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蔣璞 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
第一章 緒論
1.1研究背景
我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入老齡化社會(huì)，老齡化問(wèn)題逐漸得到關(guān)注?！?009年度中國(guó)老齡事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》稱，2009年我國(guó)60歲及以上老年人口己達(dá)到1.6714億，占總?cè)丝诘?2.5%;到2015年我國(guó)60歲及以上老年人口將達(dá)到2.16億，約占總?cè)丝诘?6.7%。在老齡人群中有大量的腦血管疾病或者神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者，其中以腦卒中患者居多，而這類患者多數(shù)會(huì)留下偏癱等癥狀。另外，近十年來(lái)我國(guó)各類交通運(yùn)輸工具的保有量迅速增長(zhǎng)，因交通事故造成身體損傷的人數(shù)每年超過(guò)30萬(wàn)人。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前有8296萬(wàn)殘疾人，有康復(fù)需求的接近5000萬(wàn)，每年因車禍、疾病等原因新增的殘疾人數(shù)量達(dá)100多萬(wàn)。醫(yī)學(xué)理論和臨床醫(yī)學(xué)證明，這類患者除了早期的手術(shù)治療和必要的藥物治療外，正確的、科學(xué)的康復(fù)訓(xùn)練對(duì)于肢體運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)和提高起到非常重要的作用。
由于腦的可塑性，醫(yī)學(xué)上通常是通過(guò)重復(fù)的、特定任務(wù)的訓(xùn)練讓患者進(jìn)行足夠的重復(fù)性活動(dòng)，從而使重組中的大腦皮質(zhì)通過(guò)深刻的體驗(yàn)來(lái)學(xué)習(xí)和儲(chǔ)存正確的運(yùn)動(dòng)模式。減重活動(dòng)平板步行訓(xùn)練的治療方法就是基于上述原理對(duì)患者進(jìn)行訓(xùn)練并且取得了良好的臨床效果，成為下肢康復(fù)醫(yī)療采用的主要方法。訓(xùn)練采用懸吊式減重器和活動(dòng)平板(醫(yī)用跑步機(jī))配合工作來(lái)協(xié)助患者完成步行動(dòng)作。其懸吊裝置可以不同程度地減少患者上身體重對(duì)下肢的負(fù)荷，患者在康復(fù)治療師的幫助下借助于運(yùn)動(dòng)平板進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。訓(xùn)練過(guò)程中一般需要兩名治療師相互協(xié)調(diào)，一名治療師在患者側(cè)面幫助并促進(jìn)患者側(cè)下肢擺動(dòng)，確定腳跟先著地，防止出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)過(guò)伸，保證兩腿站立時(shí)間與步長(zhǎng)對(duì)稱;另一名治療師站在患者身后，促進(jìn)重心轉(zhuǎn)移至負(fù)重腿上，保證骸屈伸、骨盆旋轉(zhuǎn)和軀干直立。減重步行訓(xùn)練可以獲得較為理想的肢體功能恢復(fù)效果，但是這種治療師對(duì)患者“手把手”式的訓(xùn)練方式存在一些問(wèn)題。
首先，一名患者需要兩名治療師進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，效率低下，并且由于治療師自身的原因，可能無(wú)法保證患者得到足夠的訓(xùn)練強(qiáng)度，而且治療效果會(huì)受到治療師自身經(jīng)驗(yàn)和水平的影響。
其次，不能精確控制和記錄訓(xùn)練參數(shù)(運(yùn)動(dòng)速度、軌跡、強(qiáng)度等)，不利于治療方案的確定和改進(jìn);不能記錄描述康復(fù)進(jìn)程的各種數(shù)據(jù)，康復(fù)評(píng)價(jià)指標(biāo)不夠客觀;無(wú)法建立訓(xùn)練參數(shù)和康復(fù)指標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不利于對(duì)患者神經(jīng)康復(fù)規(guī)律進(jìn)行深入研究。
再有，不能向患者提供實(shí)時(shí)直觀的反饋信息，訓(xùn)練過(guò)程缺乏吸引力，患者多為被動(dòng)接受治療，參與治療的主動(dòng)性不夠。
可以看出，單純依靠治療師進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，無(wú)疑會(huì)制約康復(fù)訓(xùn)練效率的提高和方法的改進(jìn)。因此，開(kāi)拓更加廣泛的康復(fù)訓(xùn)練手段和進(jìn)一步提高康復(fù)效率是解決患者運(yùn)動(dòng)功能障礙的當(dāng)務(wù)之急。而突破這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵在于科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新，下肢康復(fù)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)用解決了這個(gè)問(wèn)題。首先，機(jī)器人不存在“疲倦”的問(wèn)題，能夠滿足不同患者對(duì)訓(xùn)練強(qiáng)度的要求;其次，機(jī)器人可以將治療師從繁重的訓(xùn)練任務(wù)中解放出來(lái)，而專注于制定治療方案、分析訓(xùn)練數(shù)據(jù)、優(yōu)化訓(xùn)練內(nèi)容并改進(jìn)機(jī)器人的功能;再次，機(jī)器人可以客觀記錄訓(xùn)練過(guò)程中患者患肢的位置、方向、速度以及肌力恢復(fù)狀態(tài)等客觀數(shù)據(jù)，供治療師分析，以評(píng)價(jià)治療效果;更進(jìn)一步，機(jī)器人所記錄下的詳細(xì)數(shù)據(jù)，使得治療師有可能從中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)與治療結(jié)果之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而有可能深入了解中樞神經(jīng)康復(fù)的規(guī)律;還有，使用機(jī)器人技術(shù)可以通過(guò)多媒體技術(shù)為患者提供豐富多彩的訓(xùn)練內(nèi)容，使患者能夠積極參與治療，樹(shù)立康復(fù)信心，并及時(shí)得到治療效果的反饋信息;最后，機(jī)器人治療技術(shù)使得遠(yuǎn)程治療和集中治療(一名治療師同時(shí)為幾名患者提供指導(dǎo))成為可能，通過(guò)將成熟的產(chǎn)品推廣應(yīng)用，最終使所有的患者受益。
