三個(gè)主要關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)主要是由人體下肢實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)的自由度來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的三部分機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 3-1 所示，穿戴式機(jī)器人主要機(jī)械結(jié)構(gòu)就是這三部分，其余結(jié)構(gòu)都是為了輔助整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡和穩(wěn)定性。所以在后續(xù)的設(shè)計(jì)中，我們要著重這三個(gè)主要部分的設(shè)計(jì)，不僅在尺寸上要準(zhǔn)確，在結(jié)構(gòu)上也要做到簡(jiǎn)單耐用。a 腰部結(jié)構(gòu) b 足部結(jié)構(gòu) c 腿部結(jié)構(gòu)圖 3-1 外骨骼機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)3.2 髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)髖關(guān)節(jié)可以完成屈伸、收斂和旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，具有三個(gè)自由度，但其主要運(yùn)動(dòng)是在矢狀面的屈伸運(yùn)動(dòng)，因此我們將髖關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)完成的運(yùn)動(dòng)視為主要運(yùn)動(dòng)，其他運(yùn)動(dòng)視為輔助運(yùn)動(dòng)。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行限位，使其在一定范圍內(nèi)完成。髖關(guān)節(jié)分為兩部分組成：可調(diào)節(jié)的腰部和背部負(fù)重，腰部基本尺寸為：長(zhǎng)280mm，寬 100mm。如圖 3-2 所示。在腰部零件的兩端設(shè)計(jì)了輔助調(diào)節(jié)寬度的兩個(gè)14零件，如圖 3-3。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們將背部負(fù)重支撐的部分掏空，從而達(dá)到減輕重量的目的。同時(shí)將腰部的四個(gè)角設(shè)計(jì)為圓角，不僅減材而且美觀，更好地為使用者提供幫助。圖 3-2 腰部零件圖 3-3 腰部調(diào)節(jié)零件髖關(guān)節(jié)要連接腰部和腿部，而且需要滿足屈伸和內(nèi)翻/外翻兩個(gè)自由度，所以我們將采用如圖 3-4 所示的結(jié)構(gòu)，這樣就可以滿足兩個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)的15伸屈和內(nèi)翻/外翻的運(yùn)動(dòng)。髖關(guān)節(jié)處的設(shè)計(jì)雖然保證了兩個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)下肢兩個(gè)自由度內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，但是該設(shè)計(jì)還是存在一定的問(wèn)題，不能精確地限制自由度的范圍，所以需要進(jìn)一步優(yōu)化、改善。3.3 膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們將膝關(guān)節(jié)部分進(jìn)行了簡(jiǎn)化，將其設(shè)計(jì)成單自由度結(jié)構(gòu)，只做屈伸運(yùn)動(dòng)，從而使整體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。通過(guò)軸和軸承連接大腿和小腿，實(shí)現(xiàn)屈曲/伸展運(yùn)動(dòng)功能，結(jié)構(gòu)如圖 3-5。圖 3-5 膝關(guān)節(jié)膝關(guān)節(jié)主要是連接大小腿的關(guān)節(jié)，大小腿的設(shè)計(jì)如圖 3-6 所示。大小腿的設(shè)計(jì)是可調(diào)節(jié)的，小腿的調(diào)節(jié)范圍是：330 至 400mm，大腿的調(diào)節(jié)范圍是：410 至490mm。16圖 a 小腿零件圖 圖 b 大腿零件圖圖 3-6 大、小腿零件圖腿部的設(shè)計(jì)和腰部類似，由于可穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人是應(yīng)用于廣泛人群，所以我們把腿部的設(shè)計(jì)分成兩部分，一部分是基本長(zhǎng)度，另外一部分便是調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，這樣就可以是腿部在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而在尺寸上能滿足更多患者使用。3.4 踝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外骨骼負(fù)重機(jī)器人下肢運(yùn)動(dòng)時(shí)，雖然踝關(guān)節(jié)屈/伸的角度較小，但是踝關(guān)節(jié)會(huì)受到不斷變化的支撐反力，如果不限位會(huì)造成一定的危險(xiǎn)。