穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)【三維SW】

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現(xiàn)代機(jī)器人所具有的機(jī)械動(dòng)力裝置使得機(jī)器人可以輕易地完成很多艱苦的任務(wù)，比如舉起、搬運(yùn)沉重的負(fù)載等。雖然現(xiàn)代機(jī)器人控制技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，還遠(yuǎn)達(dá)不到人的智力水平，包括決策能力和對(duì)環(huán)境的感知能力。與此同時(shí)，人類所具有的智能是任何生物和機(jī)械裝置所無(wú)法比擬的，人所能完成的任務(wù)不受人的智能的約束，而僅受人的體能的限制。因此，將人的智能與機(jī)器人所具有的強(qiáng)大的機(jī)械能量結(jié)合起來(lái)，綜合為一個(gè)系統(tǒng)，將會(huì)帶來(lái)前所未有的變化，這便是穿戴式機(jī)器人的設(shè)計(jì)思想。 審核意見(jiàn)： 審核人簽名： 年 月 日 題目類型－－1、為結(jié)合科研；2、為結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際；3、為結(jié)合大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃；　 4、為結(jié)合學(xué)科競(jìng)賽；5、模擬仿真；6、其它 題目來(lái)源－－A.指導(dǎo)教師出題 ； B.學(xué)生自定、自擬； 揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 教 科 部： 機(jī) 械 電 子 系 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名: 蔣璞 學(xué)號(hào): 100007117 畢業(yè)（論文）題目： 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 起 迄 日 期： 2014.2.22-2014.6.6 設(shè)計(jì)（論文）地點(diǎn)： 揚(yáng)州大學(xué)江陽(yáng)路南校區(qū) 指 導(dǎo) 老 師： 周 建 華 專 業(yè) 負(fù) 責(zé) 人： 發(fā)任務(wù)書日期： 2014年 4月9 日 揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院本科生畢業(yè)論文任務(wù)書 論文題目 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 年級(jí) 大四 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造 及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名 蔣璞 學(xué)號(hào) 100007117 主要內(nèi)容： 1. 具有較好的機(jī)械設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)，能熟練掌握二維和三維的制圖軟件，具有比較強(qiáng)的獨(dú)立研究和探索能力，具有較強(qiáng)的主動(dòng)溝通意識(shí)。 2. 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),完整的機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程及其說(shuō)明； 3. 完成二維或者三維的設(shè)計(jì)圖紙繪制； 4.查閱文獻(xiàn)15篇以上，翻譯不少于5000印刷符的英文資料； 5.撰寫開題報(bào)告：包括工作任務(wù)分析、調(diào)研報(bào)告或文獻(xiàn)綜述、方案擬定與分析以及實(shí)施計(jì)劃等； 6.撰寫畢業(yè)論文，篇幅不少于1萬(wàn)字。 主要任務(wù)及基本要求（包括指定的參考資料）： 主要任務(wù)及基本要求： 1、撰寫開題報(bào)告：包括工作任務(wù)分析、調(diào)研報(bào)告或文獻(xiàn)綜述、方案擬定與分析 以及實(shí)施計(jì)劃等； 2、查閱文獻(xiàn)14篇以上，翻譯不少于5000印刷符的英文資料； 3、熟練運(yùn)用二維三維繪圖軟件； 4、撰寫畢業(yè)論文，篇幅不少于1萬(wàn)字。 主要參考文獻(xiàn)： 【1】李研彪，劉毅，李景敏，計(jì)時(shí)鳴，趙章風(fēng)，新型擬人機(jī)械腿的參數(shù)優(yōu)化， 2013. 09. 【2】計(jì)時(shí)鳴，劉毅，李研彪，李景敏，一種新型擬人機(jī)械腿的運(yùn)動(dòng)傳遞性能分析，1001-4551(2012)10-1125-05 【3】伊蕾，助行康復(fù)機(jī)器人控制策略研究，2012,04 【4】鄧楚慧，穿戴式下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，2012,6.10 【5】劉毅，一種新型擬人機(jī)械腿的性能研究，2012,12 【6】尹軍茂，穿戴式下肢外骨骼機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)，2010，05 【7】趙豫玉，穿戴式下肢康復(fù)機(jī)器人的研究，2009,03 【8】王志鵬，郭險(xiǎn)峰，穿戴式下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)，1672-3791 【9】余聯(lián)慶，吳昌林，馬世平，基于仿生研究的步行機(jī)緩沖型腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，1671-512( 2005) 06-0105-03 【10】金振林，曲夢(mèng)可，六足步行機(jī)器人的并聯(lián)機(jī)械腿設(shè)計(jì)，10. 3788/OPE. 20122007. 1532 【11】金振林，曲夢(mèng)可，三自由度并聯(lián)機(jī)械腿靜力學(xué)分析與優(yōu)化，1002-6811 【12】孫恒 陳作模 葛文杰. 機(jī)械原理 西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室編，第七版，高等教育出版社，2006.5 【13】濮良貴 紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì) 西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研 編，第八版，高等教育出版社，2006.5 【14】周建方等.