1.2下肢康復(fù)機(jī)器人概況
康復(fù)機(jī)器人是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機(jī)器人技術(shù)的完美結(jié)合，人們不再把機(jī)器人當(dāng)作輔
助患者的工具，而是把機(jī)器人和計(jì)算機(jī)當(dāng)作提高臨床康復(fù)效率的新型治療工具。
下肢康復(fù)機(jī)器人是目前康復(fù)機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)主要研究對(duì)象。它主要用
于輔助患有腦血管疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病的患者進(jìn)行下肢的康復(fù)訓(xùn)練，幫助他們重
獲步行能力。它可以在專業(yè)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)甚至在家中使用，使患者獲得更強(qiáng)的獨(dú)立
生活能力，并能相當(dāng)大的提高他們的生活質(zhì)量。在過(guò)去的幾年中，下肢康復(fù)機(jī)器
人在世界各國(guó)己經(jīng)有了很大的發(fā)展并取得了相當(dāng)多的成果，一些企業(yè)在其技術(shù)開(kāi)
發(fā)及投資方面有了很大的投入，下肢康復(fù)機(jī)器人技術(shù)正在向產(chǎn)業(yè)化和普及化發(fā)展。
1.2.1康復(fù)機(jī)器人研究歷史
第一次嘗試把為殘疾人服務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)品化是在20世紀(jì)的60年代到
70年代，實(shí)踐證明這些嘗試都失敗了。失效原因主要有2個(gè)方面:其一是設(shè)計(jì)
的不理想，尤其是人機(jī)接口;另一個(gè)不是技術(shù)的原因，而是因?yàn)閱蝺r(jià)太高導(dǎo)致了
康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)品化的失敗。
20世紀(jì)80年代是康復(fù)機(jī)器人研究的起步階段，美國(guó)、荷蘭和瑞士在康復(fù)機(jī)
器人方面的研究處于世界領(lǐng)先地位。90年代以來(lái)，全世界己有超過(guò)20所大學(xué)的
實(shí)驗(yàn)室及康復(fù)醫(yī)療機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)展了基于機(jī)電結(jié)合機(jī)器人技術(shù)的下肢康復(fù)訓(xùn)練系
統(tǒng)的研制和實(shí)驗(yàn)研究工作。
首先在機(jī)械手方面取得了一定的成就。1993年，Lum P. S.等研制了一種稱作“手-物體-手”的系統(tǒng)(hand-object-hand system），如圖1-1左圖，用來(lái)對(duì)一只手功能受損的患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。這種雙手物理治療輔助機(jī)器包括兩個(gè)置于桌面上可繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的夾板狀手柄，其中一個(gè)手柄下端連接在驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，電機(jī)可以輔助患者完成動(dòng)作。
1995年，Lum P. S.等又研制了一種雙手上舉的康復(fù)器(bimanual lifting
rehabilitator），如圖1-1右圖，用來(lái)訓(xùn)練患者用雙手將物體舉起這一動(dòng)作。該設(shè)備為兩自由度連桿結(jié)構(gòu)，當(dāng)患者雙手握住手柄將其舉起時(shí)，設(shè)備既可測(cè)量被舉物體的垂直位置及傾斜角度參數(shù)，也可以在左手(患側(cè)手)無(wú)法產(chǎn)生足夠大的力時(shí)
予以輔助，機(jī)器所施加的力可以按患者的需要改變，從而保持上舉動(dòng)作的平衡。
圖1-1 手-物體-手訓(xùn)練系統(tǒng)
目前康復(fù)機(jī)器人技術(shù)有了較大的發(fā)展，從技術(shù)上能夠較好地滿足各種殘障人
士和老年人的需要，但是在實(shí)用能力上還需要進(jìn)一步完善和提高。
1.2.2下肢康復(fù)機(jī)器人分類
（1)牽引型下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)主要由減重裝置和數(shù)個(gè)牽引機(jī)器人組成，機(jī)器人操作端分別與患肢的膝、踩部柔性連接?？祻?fù)訓(xùn)練的過(guò)程是患者經(jīng)吊帶減重后，由機(jī)器人牽引患肢的連接部位按預(yù)期的操作端軌跡進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)。典型的牽引型下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)有美國(guó)Health-S outh公司研制的Auto-Ambulato:系統(tǒng)和美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校研制的ARMS系統(tǒng)等，其中Auto-Ambulator系統(tǒng)的牽引機(jī)器人數(shù)目為2個(gè)，ARMS系統(tǒng)的牽引機(jī)器人數(shù)目為
4個(gè)。牽引型下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)可根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重組，并具有
牽引運(yùn)動(dòng)形式多樣、對(duì)患肢的適應(yīng)性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其機(jī)械及控制系統(tǒng)的組成相
對(duì)復(fù)雜，國(guó)內(nèi)未見(jiàn)有相關(guān)研究的報(bào)導(dǎo)。
（2)運(yùn)動(dòng)踏板型下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)主要由減重裝置和一對(duì)運(yùn)動(dòng)踏板組成，康復(fù)訓(xùn)練的過(guò)程是患者經(jīng)吊帶減重后，雙足與運(yùn)動(dòng)踏板保持接觸，運(yùn)動(dòng)踏板根據(jù)