因此在踝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)方面需要增加一個(gè)緩沖裝置對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行緩沖，如圖 3-6。圖 3-6 踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 圖 3-7 踝關(guān)節(jié)簡(jiǎn)化在踝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)上，為了保證踝關(guān)節(jié)不收到支撐反力的損壞，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)17緩沖裝置，我們選取氣彈簧作為緩沖裝置，可將踝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為圖 3-7，進(jìn)行分析計(jì)算。設(shè)計(jì)中可測(cè)量得知 L2、L3 的長(zhǎng)度，然后進(jìn)行求解幾何，確定 L1 長(zhǎng)度。計(jì)算公式如下：公式 3.1)cos(203321 ?????LL式中 L1 表示氣彈簧的長(zhǎng)度。L2 表示足部連接中心到踝關(guān)節(jié)連接中心，L3 表示氣彈簧上端到踝關(guān)節(jié)連接中心。氣彈簧的行程及長(zhǎng)度可以經(jīng)過(guò)計(jì)算得出，其中踝關(guān)節(jié)的自由度限制范圍θ∈【-14°， 20°】，而 L2、L3 可經(jīng)過(guò)測(cè)量得知，θ 0=120°，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得出 L1 的長(zhǎng)度范圍 90mm 至 110mm，總長(zhǎng)度為 110mm，采用球頭連安裝在踝關(guān)節(jié)上。有了緩沖裝置的設(shè)計(jì)，減少了踝關(guān)節(jié)在受到地面支撐反力而造成的損壞，更好的保護(hù)使用者的安全。3.5 外骨骼機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式選擇外骨骼機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式對(duì)其十分重要，驅(qū)動(dòng)方式的選擇應(yīng)滿足動(dòng)態(tài)性能好、響應(yīng)速度快。而且應(yīng)該具有高靈敏度、便于安裝、質(zhì)量輕、可靠性能高等特點(diǎn)。目前，機(jī)器人所使用的驅(qū)動(dòng)方式主要是：電機(jī)驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)三種方式。（1）液壓驅(qū)動(dòng)：液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用靈活，可根據(jù)實(shí)際需要合理布置，液壓驅(qū)動(dòng)最突出的特點(diǎn)是響應(yīng)速度快，重量輕，動(dòng)態(tài)性能好，操縱控制方便等。但是液壓油易泄露，容易造成環(huán)境污染，而且維護(hù)不便。（2）氣壓驅(qū)動(dòng)：氣壓驅(qū)動(dòng)是以壓縮空氣為介質(zhì)，以氣源為動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)形式，這種驅(qū)動(dòng)方式具有：使用壽命長(zhǎng)、環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易控制等優(yōu)勢(shì)。但是在使用過(guò)程中有較大的噪音，且驅(qū)動(dòng)精度低，所以不將其應(yīng)用在外骨骼機(jī)器人。（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)：電機(jī)驅(qū)動(dòng)與前兩者相比更適合應(yīng)用在外骨骼機(jī)器人，因?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)效率高、便于維護(hù)、控制簡(jiǎn)單。綜上所述，選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)作為穿戴式下肢機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式，這樣便于控制，而且效率高。我們可采用集成電機(jī)、減速器及絲杠螺母機(jī)構(gòu)的電動(dòng)缸作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。183.6 本章小結(jié)本章分析了穿戴式下肢機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況，并以此為依據(jù)設(shè)計(jì)了外骨骼機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)這三個(gè)部位的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并對(duì)外骨骼機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了分析和選擇。19第 4 章 外骨骼機(jī)器人 Creo 仿真分析4.1 Creo 仿真軟件概述Creo 一款三維設(shè)計(jì)軟件，可實(shí)現(xiàn)零件的三維建模、分析和可視化等功能，操作簡(jiǎn)單，使用方便。