材料力學(xué) 機(jī)械工業(yè)出版社，普通高等教育機(jī)電類規(guī)劃教材，2002.1 【15】機(jī)械制圖 大連理工大學(xué)工程圖學(xué)教研室編，第六版，高等教育出版社，2007.7 發(fā)出任務(wù)書日期： 2014年2月22日　　　　　　完成期限：2014年4月9日 指導(dǎo)教師簽名：　　　　　　　　　　　　　　專業(yè)主任簽名： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　年　　月　　日 揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）實(shí)習(xí)調(diào)研報(bào)告 學(xué) 生 姓 名： 蔣璞 學(xué)號(hào)： 100007117 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指 導(dǎo) 老 師： 周 建 華 揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告 學(xué) 生 姓 名： 蔣璞 學(xué) 號(hào)：100007117 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 設(shè)計(jì)(論文)題目： 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 指 導(dǎo) 老 師： 周 建 華 2014年 4 月 9 日 揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 設(shè)計(jì)（論文）題　目 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 題目來(lái)源 指導(dǎo)老師出題 題目類型 為結(jié)合科研 指導(dǎo)教師 周建華 學(xué)生姓名 蔣璞 學(xué) 號(hào) 100007117 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 開題報(bào)告內(nèi)容：（調(diào)研資料的準(zhǔn)備與總結(jié)，研究目的、要求、思路與預(yù)期成果；任務(wù)完成的階段、 內(nèi)容及時(shí)間安排；完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）所具備的條件因素等。） 本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的： （1）培養(yǎng)學(xué)生的調(diào)查研究以及資料、信息的獲取、分析等綜合能力； （2）培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力，主要包括設(shè)計(jì)、計(jì)算及繪圖能力； （3）培養(yǎng)學(xué)生的綜合運(yùn)用專業(yè)理論知識(shí)，分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力； （4）培養(yǎng)學(xué)生的在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用計(jì)算機(jī)的能力； （5）培養(yǎng)學(xué)生的撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書、論文的能力； （6）培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神。 本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題工作進(jìn)度計(jì)劃： 起止日期 工 作 內(nèi) 容 2014-02-22~2014-03-31 2014-04-1～2014-05-30 2014-06-01～2014-06-07 畢業(yè)設(shè)計(jì)開始，查閱中外文資料，完成外文翻譯，完成實(shí)習(xí)調(diào)研和實(shí)習(xí)報(bào)告，完成開題報(bào)告； 進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)，接收畢業(yè)設(shè)計(jì)中期檢查，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文； 修改完善畢業(yè)論文、準(zhǔn)備畢業(yè)答辯、整理畢業(yè)設(shè)計(jì)期間的所有資料、成果并歸檔。 　 文 獻(xiàn) 綜 述 一、課題研究的內(nèi)容及意義 穿戴式智能設(shè)備”是應(yīng)用穿戴式技術(shù)對(duì)日常穿戴進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)、開發(fā)出可以穿戴的設(shè)備的總稱，如Ekso Bionics機(jī)械腿，鞋等。 機(jī)械腿的研究是步行機(jī)器人研究的核心內(nèi)容。步行機(jī)器人是一個(gè)交叉學(xué)科的研究，它涉及仿生學(xué)、機(jī)械學(xué)、控制學(xué)及信息處理技術(shù)等。步行機(jī)器人在多個(gè)行業(yè)具有很多應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，逐漸成為國(guó)內(nèi)外機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。步行機(jī)器人與其他履帶式、輪式機(jī)器人相比，具有以下的運(yùn)動(dòng)特性。 (1)步行機(jī)器人具有良好的地面自適應(yīng)性 步行機(jī)器人可以在復(fù)雜的地形上利用離散的點(diǎn)來(lái)選擇最優(yōu)的地面支撐點(diǎn)，并且可以跨越一定的障礙物。 (2）步行機(jī)器人的腿部運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)比較穩(wěn)定 步行機(jī)器人的腿部運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以保證身體相對(duì)地面的穩(wěn)定，因其腿部具有多個(gè)自由度，靈活性大，同時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)腿的伸展度來(lái)調(diào)整重心，因此不易翻倒，穩(wěn)定性高。 