預(yù)先規(guī)劃的軌跡運(yùn)動(dòng)，在患者自重(體重與減重量差值)與運(yùn)動(dòng)踏板推力共同作
用下進(jìn)行患肢的康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)。典型的運(yùn)動(dòng)踏板型康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)有德國(guó)Fraunhofer研究所與柏林自由大學(xué)研制的Haptic-Walker系統(tǒng)、Mechanized Gait Trainer系統(tǒng)和口本Tsukuba大學(xué)研制的Gait-Maste:系統(tǒng)等。其中，Haptic-Walker和Gait-Master為多自由度運(yùn)動(dòng)踏板訓(xùn)練系統(tǒng)，Mechanized Gait Traine:為單自由度(每個(gè)踏板)運(yùn)動(dòng)踏板訓(xùn)練系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)從事運(yùn)動(dòng)踏板型康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)研究的機(jī)構(gòu)主要有清華大學(xué)和哈爾濱工程大學(xué)，并研制出具有單、多自由度的臥式及立式運(yùn)動(dòng)踏板訓(xùn)練系統(tǒng)。多自由度運(yùn)動(dòng)踏板訓(xùn)練系統(tǒng)對(duì)患肢不同的訓(xùn)練需求具有較強(qiáng)的適用性，可以模擬正常的下肢運(yùn)動(dòng)步態(tài)和腳踩運(yùn)動(dòng)位姿，還能夠根據(jù)訓(xùn)練需要靈活調(diào)整、設(shè)計(jì)踏板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
(3)穿戴型下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)由減重裝置、運(yùn)動(dòng)平板以及與支撐裝
置相連的穿戴型下肢康復(fù)機(jī)器人(外骨骼)組成?？祻?fù)訓(xùn)練的過(guò)程是患者穿戴下
肢康復(fù)機(jī)器人并經(jīng)吊帶減重后，機(jī)器人根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和控制策略，導(dǎo)
引患者下肢協(xié)同運(yùn)動(dòng)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。同時(shí)患者的雙足依次與運(yùn)動(dòng)平板相接觸，在
運(yùn)動(dòng)平板的帶動(dòng)下進(jìn)行踩關(guān)節(jié)的康復(fù)訓(xùn)練。穿戴型下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)既能進(jìn)行
下肢的被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，也可以對(duì)下肢進(jìn)行主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練。對(duì)于手術(shù)恢復(fù)期后以及因偏癱導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)功能損傷嚴(yán)重的患者，可先經(jīng)吊帶減重后由下肢康復(fù)機(jī)器人導(dǎo)引患肢進(jìn)行被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，逐步恢復(fù)患肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)功能和肌肉組織的伸展功能。當(dāng)患肢的運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)到一定程度后，根據(jù)功能恢復(fù)狀況可適當(dāng)降低下肢康復(fù)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)功率，由患肢與機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器共同承擔(dān)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的負(fù)載并協(xié)同運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)患肢的主動(dòng)康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。
1.3下肢康復(fù)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀
康復(fù)機(jī)器人技術(shù)在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家得到了科研工作者和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的普遍重視，許多研究機(jī)構(gòu)都開(kāi)展了有關(guān)的研究工作，近年來(lái)取得了一些有價(jià)值的成果。我國(guó)對(duì)康復(fù)機(jī)器人的研究起步比較晚，輔助型康復(fù)機(jī)器人的研究成果相對(duì)較多，康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人方面的研究成果則比較少。
1.3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀
瑞士HOCOMA醫(yī)療器械公司與瑞士蘇黎士Balgrist醫(yī)學(xué)院康復(fù)中心合作推
出的LOKOMAT步行康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人是當(dāng)今產(chǎn)業(yè)化程度最高的一種面向下肢癱瘓患者的醫(yī)療康復(fù)器械。 LOKOMAT于1999年研制成功，2001年在漢諾威世界工業(yè)展覽會(huì)上展出，并在隨后的幾年中口臻完善并且己經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。