本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用這款軟件進(jìn)行外骨骼機(jī)器人零部件的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及裝配，并利用其進(jìn)行了機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)在力學(xué)方面的一些分析，從而保證外骨骼機(jī)器人在使用過(guò)程中的可靠性和安全性。 4.2 運(yùn)動(dòng)仿真分析為保證穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)各個(gè)部分的安全性能，能更好的幫助下肢殘障患者使用，我們利用 Creo 三維軟件進(jìn)行了相應(yīng)的分析。我們用到了 Creo 三維軟件的 Simulate 這一功能，對(duì)部分零件進(jìn)行了有限元分析，主要是分析腿部膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的形變、應(yīng)變、應(yīng)力等因素。利用三維軟件可以直觀的觀察出各部分零件在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的問(wèn)題。有限元分析步驟如下：1　首先提取簡(jiǎn)化的下肢外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇所有模型，設(shè)置零件的材料為鈦。2　對(duì)選取的模型進(jìn)行約束和施加負(fù)荷。3　對(duì)該模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，主要包括應(yīng)變、應(yīng)力和剛度分析。外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要有三個(gè)部分，我們需要對(duì)這三個(gè)部分進(jìn)行有限元分析，分析這三個(gè)部分在受到一定載荷時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變和形變情況，從而分析所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是否合理。利用有限元分析可以有效地保證外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求，提高外骨骼機(jī)器人的安全性。4.3 踝關(guān)節(jié)有限元分析為使穿戴式下肢機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)能滿足使用者的要求，具有較好的強(qiáng)度和安全性，我們對(duì)下肢骨骼機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)進(jìn)行了有限元分析。首先選取踝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，在 Creo 三維軟件中選擇 Simulate 功能菜單，對(duì)踝關(guān)節(jié)進(jìn)20行材料設(shè)置，然后進(jìn)行材料方向的選擇和載荷的設(shè)置，完成這幾步就可以建立靜態(tài)分析來(lái)查看結(jié)果。因?yàn)橥夤趋罊C(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人需要保證高強(qiáng)度。因此選擇材料為鈦合金，鈦合金具有高強(qiáng)度、耐熱性、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，下表是鈦合金和常用的 45 號(hào)鋼性能參數(shù)的對(duì)比。表 4-1 鈦合金和 45 鋼性能參數(shù)性能 鈦合金 45 鋼密度 4.51g/cm^3 7.85g/cm^3抗拉強(qiáng)度 441Mpa 600Mpa屈服強(qiáng)度 373Mpa 355Mpa泊松比 0.3 0.27由表可知，鈦合金的質(zhì)量大概為 45 鋼的一半，重量上比 45 鋼更適合作為踝關(guān)節(jié)的加工材料，在屈服強(qiáng)度這一性能上鈦合金比 45 鋼高，所以我們選取鈦合金作為穿戴式下肢機(jī)器人零部件的加工材料。以此保障穿戴式機(jī)器人的強(qiáng)度和安全性，更好輔助下肢殘障患者進(jìn)行正常運(yùn)動(dòng)。圖 a 形變圖 圖 b 應(yīng)力圖 圖 c 應(yīng)變圖圖 4-1 踝關(guān)節(jié)有限元分析如圖 4-1 是踝關(guān)節(jié)有限元分析的結(jié)果，從圖中可以看出在踝關(guān)節(jié)連接部位的設(shè)計(jì)基本合格，但如果承受載荷過(guò)大會(huì)使其發(fā)生形變，可能會(huì)影響到外骨骼機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)，所以需要進(jìn)行優(yōu)化，使其在結(jié)構(gòu)上能承受更大的載荷。但是踝關(guān)21節(jié)的應(yīng)力、應(yīng)變均滿足要求，所以踝關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步改善，從而達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。4.4 膝關(guān)節(jié)有限元分析踝關(guān)節(jié)對(duì)下肢外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)很重要，但是另外兩部也不能忽視，所以在進(jìn)行了踝關(guān)節(jié)的有限元分析，我們需要對(duì)另外的部分進(jìn)行分析，從而能更好的保護(hù)使用者安全。應(yīng)用同樣的方法，我們將進(jìn)行對(duì)膝關(guān)節(jié)的有限元分析，雖然膝關(guān)節(jié)只做屈伸運(yùn)動(dòng)，但其在結(jié)構(gòu)上也必須具有較好的強(qiáng)度，這樣才能更好的將大腿和小腿兩部分連接在一起。