下肢外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制畢業(yè)設(shè)計

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摘 要外骨骼廣泛存在于自然界，許多動物都有不同形式的外骨骼，諸如犰狳的鎧甲，穿山甲的鱗片。本質(zhì)上都是一種可以給他們提供保護的堅硬外部結(jié)構(gòu)，幫助他們抵御天敵，躲避自然災害。人類從生物學中得到啟示，發(fā)現(xiàn)外骨骼所具有的巨大潛力，并希望設(shè)計一種外骨骼來幫助運動機能受損的人類。因此近些年來許多研究單位和高校都致力于開發(fā)能為人體提供支持和保護的外骨骼機器人。作為一種全新領(lǐng)域的機器人，它不僅可以幫助那些肢體受損的殘障人士恢復行走，還可以增強人體的負重水平，故可用于交通、建筑、機械、軍事、醫(yī)護等各個領(lǐng)域。目前已知的下肢外骨骼大多為了實現(xiàn)快速精確的運動控制，采用傳統(tǒng)驅(qū)動形式，將剛性驅(qū)動器安裝在主動關(guān)節(jié)的位置上，使得結(jié)構(gòu)龐大復雜，重量居高不下最終使得關(guān)節(jié)位置與人體契合度不高，穿戴不便舒適性降低。針對以上問題，本文主要研究人體下肢的運動機理，分析閱讀國內(nèi)外最新下肢外骨骼的研究情況，形成自己獨立的思考。開發(fā)一種全新的下肢外骨骼，設(shè)計完成其主體結(jié)構(gòu)和各項配置。力求達到輕量化、小型化的設(shè)計目標，本文創(chuàng)新性的采用了繩驅(qū)的方式，將驅(qū)動器與下肢外骨骼本體分離，驅(qū)動器統(tǒng)一安裝于背部，從而減少穿戴患者負擔。最后，對其硬件例如主控器、傳感器、電機及驅(qū)動器等進行選型，在LabVIEW 環(huán)境編程，對控制方案進行設(shè)計，搭建運動控制的試驗平臺，最終對該下肢外骨骼的結(jié)構(gòu)和控制方案進行驗證。關(guān)鍵詞：下肢外骨骼；機械設(shè)計；運動控制程序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 body's 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 錄摘 要 iABSTRACT.i目 錄 I第一章 緒論 .11.1 課題來源及研究意義 11.1.1 課題來源 .11.1.2 研究意義 .11.2 下肢外骨骼研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 21.2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .21.2.2 驅(qū)動形式 .41.3 本文研究內(nèi)容 5第二章 下肢外骨骼總體方案設(shè)計 .52.1 人體下肢運動規(guī)律 52.1.1 人體基本面和基本軸 .52.1.2 人體下肢運動機理 .62.2 設(shè)計原則 72.3 整體方案 72.3.1 整體方案 .72.3.2 整體尺寸 .82.4 本章小結(jié) 9第三章 下肢外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計 .103.1 繩驅(qū)動線盤結(jié)構(gòu)設(shè)計 .103.2 髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計 113.2.1 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) .113.2.2 膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) .123.2.3 關(guān)鍵軸 .133.3 大腿及小腿結(jié)構(gòu)設(shè)計 143.4 踝關(guān)節(jié)及足部設(shè)計 143.5 驅(qū)動器設(shè)計 15II3.6 本章小結(jié) 15第四章 下肢外骨骼運動學分析和零部件校核 .174.1 D-H 模型運動學及運動空間分析 174.1.1 D-H 模型模型運動學正解 .174.1.3 運動空間分析 .204.2 膝部以下人機連接的運動學分析 214.3 關(guān)鍵零件和結(jié)構(gòu)的校核 214.3.1 主要軸的強度和剛度校核 .224.3.2 軸承的壽命校核 .254.3 本章小結(jié) 26第五章 變剛度驅(qū)動器運動控制實驗 .275.1 平臺硬件選型 275.1.1 控制器的選擇。 .275.1.2 電機選擇 .285.1.3 編碼器選型 .285.1.4 驅(qū)動器選型 .285.2 程序設(shè)計 295.21 Labview 開發(fā)環(huán)境 .295.2.2 初始化程序設(shè)計 .295.2.3 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計 .295.4.4 PD 控制程序設(shè)計 295.3 階躍響應實驗 305.3.1 實驗過程 .305.3.2 實驗結(jié)果分析 .305.4 本章小結(jié) 30第六章 總結(jié)與展望 .306.1 工作總結(jié) 306.2 工作展望 31參考文獻 .32致謝 .35III附錄 .3611 緒論1.1 課題來源及研究意義1.1.1 課題來源本論文選題來自國家自然科學基金青年基金項目“類生物骨骼肌變剛度驅(qū)動器的仿生機理與優(yōu)化設(shè)計方法研究” （項目批準號：51605339） ，中國博士后基金面上項目“面向康復機器人的變剛度驅(qū)動器仿生設(shè)計原理及方法” ， （項目批準號：2016M592382）及中國高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金青年教師自助項目“智能機器人用柔性驅(qū)動器的仿生設(shè)計方法和控制策略” （2042016kf0021） 。1.1.2 研究意義外骨骼廣泛存在于自然界，許多動物都有不同形式的外骨骼，諸如犰狳的鎧甲，穿山甲的鱗片。本質(zhì)上都是一種可以給他們提供保護的堅硬外部結(jié)構(gòu)，幫助他們抵御天敵，躲避自然災害。人類從生物學中得到啟示，發(fā)現(xiàn)外骨骼所具有的巨大潛力，并設(shè)計一種外骨骼來幫助運動機能受損的人類。 。因此近些年來許多研究單位和高校都致力于開發(fā)能為人體提供支持和保護的外骨骼機器人。作為一種全新領(lǐng)域的機器人，它不僅可以幫助那些肢體受損的殘障人士恢復行走，還可以增強人體的負重水平，故可用于醫(yī)療、軍事、建筑、機械等各個領(lǐng)域，比如：在建筑行業(yè)中，復雜的施工環(huán)境，短暫的工期，都催促施工者提高工作效率，加快進度；在戰(zhàn)爭中，士兵需要背負各種現(xiàn)代化武器和新興裝備以應對突如其來的戰(zhàn)況；在醫(yī)護行業(yè)，護士需要經(jīng)常輔助患者行走，搬運傷者和醫(yī)療器材；在社會中，存在許多殘障人士，需要輔助才能行走。下肢外骨骼既可以幫助人們提高背負載荷的能力，完成繁重的工作，還可以為患者提供運動康復治療使得那些殘障人士可以生活自理恢復自信心。因此，設(shè)計開發(fā)一種集輕量化、便攜化、智能化于一體的下肢外骨骼成為了現(xiàn)階段的主流趨勢。目前已知的下肢外骨骼大多為了實現(xiàn)快速精確的運動控制，將剛性驅(qū)動器安裝在主動關(guān)節(jié)的位置上，使得結(jié)構(gòu)龐大復雜，重量居高不下最終使得關(guān)節(jié)位置與人體契合度不高，穿戴不便舒適性降低。針對以上問題，本文的主要研究內(nèi)容有：第一，研究人體下肢的運動機理，分析閱讀國內(nèi)外最新下肢外骨骼的研究情況，形成自己獨立的思考，設(shè)計一種新型的下肢外骨骼。第二，自主設(shè)計完成一種下2肢外骨骼，完成三維繪圖及二維工程圖的繪制，并制作樣機驗證其可行性。第三，利用 D—H 方法建立下肢外骨骼的運動學方程。分析計算下肢外骨骼的運動空間，討論其與人體運動空間的擬合程度。之后以膝關(guān)節(jié)以下的人機穿戴進行分析，進行建模討論穿戴偏差。最后用有限元分析軟件 ANSYS 對關(guān)鍵軸類零件進行計算校核，最后計算軸承壽命。第四，加工各個零部件組裝樣機，選擇硬件例如主控器、傳感器、電機及驅(qū)動器等，對控制方案進行設(shè)計，在 LabVIEW 環(huán)境編程，搭建運動試驗平臺，最終對該下肢外骨骼的結(jié)構(gòu)和控制方案進行驗證。1.2 下肢外骨骼研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀上世紀 60，美國海軍在實戰(zhàn)中發(fā)現(xiàn)提高士兵的負載能力有助于提升其作戰(zhàn)能力，于是由其下屬的研究辦公室提供資金，牽頭美國通用電器集團和美國著名高?？的螤柎髮W，要求其開發(fā)一款可以提升人體負載能力的外骨骼助力機器人。不久之后這款名為“哈迪曼 1”的外骨骼助力機器人便應運而生，如圖 1.1 所示。利用水壓作為其動力源，使用早期主從控制方法。 “哈迪曼 1”體積巨大，重量也達到了驚人的 680 kg。雖然如此“哈迪曼 1”依舊展現(xiàn)出來驚人的效果，實驗證明它利用水泵提供的壓力最多可以將人體的四肢力量提升 25 倍 [8]。雖然效果明顯，缺點也顯而易見，680kg 的龐大重量讓使用者望而卻步，只能固定在基座上供人演示。使得后續(xù)研究者認識到要考慮驅(qū)動形式和機械結(jié)構(gòu)的影響，提高其實用性。在這之后的 1978 年，麻省理工學院也參與到下肢外骨骼的設(shè)計中來，為了避免外骨骼機器人體積和重量過大。他們提出一種準被動式外骨骼助力機器人新的思路，借助人體本身的力量開發(fā)出一款更加便攜、使用更加舒適的機器人。