仿人機(jī)器人作為步行機(jī)器人的一種形式，是提高機(jī)器人機(jī)動(dòng)性和節(jié)省能源的一條重要途徑。仿人機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域最高研究成果的代表。相對(duì)于其他機(jī)器人，仿人機(jī)器人具有人的外形，并具備良好的人機(jī)交互能力，所以在娛樂(lè)服務(wù)等領(lǐng)域，仿人機(jī) 器人具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。 仿人步行機(jī)器人具有諸多的優(yōu)勢(shì)，使其成為日前研究的熱點(diǎn)。為使機(jī)器人腿部能協(xié)調(diào)而穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)算法的研究都比較復(fù)雜，使其研究充滿挑戰(zhàn)。 二、課題國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 1.國(guó)外研究現(xiàn)狀 2000年，德國(guó)自由大學(xué)Hesse Stefen等人研制了一種下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人MGT 。 2001年，德國(guó)弗朗霍費(fèi)爾研究所(Franhofer Institut IPK)基于吊線木偶原理，研制了一種繩驅(qū)動(dòng)式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人Stringman，配合踏步車使用。 Ekso Bionics，是一款可穿戴的、通過(guò)電池供電的仿生機(jī)械腿，將之穿在身上后，它可以提供必要的支撐力，讓人重新站立。而且整套系統(tǒng)還采用了仿生設(shè)計(jì)，以內(nèi)置電動(dòng)馬達(dá)為動(dòng)力，當(dāng)人們把它穿在身上，就能重新獲得行走的能力！ Ekso Bionics圖 2.國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 在下肢機(jī)器人方面，國(guó)內(nèi)研究起步較晚，取得的成果也不多。目前的研究機(jī)構(gòu)主要有上海大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和哈爾濱工程大學(xué)等。具有代表性的是:哈爾濱工程大學(xué)開發(fā)的輔助型下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人和浙江大學(xué)開發(fā)的可穿戴式的下肢步行外骨骼。從2004年，中科院合肥智能機(jī)械研究所也開始從事相關(guān)的研究工作。 2002年，哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電一體化研究所研制出了一種下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人樣，如圖1-16所示，該機(jī)器人由三自由度步態(tài)機(jī)構(gòu)、姿態(tài)機(jī)構(gòu)和重心平衡機(jī)構(gòu)等組成。其優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)腳的姿態(tài)調(diào)整，在機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及減重控制策略方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)或仿真研究，后續(xù)研制并開發(fā)了可與該機(jī)器人配合使用的四自由度繩索牽引骨盆運(yùn)動(dòng)并聯(lián)康復(fù)機(jī)器人。 2006年，上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院也研究了一套可穿戴式助力機(jī)械腿，如圖1-17所示。單側(cè)下肢有兩個(gè)自由度，分別為骸關(guān)節(jié)屈/伸和膝關(guān)節(jié)屈/伸。 2007年，哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室的研究小組研制了被動(dòng)式步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練器。2009年，該研究小組又提出了步態(tài)訓(xùn)練機(jī)器，機(jī)器人可控制雙足矢狀面內(nèi)六自由度的運(yùn)動(dòng)，具有承載能力強(qiáng)，步幅、步態(tài)、足底姿態(tài)可靈活調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)不同的軌跡規(guī)劃，機(jī)器人能夠模擬上、下樓梯，平地行走等步態(tài)動(dòng)作。利用柔順控制等多種控制策略，可模擬沙地、草地等多種路況的行走。實(shí)驗(yàn)研究表明，該機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)多種步態(tài)的控制，且具有較好的訓(xùn)練效果。 三.發(fā)展的趨勢(shì) 2006年《中國(guó)人口老齡化發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)研究報(bào)告》表明，到2023年，我國(guó)老年人口將達(dá)到2.7億，與0-14歲少兒人口數(shù)量相等。而到2051年，中國(guó)老年人口規(guī)模將達(dá)到峰值4.37億，約為少兒人口數(shù)量的2倍。針對(duì)我國(guó)人口老齡化的口益嚴(yán)重、腦卒中患者數(shù)量多、治療醫(yī)師資源缺乏的情況，開發(fā)一種可以為偏癱、截癱等肢體殘疾人員及體弱老年人提供康復(fù)訓(xùn)練和助行服務(wù)的機(jī)器人，對(duì)降低老年人跌倒的比例、幫助偏癱患者樹立重新行走的信心、提高老年人獨(dú)立生活的質(zhì)量減輕社會(huì)負(fù)擔(dān)具有重要的研究意義。同時(shí)，機(jī)器人輔助設(shè)備可以極大的降低康復(fù)師的工作量，促進(jìn)患者的主動(dòng)參與，可以客觀的評(píng)價(jià)康復(fù)訓(xùn)練的強(qiáng)度、時(shí)間和效果，使康復(fù)治療更加系統(tǒng)化和規(guī)范化。 