LOKOMAT根據(jù)癱瘓患者康復(fù)訓(xùn)練的特點(diǎn)，將下肢外骨骼設(shè)計(jì)成骸關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)兩個(gè)自由度，分別由驅(qū)動(dòng)器控制直流伺服電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。關(guān)節(jié)的角度、電機(jī)的輸出力矩、患者與外骨骼之間的接觸力均由相應(yīng)的傳感器進(jìn)行測(cè)量。整個(gè)LOKOMAT系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)與跑步機(jī)及懸吊系統(tǒng)相連接，穩(wěn)固可靠。訓(xùn)練時(shí)，患者的下肢通過(guò)六個(gè)綁帶與LOKOMAT相連，最基本的被動(dòng)訓(xùn)練只需控制四個(gè)關(guān)節(jié)的角度和角速度，以帶動(dòng)患者模仿人體步行運(yùn)動(dòng)。為了適應(yīng)不同患者的需要，該機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)均可調(diào)整，如圖1-2所示。為了讓患者感到舒適，所有與患者接觸的綁帶都是寬而軟的。LOKOMAT的優(yōu)點(diǎn)是:①患者的訓(xùn)練狀態(tài)能夠被監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)和引導(dǎo);②能夠根據(jù)患者個(gè)體不同提供相應(yīng)的步態(tài)模式和訓(xùn)練方案;③能夠通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為患者提供反饋以提高患者參與訓(xùn)練的主動(dòng)性。
圖1-2 LOKOMAT機(jī)械腿
LOPES(Lowerextremi typowered Exoskeleton)也是一套主動(dòng)醫(yī)療康復(fù)外骨骼，
如圖1-3所示。它的設(shè)計(jì)初衷與LOKOMAT一樣，是面向于下肢活動(dòng)能力受損
的心腦血管或神經(jīng)疾病患者。所不同的是，LOPES更加關(guān)注于所開(kāi)發(fā)的機(jī)電系
統(tǒng)與患者的兼容性和患者穿戴外骨骼訓(xùn)練時(shí)的舒適性。當(dāng)然，對(duì)康復(fù)外骨骼的一
些常規(guī)要求，如:較大的帶寬、較高的定位精度、良好的結(jié)構(gòu)堅(jiān)固性等，也在LOPES中得到了相應(yīng)的體現(xiàn)。由于設(shè)計(jì)關(guān)注的方面不同，其驅(qū)動(dòng)方式也與LOKOMAT大相徑庭。LOPES采用繩纜拉線式的傳動(dòng)方式控制四個(gè)關(guān)節(jié)，并采用了一系列的彈性構(gòu)件組成了系統(tǒng)的力反饋環(huán)節(jié)。其獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)方式，使得系統(tǒng)具有更加輕便的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)以及更為簡(jiǎn)潔的外骨骼結(jié)構(gòu)，從而提高了效率。另外，出于舒適性的考慮，外骨骼也為患者提供了更多的關(guān)節(jié)自由度，包括:骸關(guān)節(jié)的屈、伸主動(dòng)自由度，膝關(guān)節(jié)的屈、伸主動(dòng)自由度，踩關(guān)節(jié)的外展、內(nèi)收被動(dòng)自由度，骨盆的上、下移動(dòng)被動(dòng)自由度。
圖1-3 LOPES機(jī)械腿
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，如圖1-4
所示。 Stringman由自動(dòng)減重繩驅(qū)機(jī)構(gòu)和姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)兩部分組成，共六個(gè)自由度。Stringman采用了復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)控制環(huán)，具有龐大的傳感器系統(tǒng)，底層控制采用基于位置的魯棒力控制以及柔順控制。減重水平根據(jù)檢測(cè)到
的病人支撐腿的情況自動(dòng)調(diào)整。姿態(tài)和平衡控制基于零力矩點(diǎn)概念，通過(guò)控制繩
的張力控制zMp位置及足底反作用力。目前該機(jī)器人仍處于樣機(jī)研究階段。
圖 1-4 Stringman機(jī)械腿 圖1-5 Arthur機(jī)械腿
2002年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)David Reinkensmeyer等人研制了兩自由度
平面康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人ARTHUR，如圖1-5所示。該機(jī)器人采用V型機(jī)構(gòu)測(cè)量和
控制其頂點(diǎn)的位置，機(jī)構(gòu)頂點(diǎn)可與患者患側(cè)的腳踩或膝蓋連接，輔助患肢抬腳或
抬腿。與大多數(shù)機(jī)器人不同的是，ARTHUR具有高度的逆向可驅(qū)動(dòng)性。
日本研制了一種旋轉(zhuǎn)式下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人，如圖1-6所示。它采用一個(gè)大
的回轉(zhuǎn)臂通過(guò)束具與患者的軀干連接，支撐患者的部分體重，同時(shí)患者在回轉(zhuǎn)臂
的帶動(dòng)下沿圓周路線行走。該機(jī)器人的缺點(diǎn)是行走過(guò)程中機(jī)器人始終對(duì)患者附加
一個(gè)不同于正常行走的側(cè)向驅(qū)動(dòng)力，病人膝蓋會(huì)承受多余的剪切載荷。
針對(duì)口本回轉(zhuǎn)式步態(tài)訓(xùn)練機(jī)器人的缺點(diǎn)以及采用祛碼等傳統(tǒng)懸吊減重方式
存在的減重力變化的問(wèn)題，Seungho Kim等人分別開(kāi)發(fā)了氣壓和電氣驅(qū)動(dòng)的減重
移動(dòng)車式步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人(walking training robot)。該機(jī)器人由輪式移動(dòng)平臺(tái)
和恒力減重系統(tǒng)兩部分組成，輪式移動(dòng)平臺(tái)可工作在訓(xùn)練模式或者跟隨模式下。
訓(xùn)練模式中，由移動(dòng)平臺(tái)引導(dǎo)患者按照計(jì)算機(jī)或安裝于平臺(tái)上的操縱桿制定的路
徑行走，由移動(dòng)平臺(tái)跟蹤患者的運(yùn)動(dòng)方向和速度。針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)減重