經(jīng)過幾年的研發(fā)，這款機器人最終成型。圖 1.2 為麻省理工學院設(shè)計的外骨骼下肢助力機器人。進入新千年以后，各國對下肢外骨骼的研究都跨上了新的臺階，2000 年，為了增加士兵的承重和運動能力，美國著名武器制造商洛馬公司推出了一款 “HULC”的外骨骼機器人，如圖 1.3 所示。由于設(shè)計之初就考慮到要將其應用到實戰(zhàn)中去，所以該外骨骼機器人首要目標便是在士兵負重的情況下還能提高士兵的機動能力。利用特殊的機械結(jié)構(gòu)可以將人體的體重傳遞至地面，使用者僅僅3承擔一部分負重，使得其實用效果大大提升，但是其在續(xù)航方面存在短板，一次充電僅僅可以使用 2 小時左右 [7]。與此同時，日本的研究也取得了突破，日本由于人口老齡化嚴重，醫(yī)護工作者短缺。由此思路日本神奈川理工學院開發(fā)了一款全身式外骨骼助力機器人，各個機械單元相對獨立?？梢詤f(xié)助醫(yī)護工作者搬運重物，轉(zhuǎn)移病人，協(xié)助患者行走。利用氣動驅(qū)動器實現(xiàn)驅(qū)動。它的驅(qū)動器其最大負載可以到達 85 kg [11]，滿足日常需要。圖 1.4 神奈川理工 圖 1.6 哈佛柔性機器人近年來，下肢外骨骼的設(shè)計研究不斷推陳出新。 2016 年哈佛大學的 Walsh 教授的設(shè)計就讓人眼前一亮。該團隊經(jīng)過反復研究，拋棄了傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新性的提出了像衣服般柔軟的下肢外骨骼，利用柔性彈力繩布置在人體的各個受力關(guān)鍵點，在起到協(xié)助人體運動的同時，不給使用者增加身體和心里上的負擔，設(shè)計科學合理，應用前景廣泛。 相比較于國外，國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究較晚，技術(shù)較為落后，但近幾年國家重點項目的大力支持下也取得了卓越的成效。如華中科技大學、哈爾濱工業(yè)大學、浙江大學，和中科院等，提出了各自的新設(shè)計新思路。圖 1.7 為浙江大學自主研發(fā)的多自由度下肢外骨骼助力機器人。在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)這兩個主動關(guān)節(jié)使用氣動驅(qū)動。另外為了提高人機交互性能，預判使用者圖 1.1 哈迪曼 1 圖 1.2 MIT 外骨骼機器人 圖 1.3 HULC4意圖比如：屈膝、伸腿等，設(shè)計者還在其腳底板設(shè)置壓力變化傳感器并將其輸入到主控板上，再將其反饋到主動關(guān)節(jié)的氣缸的位移控制信號上，以實現(xiàn)人機協(xié)作。電子科技大學也自主研發(fā)了一款下肢外骨骼。其創(chuàng)新點在于利用傳感器預判使用者運動趨勢，將信號反饋給主動關(guān)節(jié)配合其動作。這套主要面向殘障人士，還配備了兩根拐杖協(xié)調(diào)運動，輔助殘障人士行走如圖 1.8 所示。中科院先進制造技術(shù)研究所自主研發(fā)了一款使用電機驅(qū)動的多自由度助力下肢外骨骼，由于使用了高精度的電機及傳感器，體積和質(zhì)量都較大，正在試驗階段。圖 1.7 浙江大學機器人 圖 1.8 電子科大機器人 圖 1.9 中科院下肢機器1.2.2 驅(qū)動形式下肢外骨骼的驅(qū)動方法主要有電氣驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、繩驅(qū)動等。液壓驅(qū)動雖然可以提供較大的功率輸出，但是眾所周知液壓設(shè)備具有體積巨大、價格昂貴、污染高等缺陷不適合下肢外骨骼這樣小型的設(shè)備使用。氣壓驅(qū)動的和液壓驅(qū)動一樣，只是將載體由液壓油變?yōu)闅怏w。但是相比于液壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動功率小很多，并且空氣的壓縮形變較大，導致運動時沖擊較大。運動不平穩(wěn)導致，氣動驅(qū)動難以實現(xiàn)精準的位置控制。給下肢外骨骼的控制系統(tǒng)的設(shè)計增加了許多難度。電氣驅(qū)動具有很多優(yōu)點比如反應快速、運動精度高、體積小，控制精確等。但是下肢外骨骼與工業(yè)機器人不同，最終目的是達到人機的協(xié)調(diào)配合。將電機設(shè)置在主動關(guān)節(jié)上，導致人機穿戴偏差大，使用者舒適性降低。而且電機體積和重量都比較大，給使用者增加了不小的負擔。某些進口電機價格高昂，最終使得整機加工居高不下，難以面向市場。5考慮到這些問題，本文設(shè)計的下肢外骨骼采用繩驅(qū)動的方式。繩驅(qū)動相較于電機驅(qū)動關(guān)節(jié)，在保證輸出功率的同時，重量更輕、體積更小、更易于實現(xiàn)控制。由此可見，繩驅(qū)動具有運動速度快，控制精度高，柔性驅(qū)動，價格低廉等諸多優(yōu)點。