穿戴式機(jī)械腿應(yīng)用于醫(yī)療上越來(lái)越多，幫助殘疾人站起來(lái)。 盡管目前己經(jīng)開發(fā)出了多種助行康復(fù)機(jī)器人，但機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)精巧、人機(jī)協(xié)調(diào)、自動(dòng)適應(yīng)用戶的行為、工作延續(xù)性、提高用戶的舒適度等方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用的要求。同時(shí)，由于目前的康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人運(yùn)用于臨床康復(fù)的訓(xùn)練方案、訓(xùn)練的評(píng)價(jià)方法等還處于摸索階段，機(jī)器人技術(shù)完全應(yīng)用于臨床康復(fù)訓(xùn)練還需要深入、系統(tǒng)的研究和探索。因此，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行改良，開展與其它臨床康復(fù)方法的有機(jī)結(jié)合以提高其臨床康復(fù)效果，擴(kuò)展其治療手段是非常有必要的。 綜上所述，研究助行康復(fù)機(jī)器人技術(shù)，使其滿足康復(fù)訓(xùn)練、輔助行走、節(jié)省能耗、攜帶方便等需要，并且更加符合人體生理習(xí)慣，令使用者步態(tài)更自然，提高老年人的生活質(zhì)量，減輕社會(huì)負(fù)擔(dān)，使其真正服務(wù)于需要的人，有著重要的意義。 四.存在的問(wèn)題 近年來(lái)，關(guān)于外骨骼機(jī)構(gòu)的人一機(jī)運(yùn)動(dòng)相容性設(shè)計(jì)問(wèn)題開始得到研究者的關(guān)注，一些研究者對(duì)上肢外骨骼機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)相容性進(jìn)行了分析，并基于人機(jī)工程學(xué)原理對(duì)上肢外骨骼機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。但是對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的人一機(jī)相容性問(wèn)題以及影響人一機(jī)相容性的因素方面研究較少，主要問(wèn)題如下。 (l)人一機(jī)聯(lián)接模式對(duì)人一機(jī)相容性的影響現(xiàn)有下肢康復(fù)機(jī)器人中，人一機(jī)之間采直接綁縛或通過(guò)穿戴具以緊致穿戴的形式相聯(lián)接，缺乏有關(guān)人一機(jī)聯(lián)接模式和約束性質(zhì)的深入研究，更未分析聯(lián)接模式對(duì)人一機(jī)運(yùn)動(dòng)相容性的影響。 (2)機(jī)構(gòu)構(gòu)型對(duì)人一機(jī)相容性的影響現(xiàn)有的下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的骸關(guān)節(jié)多采用單自由度回轉(zhuǎn)副或由2個(gè)回轉(zhuǎn)副進(jìn)行運(yùn)動(dòng)等效，膝關(guān)節(jié)為單自由度回轉(zhuǎn)副，機(jī)構(gòu)的尺度參數(shù)根據(jù)下肢骨胳的比例和長(zhǎng)度確定。優(yōu)點(diǎn)是機(jī)器人機(jī)構(gòu)的構(gòu)型相對(duì)簡(jiǎn)潔且機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便易行。但機(jī)器人機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)數(shù)目少于下肢骨骼的關(guān)節(jié)數(shù)目，而且對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)屬性也有所不同，構(gòu)型的選取會(huì)直接影響人一機(jī)之間的運(yùn)動(dòng)相容性。 (3)機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化對(duì)人一機(jī)相容性的影響由于下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)與人體骨骼機(jī)構(gòu)在關(guān)節(jié)數(shù)目、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特性上的差異以及機(jī)器人機(jī)構(gòu)的外掛屬性，若機(jī)器人機(jī)構(gòu)參數(shù)或聯(lián)接參數(shù)設(shè)計(jì)不夠合理，也會(huì)導(dǎo)致人一機(jī)運(yùn)動(dòng)不相容，在聯(lián)接部位發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉與沖突。 此外，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，材料選擇、結(jié)構(gòu)美觀和機(jī)構(gòu)可調(diào)性等也是研究的重要問(wèn)題。 本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑） 1.研究或解決的5大問(wèn)題 (1)可穿戴性要好:下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人要有良好的可穿戴性經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的訓(xùn)練即可非常容易順利快速地穿脫。 (2)可調(diào)節(jié)性要強(qiáng):下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人面向的患者群體年齡跨度大，外骨骼應(yīng)能適應(yīng)各種身高體重的患者，因此其在長(zhǎng)度及寬度方向都應(yīng)能調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同患者穿戴。 (3)結(jié)構(gòu)要輕巧:外骨骼機(jī)器人應(yīng)盡量輕巧、簡(jiǎn)便方便穿戴和驅(qū)動(dòng)，節(jié)省能源。 (4)相互干擾性要小:盡量減小人與外骨骼的直接接觸面，減小人機(jī)相互干擾，從而減小對(duì)人體各方面的限制。 (5)柔順、舒適性要好:下肢外骨骼機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)與人體下肢的運(yùn)動(dòng)要具有很好的協(xié)調(diào)性。其結(jié)構(gòu)、自由度的配置要與人體結(jié)構(gòu)與自由度相匹配。使穿戴著感覺(jué)柔順自然。 2.研究手段 （1）弄清楚穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)特點(diǎn) 1穿戴式機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)布局特點(diǎn) 機(jī)械腿通過(guò)三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，類似于人體膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其驅(qū)動(dòng)裝置安放在固定件的位置上。該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)桿件不必承載驅(qū)動(dòng)電機(jī)的重量，減少了電機(jī)數(shù)量，這種擬人機(jī)械腿具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載能力強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)慣性小、運(yùn)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，克服了傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)特性差等缺點(diǎn)。 這種穿戴式機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)布局特點(diǎn)如下:①三個(gè)直線移動(dòng)副P1、P2和P3相互平行;②三個(gè)直線移動(dòng)副P1、P2和P3均安裝在基座上;③當(dāng)桿FO2垂直于而MNO2、平行于桿FO1，且各移動(dòng)副輸入均為零時(shí)，這種膝關(guān)節(jié)和躁關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)處于初始位姿。移動(dòng)副P1、P2和P3的初始長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)io （i=1,2,3),}Z分別為各直線移動(dòng)副的輸入位移。建立兩個(gè)坐標(biāo)系:靜坐標(biāo)系R(O1X1Y1Z1)、動(dòng)坐標(biāo)系S(O2X2Y2Z2)，如圖1所示，點(diǎn)O2為這種機(jī)構(gòu)的參考點(diǎn)。 圖1 （2）穿戴式機(jī)械腿設(shè)計(jì)方案 1. 基于機(jī)械腿的參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，同時(shí)考慮加工與裝配工藝性，給出一種擬人機(jī)械腿的設(shè)計(jì)方案，如圖2(a)所示，這種擬人機(jī)械腿與球而三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)(作為擬人骸關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)原型)串聯(lián)在一起，構(gòu)成擬人下肢的設(shè)計(jì)方案，如圖2(b)所示。這種擬人機(jī)械腿機(jī)構(gòu)的膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)采用4- DOF欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為機(jī)構(gòu)原型，通過(guò)三個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方式，電機(jī)等固定件靠近腰部附近，減小電機(jī)等固定件產(chǎn)生的力矩，增加腿部的承載能力，減小運(yùn)動(dòng)慣性，發(fā)揮并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，這種新型擬人下肢可實(shí)現(xiàn)任何步態(tài)狀況，具有主動(dòng)控制步態(tài)的優(yōu)點(diǎn)。因此，這種新型擬人下肢具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載能力強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)慣性小、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。 圖2（a） 圖2（b） （3）機(jī)械腿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 按照機(jī)構(gòu)原理圖的設(shè)計(jì)圖想，其中較難設(shè)計(jì)的部分為膝關(guān)節(jié)所在支鏈的平面四桿機(jī)構(gòu)而如果完全按原理圖的設(shè)計(jì)，將轉(zhuǎn)動(dòng)副F.通過(guò)個(gè)單獨(dú)的桿件與基座固連，那么機(jī)械腿顯得不夠緊湊和靈巧。在傳動(dòng)副F點(diǎn)的固定問(wèn)題上可以去掉桿件IF,將傳動(dòng)副F直接表示 圖3 圖4 圖5 為機(jī)架固連，圖3，那么再設(shè)計(jì)傳動(dòng)副F只要固連任何與機(jī)架相連的地方即可，圖3為了使機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)史緊湊，將圖3中的AIFJ支鏈翻轉(zhuǎn)180度.再將點(diǎn)J上的桿件固連到點(diǎn)E 上，如圖4所示，這樣I改動(dòng)不改變?cè)械墓ぷ髟怼Ｒ苿?dòng)副采用滾珠絲桿實(shí)現(xiàn)，根據(jù)改進(jìn)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，設(shè)計(jì)了如圖5所小的膝關(guān)口聽(tīng)在支鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，扣將轉(zhuǎn)動(dòng)副F固定絲杠導(dǎo)軌的基座上，而該基座與機(jī)械腿的靜平臺(tái)基座固連，這樣使得擬人機(jī)械腿結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)減輕重量。 （4）加入胡克鉸結(jié)構(gòu) 胡克鉸（圖6）在并聯(lián)機(jī)構(gòu)中使用傾率很高，而該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接彩響了整個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的性能。因?yàn)樵谘芯繖C(jī)構(gòu)的工作空間時(shí)，在考慮約束的影響中，胡克鉸兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍是一個(gè)重要因素。對(duì)這個(gè)擬人機(jī)械腿機(jī)構(gòu)，沒(méi)有桿件之間的干涉，胡克鉸的性能對(duì)這個(gè)機(jī)構(gòu)性能(工作空間)起了決定性的作用。 圖6 （5）裝配體結(jié)構(gòu) 對(duì)三條運(yùn)動(dòng)支鏈進(jìn)行合理布局，避免桿件發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，同時(shí)根據(jù)裝配工藝要求設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)支鏈與動(dòng)、靜平臺(tái)的連接方一式。 擬人機(jī)械腿的裝配體結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。三條運(yùn)動(dòng)支鏈通過(guò)上、下平臺(tái)連接在一起，并通過(guò)板件對(duì)其加固。電機(jī)固定上平臺(tái)上，上平臺(tái)上與關(guān)節(jié)相連。下平臺(tái)設(shè)計(jì)為腳底板，直接與地面接觸。 圖7 （6）機(jī)械腿的方案最終實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)圖 圖8 揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文資料翻譯 教 科 部： 機(jī) 械 電 子 系 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 姓 名： 蔣 璞 學(xué) 號(hào)： 100007117 外 文 出 處： Design of wearable lower limb （用外文寫） rehabilitation device 附 件： 指導(dǎo)老師評(píng)語(yǔ) 簽名： 年 月 日 揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期自查表 （中期教學(xué)檢查用） 學(xué)生姓名 蔣璞 學(xué)號(hào) 100007117 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班級(jí) 機(jī)械81001班 指導(dǎo)教師 周建華 職 稱 副教授 設(shè)計(jì)（論文）題　　目 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 個(gè)人精力 實(shí)際投入 每天平均工作時(shí)　間 6小時(shí) 迄今缺席天數(shù) 無(wú) 出勤率% 100% 指導(dǎo)教師每周指導(dǎo)次數(shù) 2 每周指導(dǎo)時(shí)間（小時(shí)） 2 未指導(dǎo)的周次及原因 無(wú) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作進(jìn)度（完成）內(nèi)容及比重 已完成主要內(nèi)容（　30　%） 待完成主要內(nèi)容（　70　%） 進(jìn)展正常 存在問(wèn)題及解決方案 指導(dǎo)教師意見(jiàn)：　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　指導(dǎo)教師簽名： 　 　　　　　 年 月 日 揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)教師審閱意見(jiàn)表 設(shè)計(jì)（論文）題目 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 蔣璞 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班級(jí) 機(jī)械81001班 指導(dǎo)教師姓名 周建華 職稱 副教授 得分 指導(dǎo)教師審閱意見(jiàn)： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱人意見(jiàn)表 設(shè)計(jì)（論文）題目 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 蔣璞 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班級(jí) 機(jī)械81001班 評(píng)閱人姓名 職稱 得分 評(píng)閱人意見(jiàn)： 評(píng)閱人簽名： 年 月 日 揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯結(jié)果表 設(shè)計(jì)（論文）題目 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 蔣璞 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班級(jí) 機(jī)械81001班 答辯記錄： 答辯小組意見(jiàn)： 得 分 組長(zhǎng)簽名 日 期 答辯委員會(huì)意見(jiàn)： 指導(dǎo)教師評(píng)　　分 評(píng)閱人評(píng)　分 答辯小組得　　分 結(jié)構(gòu)分 最終成績(jī) 主任簽章 日 期 24 揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院 本科生畢業(yè)論文 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名 蔣璞 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 機(jī)械81001班 指 導(dǎo) 教 師 周建華 完 成 日 期 2014年 5 月 30 日 中文摘要 本論文研究穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)。