系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)了基于滑模力控制和采用模糊力控制的恒力減重控制系統(tǒng)。
圖1-6 旋轉(zhuǎn)式康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人 圖1-7 MaKiKawa 的機(jī)器人
日本的Makikawa實(shí)驗(yàn)室結(jié)合機(jī)器人技術(shù)、生物信號(hào)測(cè)量技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技
術(shù)研制出一種下肢康復(fù)機(jī)器人，如圖1-7所示。該機(jī)器人可以使病人模擬正常人
走路、上斜坡、爬樓梯、滑行等各種運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到康復(fù)鍛煉的目的。
圖1-8是美國(guó)芝加哥PT公司研發(fā)的平衡機(jī)器人。它的作用是幫助失去身體
平衡的人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人，右圖是患者在側(cè)向移動(dòng)。這種康復(fù)機(jī)器人能夠
幫助人體平衡，而且對(duì)軀干受傷的人，或者行走失去平衡的人有非常好的效果。
它能夠迅速準(zhǔn)確地確定患者微小的動(dòng)作，從而幫助患者達(dá)到預(yù)想的動(dòng)作，這種康
復(fù)設(shè)備不會(huì)主動(dòng)地帶人行走。
圖1-8 芝加哥PT公司平衡機(jī)器人
AKROD (Active Knee Rehabilitation Device For Human)康復(fù)機(jī)器人是由美
到東北大學(xué)機(jī)電與機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的，如圖1-9所示?？祻?fù)機(jī)器人在應(yīng)用上也
七過(guò)去更貼近普通人，現(xiàn)在這臺(tái)AKROD膝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人己經(jīng)在美國(guó)波士頓醫(yī)
完投入使用，對(duì)于膝關(guān)節(jié)由于撞擊受傷的患者尤其有效。
圖1-9 AKROD 康復(fù)機(jī)器人
1.3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)在下肢機(jī)器人方面的研究起步較晚，所取得的成果也不多。目前的研究
機(jī)構(gòu)主要集中在上海大學(xué)、浙江大學(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(kāi)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(kāi)發(fā)的可穿戴式的
下肢步行外骨骼。自2004年開(kāi)始，中科院合肥智能機(jī)械研究所開(kāi)始從事這方面
的相關(guān)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了一種下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器
人樣機(jī)如圖1-10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(kāi)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。
圖1-10 下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人 圖1-11 助力機(jī)械腿
2006年，上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院也開(kāi)始研究了一套可穿戴式助力機(jī)械腿單側(cè)下肢有兩個(gè)自由度，分別為骸關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的屈/伸自由度，這兩個(gè)自由度分別由電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)，單側(cè)下肢機(jī)構(gòu)如圖1-11所示。
浙江大學(xué)流體傳動(dòng)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也在這方面做了深入的研究，研究
設(shè)計(jì)了一套下肢康復(fù)醫(yī)療外骨骼，如圖1-12所示。這套系統(tǒng)具有骸關(guān)節(jié)和
關(guān)節(jié)兩個(gè)自由度，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并由獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制。并在此基
礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一套專用于此系統(tǒng)的虛擬儀器控制界面軟件。另外，專為系統(tǒng)制定開(kāi)
發(fā)的兩套步態(tài)訓(xùn)練控制策略，即被動(dòng)步態(tài)訓(xùn)練位置控制和半主動(dòng)步態(tài)訓(xùn)練軌跡自
校正控制，可以滿足不同康復(fù)時(shí)期下肢步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練的不同要求。
圖1-12 伺服電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的下肢康復(fù)醫(yī)療外骨骼
自2004年開(kāi)始，中科院合肥智能機(jī)械研究所就開(kāi)始從事這方面的相關(guān)研究
工作，如圖1-13所示。機(jī)器人采用了類人結(jié)構(gòu)，機(jī)構(gòu)單側(cè)共有五個(gè)自由度，分別是骸關(guān)節(jié)三個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)和踩關(guān)節(jié)各一個(gè)自由度。
圖1-13 可穿戴型助力機(jī)器人
盡管國(guó)內(nèi)在穿戴型下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人領(lǐng)域的研究起步相對(duì)較晚，但在機(jī)器
人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與試驗(yàn)樣機(jī)研制方面己經(jīng)取得比較多的成果。進(jìn)一步完善下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)的性能，開(kāi)展相關(guān)的康復(fù)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)研究是今后研究工作的重要