1.3 本文研究內(nèi)容（1）閱讀國內(nèi)外最新下肢外骨骼的研究情況及文獻，分析研究人體下肢的運動機理，形成自己獨立的思考，并設(shè)計完成一種基于繩驅(qū)的新型下肢外骨骼。（2）自主設(shè)計完成一種下肢外骨骼，完成三維繪圖及二維工程圖的繪制，并制作樣機驗證其可行性。（3）利用 D—H 方法建立下肢外骨骼的運動學方程。分析計算下肢外骨骼的運動空間，討論其與人體運動空間的擬合程度。之后以膝關(guān)節(jié)以下的人機穿戴進行分析，進行建模討論穿戴偏差。最后用有限元分析軟件 ANSYS 對關(guān)鍵軸類零件進行計算校核，最后計算軸承壽命。（4）加工各個零部件組裝樣機，選擇硬件例如主控器、傳感器、電機及驅(qū)動器等，對控制方案進行設(shè)計，在 LabVIEW 環(huán)境編程，搭建運動試驗平臺，最終對該下肢外骨骼的結(jié)構(gòu)和控制方案進行驗證。6第二章 下肢外骨骼總體方案設(shè)計2.1 人體下肢運動規(guī)律2.1.1 人體基本面和基本軸如圖 2.1 是人體的基本面和基本軸的劃分。從人體的相對幾何中心開始，建立了一個直角坐標系各軸兩兩垂直，垂直于地面向上的軸稱為垂直軸；水平從后向前與人體目光方向一致的軸稱為矢狀軸；水平從左向右并且同時垂直于縱轉(zhuǎn)軸和矢狀轉(zhuǎn)軸的軸稱為額狀軸。這三軸分別為水平面、額狀面、和矢狀面的法向量。2.1.2 人體下肢運動機理人體的各個關(guān)節(jié)都主要由骨、關(guān)節(jié)和骨骼肌三者組成，關(guān)節(jié)內(nèi)存在關(guān)節(jié)軟骨、韌帶及脂肪等。對人體下肢的主要關(guān)節(jié)有三個，分別是髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。恥骨、坐骨、髖骨、組成髖關(guān)節(jié)；髕骨和脛骨則構(gòu)成膝關(guān)節(jié)；脛骨的下關(guān)節(jié)面及內(nèi)、外踝關(guān)節(jié)面構(gòu)成踝關(guān)節(jié)。外部的肌肉起到牽拉、覆蓋及保護的作用，關(guān)節(jié)內(nèi)則有軟組織和脂肪提供潤滑與保護。髖關(guān)節(jié)，為杵臼關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)表面覆蓋軟組織，內(nèi)部充滿滑脂。每當關(guān)節(jié)內(nèi)壓力增大滑脂被擠出壓力減小滑脂吸入，使得關(guān)節(jié)內(nèi)壓力始終保持平衡。其主要運動為奔跑時的前后屈伸及左右跨步時的外旋和內(nèi)旋。膝關(guān)節(jié)，為滑車關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)內(nèi)有一個由股骨內(nèi)、外側(cè)髁和脛骨內(nèi)、外側(cè)髁以及髕骨組成的關(guān)節(jié)腔，關(guān)節(jié)面上覆蓋一層光滑的關(guān)節(jié)軟骨。在收縮及伸直狀態(tài)時，肌肉及韌帶收緊，無法做旋轉(zhuǎn)運動，只能前后屈伸，因此將其簡化為僅具有屈伸自由度。踝關(guān)節(jié)也是一個滑車關(guān)節(jié)，主要有由脛骨的下關(guān)節(jié)面及內(nèi)、外踝關(guān)節(jié)面構(gòu)成，可以做背屈或跖屈運動。因為踝關(guān)節(jié)處的韌帶和肌肉都較為薄弱，運動角度又限制較大，故將其簡化為一個被動的單自由度的鉸鏈， 腿部肌肉組成如圖 2.3 在此不再贅述。髖關(guān)節(jié) 膝關(guān)節(jié) 踝關(guān)節(jié)7伸/屈 外旋/內(nèi)旋 外展/內(nèi)收 屈/伸 背伸/趾屈 外旋/內(nèi)旋120°/-30° 60°/-30° 80°/-35° 0°/-90° 25°/-30° 40°/-40°表 2.1 人體下肢基本運動范圍圖 2.1 人體劃分 圖 2.2 下肢骨骼 圖 2.3 下肢肌肉2.2 設(shè)計原則（1）強化功能實用性。設(shè)計初衷即考慮下肢外骨骼康復訓練及助力，強化實用功能，摒棄冗余結(jié)構(gòu)，盡可能達到結(jié)構(gòu)簡單，功能全面。（2）增強零件工藝性。在設(shè)計零部件時，要考慮加工、制造及裝配時的情況，盡可能在保證零件精度的同時，減小制造難度，降低成本，提高實用性。（3）強調(diào)設(shè)計舒適性，設(shè)計始終立足以人為本，考慮穿戴者使用時感受降低人機連接偏差，達到穿戴無負擔，使用舒適，操作簡單，響應迅速。 （4）保證零件可靠性，在滿足強度和剛度的情況下進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使用高性能材料，盡量降低運動慣量。2.3 整體方案2.3.1 整體方案根據(jù)上述原則，現(xiàn)將總體方案描述如下：（1）背板作為驅(qū)動及控制裝置的主要安裝位置，同時也是人機鏈接的重要部分。