分析結(jié)果如圖所示，從圖中我們可以看出膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變都在正常范圍內(nèi)，所以設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分滿足可靠性的要求。通過(guò)有限元分析，我們確定了外骨骼機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本可行，但是部分地方需要進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，是整體設(shè)計(jì)能更加方便、實(shí)用。圖 a 形變圖 圖 b 應(yīng)力圖 圖 c 應(yīng)變圖圖 4-2 膝關(guān)節(jié)有限元分析以上就是對(duì)腿部膝關(guān)節(jié)的有限元分析，從結(jié)果來(lái)看，設(shè)計(jì)還是可行的，但是我們?nèi)孕枰粩嗟呐W(xué)習(xí)，完善自己設(shè)計(jì)，使今后設(shè)計(jì)出來(lái)的外骨骼機(jī)器人可以造福更多的人。224.5 本章小結(jié)本章主要應(yīng)用 Creo 三維軟件對(duì)穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，驗(yàn)證了下肢外骨骼機(jī)器人的強(qiáng)度和剛度。23第 5 章 結(jié)論本課題主要是設(shè)計(jì)一種可穿戴式下肢負(fù)重外骨骼機(jī)器人來(lái)幫助那些下肢殘障的患者進(jìn)行康復(fù)治療，有助于他們能正常行走。論文中提出了穿戴式下肢機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)方案和思路，分析了人體下肢在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的自由度和運(yùn)動(dòng)特征，從而設(shè)計(jì)了下肢外骨骼機(jī)器人的三大關(guān)節(jié)：髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，并對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，利用 Creo 三維軟件對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真。主要研究成果如下：（1）通過(guò)查閱資料，了解了國(guó)內(nèi)外在外骨骼機(jī)器人方面的研究，并提出了下肢外骨骼機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，考慮到穿戴式下肢機(jī)器人應(yīng)用于廣泛人群，故將其設(shè)計(jì)為可調(diào)節(jié)式的，為了確保外骨骼機(jī)器人的安全性和可行性，我們對(duì)其運(yùn)動(dòng)范圍進(jìn)行了相關(guān)約束。（2）在動(dòng)力學(xué)分析方面，主要采用三維軟件對(duì)穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人的三個(gè)主要關(guān)節(jié)進(jìn)行了相應(yīng)力學(xué)性能的有限元分析，保證了機(jī)器人整體的力學(xué)性能，提高整體的安全性。24參考文獻(xiàn)[1] 張佳帆，陳鷹，楊燦軍. 柔性外骨骼人機(jī)智能系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2011，64-76.[2] 楊曉紅. 可穿戴的機(jī)器人 ——外骨骼機(jī)器人最新發(fā)展[J].輕武器，2009（8）.[3] 張志成. 外骨骼下肢助力機(jī)器人技術(shù)研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.[4] 方郁. 可穿戴下肢助力機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模及其控制 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State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology (HIT), Harbin 150001, China2. 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 28trajectory 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 m·s–1 while carrying 34 kg payload[1]. A single robot leg has four actuators which leads to the complexity and heaviness of the whole system[2]. 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 system[3]. 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 exoskeleton[4]. A novel serial-parallel mechanism is designed in a lower extremity exoskeleton to augment load-carrying for walking[5,6]. 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., Ekso[7] and ReWalk[8