內(nèi)容。
1.4下肢康復(fù)機(jī)器人研究存在的問(wèn)題
（1）人-機(jī)聯(lián)接模式對(duì)人-機(jī)相容性的影響?，F(xiàn)有下肢康復(fù)機(jī)器人中，人-機(jī)之間采用直接綁縛或通過(guò)穿戴具以緊致穿戴的形式相聯(lián)接，缺乏有關(guān)人-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-機(jī)運(yùn)動(dòng)相容性的影響。因此，需要進(jìn)一步研究人-機(jī)之間的聯(lián)接模式及其約束特性，在機(jī)器人機(jī)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)中分析聯(lián)接模式的作用與影響，并以改善人-機(jī)運(yùn)動(dòng)相容性為前提對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的構(gòu)型進(jìn)行綜合與優(yōu)選。
(2)機(jī)構(gòu)構(gòu)型對(duì)人-機(jī)相容性的影響?，F(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-機(jī)之間的運(yùn)動(dòng)
相容性。因此，在對(duì)人體下肢骨骼的生理結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特性以及康復(fù)機(jī)器人機(jī)
構(gòu)的外掛屬性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合人-機(jī)系統(tǒng)的自由度分析提出較好的機(jī)構(gòu)
構(gòu)型。
(3)機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化對(duì)人-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。因此，在優(yōu)選機(jī)構(gòu)構(gòu)型的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步研究基于運(yùn)動(dòng)相容性的機(jī)構(gòu)參數(shù)及聯(lián)接參數(shù)優(yōu)化方法，定義運(yùn)動(dòng)相容性評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)造基于運(yùn)動(dòng)相容性的機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化模型并進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
此外，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中輕便、美觀和機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)的可調(diào)性也是研究的關(guān)鍵問(wèn)題。
1.5課題意義及主要研究?jī)?nèi)容
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(kāi)發(fā)出可以穿戴的設(shè)備的總稱，如圖1-14 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)。
圖1-14 Ekso Bionics機(jī)械腿
第二章 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析
2.1引言
機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必然是一個(gè)挑戰(zhàn)。機(jī)械腿自身特點(diǎn)-穿戴性，決定了它需要更為合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響穿戴的舒適性。
機(jī)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)要反映下肢骨骼的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。人體生物骨骼的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)形式和步行的運(yùn)動(dòng)特征都是外骨骼設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。通過(guò)分析人體骨骼模型和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)建立人體簡(jiǎn)化模型。通過(guò)分析步行特征初步掌握關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)規(guī)律。采用簡(jiǎn)化模型分析人體運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。通過(guò)這些特征的研究，合理設(shè)計(jì)出穿戴舒適、運(yùn)動(dòng)靈活可靠的外骨骼機(jī)構(gòu)，使其與人體運(yùn)動(dòng)達(dá)到協(xié)調(diào)統(tǒng)一。
無(wú)論機(jī)構(gòu)如何進(jìn)行空間構(gòu)型設(shè)計(jì)，都必須要穿著于人體的框架之上，并要求
保持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與人體形態(tài)的相互統(tǒng)一，滿足人體運(yùn)動(dòng)的空間需要。因而機(jī)構(gòu)構(gòu)型
的空間設(shè)計(jì)首先必須滿足人體骨骼的基本框架。因?yàn)槿梭w結(jié)構(gòu)的主架是骨骼，骨
骼具有不可變性，所以機(jī)構(gòu)在進(jìn)行構(gòu)型空間設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮骨骼的形狀和位
置，這些是機(jī)構(gòu)構(gòu)型空間設(shè)計(jì)的不變因素。本章就以上問(wèn)題進(jìn)行了深入討論。
2.2人體下肢骨骼模型
骨骼最基本機(jī)能是支撐和運(yùn)動(dòng)，而關(guān)節(jié)是骨與骨間的連接部分，決定著骨骼