穿戴式機(jī)械腿是一種典型的人機(jī)一體化系統(tǒng)，該機(jī)構(gòu)是一種穿戴于人體腿部幫助有下肢乏力的患者進(jìn)行康復(fù)治療的機(jī)械結(jié)構(gòu)。本文在人-機(jī)相容性方面做了詳細(xì)的分析，使本機(jī)構(gòu)在較好的穿戴位形下依靠人體的運(yùn)動(dòng)信息控制穿戴式機(jī)器人，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中提高人機(jī)步態(tài)的一致性，達(dá)到更好的康復(fù)治療的目的。 論文分析了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，了解了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的背景情況、研究進(jìn)展和未來(lái)的發(fā)展問(wèn)題，總結(jié)了下肢康復(fù)機(jī)器人研究中還存在的問(wèn)題，進(jìn)而確定了本文的主要研究?jī)?nèi)容及所需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。 本文確定了下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的自由度，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了關(guān)節(jié)布位，通過(guò)自由度的分析對(duì)人-機(jī)聯(lián)接模式和約束性質(zhì)進(jìn)行了研究，從而確定了骨骼-機(jī)構(gòu)聯(lián)體模型。在人體骨骼模型的基礎(chǔ)上，提出了一種機(jī)構(gòu)構(gòu)型方案。對(duì)人-機(jī)相容性進(jìn)行了定義，分析了人-機(jī)相容性的影響因素。在此基礎(chǔ)上分別對(duì)人體下肢骨骼模型和這種機(jī)構(gòu)構(gòu)型進(jìn)行了三維模型設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞:康復(fù)機(jī)器人,人-機(jī)相容性,機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) Abstract This study discusses lower extremity rehabilitative robot. The lower extremity rehabilitative robot is a typical man-machine integrated system; it is worn on the body of a limb to help patients with physical disabilities rehabilitation of mechanical devices. In this paper, man-machine compatibility has done more analysis and with well wearing this equipment to rely on the human body configuration under the control of lower extremity rehabilitative robot motion information. It improves the consistency rehabilitation of human gait in the course of the campaign to achieve better purposes. This paper analyzes the research situation and has a research about the background of relevant research at home and abroad, progress of research and future development. Lower extremity rehabilitation robot research summarized the problems still exist, and then this article determines the main contents, and the key issues need to be resolved. This paper has identified the DOF of lower extremity rehabilitative robot and the joint distribution of digital agencies. Through the analysis in freedom this article do the research on the human-machine connection mode and the nature binding. Two programs of mechanism are proposed based on the bone一body conjoined model. The study defines the compatibility of human-machine and analyzes the compatibility factors of human-machine. On this basis, the human skeleton model and the configuration of the two agencies are conducted by the three-dimensional model design respectively. Keywords: rehabilitative robotics, man-machine compatibility, mechanism design III 目 錄 中文摘要......................................................................................................................I Abstract .......................................................................................................................II 第一章 