背板預留孔位，設(shè)置彈性綁帶，可根據(jù)不同體型的用戶調(diào)節(jié)，使用者可以像背起書包一樣的輕松的背起背板，自由活動不受位置的限制，滿足日?？祻突顒拥男?求。（2）大腿、小腿板的形狀類似錐形，中部鏤空減輕質(zhì)量，減小使用者負擔。為滿足不同體型和身高的使用者，利用鎖緊滑塊機構(gòu)完成長度調(diào)節(jié)的功能。真正做到以人為本。（3）髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)作為主動關(guān)節(jié)，其軸心與人體關(guān)節(jié)軸心重合起到輔助人體運動的功能。V 型張緊板指向繩驅(qū)線盤軸心，對鋼繩起到固定和張緊的作用。背部驅(qū)動器驅(qū)動鋼繩運動并并最終傳到到髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)線盤。 （4）為增強人機配合，腿部還設(shè)置了可移動鎖緊滑塊綁腿機構(gòu)，便于不同使用者進行調(diào)節(jié)。（5）小腿板和腳踝板通過腳踝軸進行連接，腳踝軸兩端皆配置軸承，使得小腿板和腳踝板可以相對移動。由前述可知，踝關(guān)節(jié)較為薄弱，易發(fā)生關(guān)節(jié)積液、韌帶撕裂及扭傷，故踝關(guān)節(jié)處設(shè)置單自由度。關(guān)節(jié)內(nèi)部也布置限位，防止過度屈伸為使用者帶來傷害，起到保護使用者踝關(guān)節(jié)的作用。圖 2.4 分別為主視圖、右視圖和后視圖。圖 2.4 主視圖 圖 2.4 右視圖 圖 2.4 后視圖2.3.2 整體尺寸依據(jù)中國居民平均身高分布中的數(shù)據(jù)，男性的平均身高范圍在 168cm-175cm，女性則在 158cm-168cm。為提高該設(shè)計的通用性設(shè)置腿部變長機構(gòu)，將大腿的可調(diào)整范圍確定為 400cm-530cm，小腿可調(diào)整范圍確定為 320cm-420cm。僅僅 設(shè) 置 變 長 機 構(gòu) 還 遠 遠 不 夠 ， 考 慮 到 人 機 連 接 的 舒 適 性 。 在 背 板 上 預 留 孔 位 ， 設(shè) 置長 度 可 調(diào) 節(jié) 的 彈 性 綁 帶 ， 將 驅(qū) 動 器 、 減 速 器 、 電 機 及 關(guān) 鍵 控 制 設(shè) 備 固 定 在 背 板 上 可9以 隨 使 用 者 運 動 。 為 適 應 不 同 使 用 者 的 不 同 的 身 高 和 體 型 ， 大 腿 及 小 腿 固 定 綁 帶 的滑 塊 位 置 也 可 做 出 調(diào) 整 。 踝 關(guān) 節(jié) 設(shè) 置 被 動 自 由 度 ， 不 設(shè) 置 腳 板 而 是 在 踝 關(guān) 節(jié) 板 處 設(shè)置 卡 槽 ， 將 使 用 者 原 有 的 鞋 固 定 在 上 面 增 強 適 應 性 和 舒 適 性 。 在 soildworks 中 選 擇材 料 屬 性 ， 考 慮 到 使 用的 便 捷 性 和 舒 適 性 ， 通 過 簡 單 計 算 考 慮 使 用 輕 且 堅 固 的 鋁 合 金 作 為 板 件 的 主 要 材 料 ，背 板 考 慮 使 用 美 觀 堅 固 的 有 機 玻 璃 ， 軸 類 則 考 慮 使 用 不 銹 鋼 進 行 加 工 。 布 置 完 材 料后 ， 核 算 整 機 包 括 電 機 及 驅(qū) 動 設(shè) 備 質(zhì) 量 約 為 13kg， 體 積 約 為 相 對 與 其5.5×106mm3他 常 見 設(shè) 備 對 人 體 負 擔 很 小 。 整 機 左 右 寬 度 520mm 左 右 ， 前 后 寬 度 390mm 左 右 ， 上下 高 度 1300mm， 兩 者 均 可 做 出 調(diào) 整 。 圖 2.5 為 下 肢 外 骨 骼 在 CAD 中 的 總 裝 圖 。 2.4 本章小結(jié)本章開篇首先對人體下肢的關(guān)節(jié)進行了介紹，建立起了對人體下肢結(jié)構(gòu)的基本認識，并由此來安排每個關(guān)節(jié)的自由度結(jié)構(gòu)方案。而后確定下肢外骨骼設(shè)計的原則并且對整機的方案進行了規(guī)劃，最后對相關(guān)硬件的選型做了介紹表格說明了各項指標及參數(shù)。圖 2.5 主視圖 圖 2.5 右視圖圖 2.5 俯視圖10第三章 下肢外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 繩驅(qū)動線盤結(jié)構(gòu)設(shè)計要將電機輸出的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為鋼繩的拉力，再將拉力轉(zhuǎn)換為驅(qū)動主動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩則需要一種動力轉(zhuǎn)換裝置，利用繩驅(qū)線盤將鋼繩的拉力轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)矩將其輸入到主動關(guān)節(jié)，如圖 3.1 所示即為髖關(guān)節(jié)繩驅(qū)示意圖，髖關(guān)節(jié)設(shè)置為單自由度。