運(yùn)動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)形式。人體下肢的骨骼運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)且孕D(zhuǎn)為主的串并聯(lián)混合結(jié)構(gòu)。人
體下肢骨骼運(yùn)動(dòng)包含了豐富的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題。建立下肢隨動(dòng)外骨骼機(jī)構(gòu)模型要
以生物骨骼運(yùn)動(dòng)模型為基礎(chǔ)。
2.3 骨骼的運(yùn)動(dòng)與下肢關(guān)節(jié)
(1)下肢骨骼與關(guān)節(jié)
研究人體運(yùn)動(dòng)學(xué)，首先必須確立參考系。通常臨床醫(yī)學(xué)、體育學(xué)及人體運(yùn)動(dòng)
學(xué)研究使用三維坐標(biāo)系統(tǒng)如圖2-1所示:參考系包括三軸和三面:矢狀軸、冠狀
軸(額狀軸)、垂直軸;矢狀面、冠狀面(額狀面)和水平面(橫切面)。在該參考系下，通常把關(guān)節(jié)的基本運(yùn)動(dòng)形式分為屈曲/伸展、內(nèi)收/外展、回旋和環(huán)轉(zhuǎn)等。
圖2-1 人體基本平面及軸線 圖2-2 人體下肢骨骼與關(guān)節(jié)
如圖2-2所示，決定下肢運(yùn)動(dòng)狀況的主要關(guān)節(jié)包括:骸關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，均屬于活動(dòng)關(guān)節(jié)。其次，腳部和踝部還包括一些不動(dòng)和少動(dòng)關(guān)節(jié)，也具有一定的調(diào)節(jié)功能。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，外骨骼的設(shè)計(jì)不考慮這些關(guān)節(jié)。
骸關(guān)節(jié)是由一個(gè)球形股骨頭與凹形的骸臼組成的桿臼(球窩)式滑膜關(guān)節(jié)，是典型的三軸關(guān)節(jié)或稱多軸關(guān)節(jié)，具有3DOF，即可在三個(gè)相互垂直的運(yùn)動(dòng)軸上做屈伸、收展、旋轉(zhuǎn)等多方向的運(yùn)動(dòng)，是全身位置最深的關(guān)節(jié)，構(gòu)造既堅(jiān)固又靈活，將軀干的重量傳達(dá)至下肢，具有重要的負(fù)重和活動(dòng)功能。伸屈活動(dòng)時(shí)，股骨頭沿橫軸在骸臼內(nèi)旋轉(zhuǎn)，但大腿內(nèi)外旋轉(zhuǎn)時(shí)，是以股骨頭中心至股骨踝間凹連線作為其活動(dòng)的軸心。因此，股骨頭在骸臼內(nèi)還有極為微小的滑行。骸關(guān)節(jié)的活動(dòng)受到肌肉韌帶限制，其運(yùn)動(dòng)范圍如下:前屈130度到150度;后伸10度到15度;內(nèi)收20度30度;外展30度45度;外旋40度到50度;內(nèi)旋屈骸時(shí)為40度到45度。
膝關(guān)節(jié)由股骨下端、脛骨上端和骸骨構(gòu)成，是人體最大最復(fù)雜的關(guān)節(jié)，屬滑
車球狀關(guān)節(jié)，能做屈伸運(yùn)動(dòng)，屈可達(dá)130度，伸不超過(guò)10度。在屈膝狀態(tài)下又可作屈位微小的旋內(nèi)、旋外運(yùn)動(dòng)。在正常步行中，由于屈膝幅度不會(huì)很大，屈位微小，在一般的建模中，均忽略旋內(nèi)、旋外的微量運(yùn)動(dòng)以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。由于膝關(guān)節(jié)受到內(nèi)外交叉韌帶和脛側(cè)、胖側(cè)副韌帶的限制，不能外展、內(nèi)收。因此，膝關(guān)節(jié)簡(jiǎn)化為單軸關(guān)節(jié)，具有1DOF，繞額狀軸在矢狀面上屈伸。
膝關(guān)節(jié)的生理結(jié)構(gòu)也是球狀關(guān)節(jié)，嚴(yán)格上屬于球副，只是由于膝關(guān)節(jié)韌帶繃
緊的原因，只能在矢狀面運(yùn)動(dòng)，如圖2-3所示。嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)表明，膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是
矢狀面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)與滑移的復(fù)合。但由于滑移量非常小，因此不予考慮。
圖2-3膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)
踝關(guān)節(jié)由脛骨遠(yuǎn)側(cè)端關(guān)節(jié)面，胖骨遠(yuǎn)側(cè)端關(guān)節(jié)面和距骨滑車關(guān)節(jié)面構(gòu)成，為
屈戌關(guān)節(jié)，運(yùn)動(dòng)軸在橫貫距骨體的橫軸上。踩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的方式是由距骨體滑車關(guān)
節(jié)面的形狀所決定的，活動(dòng)范圍較小，能做足背屈、足庶屈和內(nèi)翻、外翻運(yùn)動(dòng)。
在矢狀面背屈10度到20度，蹈屈25度30度。蹈屈時(shí)還可有輕微的旋轉(zhuǎn)、內(nèi)收、
外展與側(cè)方運(yùn)動(dòng)。踝關(guān)節(jié)在矢狀面的屈伸運(yùn)動(dòng)軸由內(nèi)上向外下微傾，踝背伸時(shí)足
外旋，蹈屈時(shí)，足內(nèi)旋。旋轉(zhuǎn)范圍13度25度，踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)保證了足底支撐力向
腿部骨骼的傳遞，在行走、上下樓梯、登山及跳躍時(shí)均有重要作用。
值得注意的是，上述這些關(guān)節(jié)發(fā)生在任何一個(gè)平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)都必然伴隨著其
他兩個(gè)平面的運(yùn)動(dòng)，形成所謂的步行復(fù)合運(yùn)動(dòng)，這也是步行運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性的體現(xiàn)，
是仿生下肢設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問(wèn)題。
(2)步行運(yùn)動(dòng)序列
一個(gè)完整的行走循環(huán)周期即為一個(gè)跨步，一個(gè)跨步包括了兩個(gè)步長(zhǎng)。如圖
2-4所示，步行的一個(gè)跨步分為單相支撐期和雙相支撐期兩個(gè)階段。單腿支撐相