緒論.............................................................................................................1 1.1研究背景..................................................................................................................1 1.2下肢康復(fù)機(jī)器人概況 ....................................................................................2 1.2.1康復(fù)機(jī)器人研究歷史.................................................................................2 1.2.2下肢康復(fù)機(jī)器人分類.............................................................3 1.3下肢康復(fù)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀...............................................................................5 1.3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀.......................................................................................5 1.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀.................................................................................;.....9 1.4下肢康復(fù)機(jī)器人研究存在的問(wèn)題........................................................11 1.5課題意義及主要研究?jī)?nèi)容...............................................................................11 第二章 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析..................................................13 2.1 引言..................................................................................................13 2.2人體下肢生物骨骼模型...................................................................................13 2.3骨骼的運(yùn)動(dòng)與下肢關(guān)節(jié).........................................................................13 第三章 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).......................................................19 3.1穿戴式機(jī)械腿設(shè)計(jì).......................................................................................19 3.1.1三維模型設(shè)計(jì).......................................................................................19 3.1.2膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)及腳部設(shè)計(jì)...........................................................................21 3.1.3下肢連接器...........................................................................................26 3.1.4大小腿彈簧助力器及保護(hù)...........................................................26 3.1.5下肢骸部設(shè)計(jì).........................................................................................28 3.1.6 腿部固定............................................................................................30 第四章 強(qiáng)度校核.........................................................................................31 4.1關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)連接器受力分析.....................................................................31 設(shè)計(jì)總結(jié).............................................................................................34 參考文獻(xiàn)...............................................................................................36 致謝.....................................................................................................38