老式線盤如圖 3.2 工作時電機及驅(qū)動器工作使得 A 線張緊， B 線放松為順時針轉(zhuǎn)動，反之逆時針轉(zhuǎn)動，兩邊對稱設(shè)置擋位卡槽以固定鋼繩。改進后新的繩驅(qū)線盤將邊緣線槽改為螺旋線，只需一根鋼繩，兩次通過擋位卡槽進行張緊。線槽深 3mm起導向及約束的作用。V 型張緊板與線盤的圓心對齊，使得鋼繩沿著線盤的圓周切向方向運動。圖 3.1 新繩驅(qū)線盤 圖 3.2 舊繩驅(qū)線盤3.2 髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計3.2.1 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)髖關(guān)節(jié)，由第二章可知屬于杵臼關(guān)節(jié)，主要可做后伸或外旋以及大腿外展。11本質(zhì)上屬于球角關(guān)節(jié)，但是在實際應用中球角關(guān)節(jié)不僅難以與人體配合，更無法現(xiàn)實驅(qū)動?？紤]到髖關(guān)節(jié)的主要運動，將其簡化為單自由度轉(zhuǎn)動副使得其可控制性、穩(wěn)定性增強，使用更加簡單。髖關(guān)節(jié)的傳動機械結(jié)構(gòu)采用疊加傳遞的形式，繩驅(qū)線盤中心軸線與關(guān)節(jié)中心軸線重合。繩驅(qū)線盤置于最外端與大腿圓盤相固定，大腿圓盤作為驅(qū)動的平臺，繩驅(qū)線盤轉(zhuǎn)動帶動大腿運動，大腿圓盤在其孔位兩端設(shè)置擋邊軸承和卡簧對軸進行定位。髖關(guān)節(jié)軸設(shè)置為階梯軸，一端留有直徑 1.5mm 孔位放置編碼器，將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號來控制角位移，另一端與髖關(guān)節(jié)圓盤固定，兩者預留3mm 間隙以減小摩擦力的不利影響。并參照表 2.1 可知髖關(guān)節(jié)屈/伸角度為 120°/-30° 實際步行范圍則小于最大屈/伸度。為防止過度屈伸保護使用者在關(guān)節(jié)內(nèi)設(shè)置限位。如圖 3.3 為膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)剖面圖。同時為防止下肢外骨骼過度屈伸，關(guān)節(jié)內(nèi)增加限位以達到在保護使用者關(guān)節(jié)不受侵害的同時，給予助力，關(guān)節(jié)限位如圖3.4 所示，3.5為總裝圖。1 髖關(guān)節(jié)板、2 髖關(guān)節(jié)軸、3 限位、4 大腿板、5 卡簧、6 軸承、7 線盤圖 3.3 膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)剖面圖1 髖關(guān)節(jié)板、2 限位塊 a、 3 限位塊 b、4 大腿板、12圖 3.4 髖關(guān)節(jié)限位示意1 大腿板、2 線盤、3 髖關(guān)節(jié)軸、4 髖關(guān)節(jié)板圖 3.5 髖關(guān)節(jié)總裝3.2.2 膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)與髖關(guān)節(jié)較為相似，設(shè)置大腿滑塊，內(nèi)有滑道及簧片，調(diào)節(jié)緊定螺釘可以調(diào)節(jié)大腿長度，膝關(guān)節(jié)圓盤與其固連。傳動機械結(jié)構(gòu)依然采取疊加傳遞的方式。繩驅(qū)線盤中心軸線與關(guān)節(jié)中心軸線重合置于最外端與小腿圓盤相固定，小腿圓盤作為驅(qū)動的平臺，繩驅(qū)線盤轉(zhuǎn)動帶動小腿運動，小腿圓盤在其孔位兩端設(shè)置擋邊軸承和卡簧對軸進行定位。膝關(guān)節(jié)軸依然設(shè)置為階梯軸，一端留有直徑1.5mm 孔位放置編碼器，將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號來控制角位移。另一端與膝關(guān)節(jié)圓盤固定，兩者預留 3mm 間隙以減小摩擦力的不利影響。并參照表 2.1可知膝關(guān)節(jié)屈/伸角度為 120°/-30° 實際步行范圍則小于最大屈/伸度。為防止過度屈伸保護使用者在關(guān)節(jié)內(nèi)設(shè)置限位圖 3.6 為膝關(guān)節(jié)剖面圖，膝關(guān)節(jié)總裝示意圖如3.7 所示。1 線盤、2 軸承、3 卡簧、4 大腿板、5 膝關(guān)節(jié)軸、6 小腿、133.6 膝關(guān)節(jié)剖面圖1 大腿、2 膝關(guān)節(jié)軸、3 線盤、4 小腿、3.7 膝關(guān)節(jié)總裝3.2.3 關(guān)鍵軸髖關(guān)節(jié)軸和膝關(guān)節(jié)軸是設(shè)計時的關(guān)鍵，考慮到關(guān)節(jié)處承受較大載荷，在挑選材料時，不僅要采用高強、高韌的材料，還應在一定程度上保證其價格低廉、加工性能好。查看機械加工手冊，考慮使用 304 鋼作為軸的材料。根據(jù)預估載荷進行初步估算，將髖關(guān)節(jié)軸徑尺寸定為 10mm。髖關(guān)節(jié)軸主要承受大腿板及人體下肢重量帶來的彎矩，而不承受扭矩，故可將該軸視為心軸?？紤]到該軸采取疊加傳動的方式，將其設(shè)置為階梯軸，設(shè)計軸的直徑為 10mm，設(shè)計軸肩的直徑為 12mm，軸向長度 28mm。在 SOILDWORKS 中配置材料估測質(zhì)量為 0.01kg，其方案設(shè)計如圖 3.8 所示。膝關(guān)節(jié)軸相似，但軸向長度 24mm，設(shè)計軸的直徑為 10mm，設(shè)計軸肩的直徑為 15mm，估測質(zhì)量為 0.01kg。方案如圖 3.9。圖 3.8 髖關(guān)節(jié)軸 圖 3.9 膝關(guān)節(jié)軸143.3 大腿及小腿結(jié)構(gòu)設(shè)計簧片調(diào)節(jié)兩者間隙，增大摩擦提高穩(wěn)定性。使用者穿戴上后，松開緊定螺釘，大腿末端即可在鎖緊滑塊中滑動，調(diào)節(jié)到合適的位置后，擰緊緊定螺釘，防止相對移動。大腿末端安裝限位塊，保證大腿板不會滑脫?？紤]到人機連接，為適應不同體型和身高的使用者，設(shè)計一個結(jié)構(gòu)相似的可移動鎖緊滑塊。該滑塊可以在腿部末端滑動以調(diào)節(jié)綁腿位置。在其上固定彈性綁帶人機連接緊密便于穿戴，圖 3.10 為大腿總裝圖，3.11 為小腿總裝圖。1 髖關(guān)節(jié)板、2 大腿板、3 可移動鎖緊滑塊、4 線盤、5V 型張緊板圖 3.10 大腿總裝1V 型張緊板、2 線盤、3 小腿、4 可移動鎖緊滑塊、 5 鎖緊滑塊、6 限位圖 3.11 小腿總裝3.4 踝關(guān)節(jié)及足部設(shè)計由前述可知，踝關(guān)節(jié)較為薄弱，外旋、內(nèi)旋角度較小易發(fā)生扭傷及韌帶撕裂等傷害。為保護使用者，在踝關(guān)節(jié)處布置單自由度，踝關(guān)節(jié)軸端上布置擋邊軸承使得腳踝板和小腿板可以相對轉(zhuǎn)動。關(guān)節(jié)內(nèi)部同樣設(shè)置限位保證在上述角度范圍內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)而不會超出該范圍起到保護使用者的作用。 1 小腿板、2 軸承、3 腳踝軸、4 腳踝板、5 卡簧15圖 3.12 踝關(guān)節(jié)剖面圖3.5 驅(qū)動器設(shè)計驅(qū)動器是實現(xiàn)關(guān)節(jié)運動的重要部件。在驅(qū)動器的選擇上考慮到外部沖擊和碰撞以及人體下肢關(guān)節(jié)運動機理。決定選用旋轉(zhuǎn)式串聯(lián)彈性驅(qū)動器 SEA。串聯(lián)彈性驅(qū)動器 SEA 得主要組成部件如圖 3.13 所示。其中 Maxon 的盤式電機作為動力來源。其輸出端與輸入齒輪連接，輸入齒輪與內(nèi)套筒齒圈嚙合，支架支撐固定外套筒，內(nèi)套筒與外套筒之間安裝深溝球軸承，可以產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。接通電源后，電機轉(zhuǎn)動帶動內(nèi)套筒轉(zhuǎn)動，外套筒與內(nèi)套筒之間發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。繩驅(qū)線盤安裝在外套筒末端，輸出角位移。其結(jié)構(gòu)如圖 3.13 所示。1 四叉輸入件、2 線性彈簧、3 內(nèi)套筒、4 外套筒、5 軸承、6 線盤、7 電機、8 底座、9 編碼器底座、10 增量式編碼圖 3.13 驅(qū)動器3.6 本章小結(jié)本章首先介紹了柔性驅(qū)動下肢外骨骼的工作原理及安裝方式對比新舊兩個不同線盤。之后具體介紹了主動關(guān)節(jié)的解構(gòu)和配置，分析了髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的具體結(jié)構(gòu)，列出了關(guān)鍵軸的參數(shù)和大腿、小腿、踝關(guān)節(jié)的設(shè)計方案，最后對驅(qū)動器進行詳細的結(jié)構(gòu)了說明，整機的總裝配圖及各個零件名稱如下圖所示。161 背 板 、 2T 型 限 位 、 3 腰 板 、 4 可 移 動 鎖 緊 滑 塊 綁 腿 、 5 鎖 緊 滑 塊 、 6 踝 關(guān) 節(jié) 板 、7 驅(qū) 動 器 、 8 髖 關(guān) 節(jié) 、 9 大 腿 、 10 膝 關(guān) 節(jié) 、 11 小 腿 、 12 踝 關(guān) 節(jié)圖 3.14 整 機 的 總 裝17第四章 下肢外骨骼運動學分析和零部件校核本章將首先討論下肢外骨骼的空間運動范圍，探討其與人體空間運動范圍的擬合程度。之后再對下肢外骨骼的人機連接情況及位姿關(guān)系進行分析，討論其偏差。最后對關(guān)鍵零部件進行校核，驗證機構(gòu)可靠性。4.1 D-H 模型運動學及運動空間分析4.1.1 D-H 模型模型運動學正解本文設(shè)計的下肢外骨骼，具有兩個主動和一個被動關(guān)節(jié)可以采用機器學中常用得 D-H 方法進行運動分析。要建立下肢外骨骼的直角空間坐標系，首先要將機器人拆分為各個不具有運動副的剛體，在每個剛體上設(shè)置一個坐標系，并據(jù)此列出一個含有位移和轉(zhuǎn)角等參數(shù) 4×4 的齊次變換矩陣。利用該矩陣可以對對相鄰兩剛體的空間位置關(guān)系進行描述。然后利用公式，依次推導變換最終可得出末端執(zhí)行機構(gòu)相對于初始坐標系的位姿，從而建立起機器人的運動學方程。將下肢外骨骼的初始位置定義為人體自然直立，大腿小腿自然下垂，且兩者共線。此時，各關(guān)節(jié)角均為零。設(shè)腰部后板固定端為基坐標系。簡化后的下周外骨骼坐標系如圖 5.1 所示。圖 5.1 下肢外骨骼坐標系18得到 D—H 參數(shù)表如下：關(guān)節(jié) i αi-1 ai-1 di θi 關(guān)節(jié)變量運動范圍1 0 0 0 0 02 -90° 0 l1 0 03 90° 0 -l2 0 04 0 l3 0 ??1 120°/-30°5 0 l4 0 ??2 0°/-90°6 0 l5 0 ??3 25°/-30°表 5.1 下肢外骨骼 D-H 參數(shù)表各個量的含義如下：變量 ：由坐標軸 到坐標軸 ,繞坐標軸 旋轉(zhuǎn)的角度； ?????1 ?????1 ???? ?????1變量 ：由坐標軸 到坐標軸 , 沿坐標軸 移動的距離； ?????1 ?????1 ???? ?????1變量 ：從 到 ，繞 旋轉(zhuǎn)的角度；???? ?????1 ???? ????變量 ：從 到 ，沿 移動的距離。???? ?????1 ???? ????下肢外骨骼，將其視為一個連桿坐標系，坐標系 i 與坐標系 i-1 都是以上四個參數(shù)的函數(shù)并通過以上四個參數(shù)相關(guān)聯(lián)。=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??(c??i -s??is??ic?????1?????????????1 0 ai-1????????1 ????????????1?????????????1?????????????10 0 ???????1???????????10 1 )上式中各個符號意義如下：Rot（x ）——代表旋轉(zhuǎn)變換矩陣，表示繞 x 軸旋轉(zhuǎn) 度；， ?? ??Trans（x ）——代表平移變換矩陣，表示沿 x 軸平移距離為 r， r ；19Screw（x ）——代表旋轉(zhuǎn)變換矩陣，表示沿 x 軸平移距離為 r，并且， ?? ,??繞 x 軸旋轉(zhuǎn) 度。??c ——cos?? ??s ——sin?? ??將下肢外骨骼 D-H 參數(shù)表中的各個數(shù)據(jù)依次帶入方程（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)=(????????1?????????1????????1????????10 ???30 00 00 0 1 00 1 )= 45????????(??4,??2)??????????(??4,???4)=(cos??2-sin??2sin??2cos??20 -??40 00 00 0 1 00 1 )（4.8）= （4.9）56????????(??5,??3)??????????(??5,???5)=(cos??3 -sin??3sin??3 cos??3 0 -??50 00 00 0 1 00 1 )20= = （4.10）06??01??12??23??34??45??56??(????????????????a??????a??????????????0 0 a??????0 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） +??4×????????1????=??1-??5×??????（ ??1+??2） -??4×sin??1????=???2