期間表現(xiàn)為一條腿接觸地面，另一條腿處于擺動(dòng)中，因此這一時(shí)期又被稱為某條
腿的擺動(dòng)相。它從一只腳離開(kāi)地面開(kāi)始到同只腳與地面發(fā)生碰撞結(jié)束。在人的步
行運(yùn)動(dòng)中，單腿支撐相占跨步時(shí)間的80%-90%。雙腿支撐相是兩條腿同時(shí)接觸
地面的時(shí)期，在人的步行運(yùn)動(dòng)中，這一狀態(tài)只占跨步周期的10%-20%。由圖2-4
可見(jiàn)，單相支撐期長(zhǎng)而雙相支撐期較短。就單下肢腿而言，又分為支撐相和擺動(dòng)
相，如上所述，在單相支撐期，有一條腿占用一部分跨步時(shí)間和地面接觸，即為
支撐相，該腿為支撐腿，可以支撐身體以及改變前進(jìn)速度。同樣，另一條腿占用
一定的跨步時(shí)間向前擺動(dòng)，作為擺動(dòng)相，處于擺動(dòng)相的腿成為擺動(dòng)腿，這期間擺
動(dòng)腿離開(kāi)地面向前擺動(dòng)至下一個(gè)支撐相。在一個(gè)跨步中左右腿均分別占有一個(gè)支撐相和一個(gè)擺動(dòng)相，但支撐相和擺動(dòng)相的時(shí)間一般不相同。因此兩腿運(yùn)動(dòng)的相互
關(guān)系常常是定義運(yùn)動(dòng)模式的一個(gè)因素。例如，跑動(dòng)中左右腿的運(yùn)動(dòng)就是完全不同
步的，而跳躍中兩腿的運(yùn)動(dòng)就完全是同步的。
圖2-4 單腿步行運(yùn)動(dòng)序列及狀態(tài)劃分
從力學(xué)特性來(lái)看，當(dāng)人在行走時(shí)，通過(guò)后腳對(duì)地面的作用而獲得地面對(duì)人的
推力，從而產(chǎn)生向前的加速度。當(dāng)人的前腳著地的時(shí)候，地面對(duì)人的作用是阻礙
其向前運(yùn)動(dòng)的，因此，會(huì)使人產(chǎn)生負(fù)的加速度，即人做減速運(yùn)動(dòng)。人在不斷地邁
步前進(jìn)的過(guò)程中，推力在做周期性的變化，加速度也就做周期性的變化。隨著重心的前移，最終完成向前跨步動(dòng)作。
步行中相關(guān)運(yùn)動(dòng)參考點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是描述步行運(yùn)動(dòng)的又一指標(biāo)。關(guān)節(jié)點(diǎn)的軌
跡曲線是行走的時(shí)間序列上捕獲相關(guān)參考點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)位置，在離散位置點(diǎn)插值或擬
合而成的參考點(diǎn)運(yùn)動(dòng)曲線。
人體下肢的運(yùn)動(dòng)主要運(yùn)動(dòng)是矢狀面內(nèi)的屈/伸運(yùn)動(dòng)，圖2-5所示為單腿的骸關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的矢狀面軌跡曲線。仿真環(huán)境下直觀的連續(xù)獲取圖像觀察得到的主要參考點(diǎn)的矢狀面軌跡 。腳掌的運(yùn)動(dòng)及踝關(guān)節(jié)在支撐狀態(tài)矢狀面的軌跡如圖2-6所示。
圖2-5 單腿運(yùn)動(dòng)演示運(yùn)動(dòng)軌跡圖 圖2-6 腳掌運(yùn)動(dòng)及踝關(guān)節(jié)軌跡
己知關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度變化數(shù)據(jù)，根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況研究各個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的
運(yùn)動(dòng)軌跡也可以采用解析求解方法。
(3)各關(guān)節(jié)在步行運(yùn)動(dòng)中的功能分析
根據(jù)上述分析知，下肢各關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍大小各不相同，同時(shí)決定了各個(gè)關(guān)節(jié)
在步行運(yùn)動(dòng)中的功能有所不同。
圖2-7為理想直行的運(yùn)動(dòng)序列模型。步行中，矢狀面的3個(gè)屈伸運(yùn)動(dòng)自由度
是前行的最主要運(yùn)動(dòng)。理想直線行走的過(guò)程中，骸關(guān)節(jié)額狀面收展運(yùn)動(dòng)較小，主要調(diào)節(jié)單相支撐時(shí)身體左右兩側(cè)的重心平衡，水平面旋內(nèi)、旋外自由度主要控制
運(yùn)動(dòng)方向的改變，調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)平衡并影響步幅大小。身體的一個(gè)跨步中，骸關(guān)節(jié)側(cè)
轉(zhuǎn)實(shí)質(zhì)上是由兩個(gè)球窩關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)和兩條腿的步態(tài)相位差來(lái)完成。在跨步過(guò)程
中，骸關(guān)節(jié)內(nèi)外旋運(yùn)動(dòng)使軀干水平面內(nèi)兩側(cè)骸關(guān)節(jié)前后傾斜，重心前移。
圖2-7 下肢骨骼步行運(yùn)動(dòng)模型
膝關(guān)節(jié)做屈伸運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)直接影響跨步長(zhǎng)，同時(shí)，在慣性矩作用下調(diào)節(jié)矢狀
面的運(yùn)動(dòng)平衡。
踝關(guān)節(jié)屈伸用于調(diào)節(jié)人體相對(duì)于地面的受力點(diǎn)，以此控制步行起停與支撐狀
態(tài)的平衡，而收展和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)主要調(diào)節(jié)支撐狀態(tài)下的受力平衡。
第三章 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1穿戴式機(jī)械腿設(shè)計(jì)
外骨骼連桿尺寸的確定要依據(jù)穿戴者的骨骼關(guān)節(jié)尺寸設(shè)計(jì)。根據(jù)前面章節(jié)的論述，人體的各個(gè)部位長(zhǎng)度之間的相對(duì)比例是基本固定的。按圖2-11 b)，人的總身高為H，則骸關(guān)節(jié)中心距為0.191H,骸關(guān)節(jié)與地面的距離為0.530H，膝關(guān)節(jié)至地面為0.285H，而踩關(guān)節(jié)至地面為0.039H。由此可以得到各個(gè)關(guān)節(jié)之間的相對(duì)長(zhǎng)度，即大腿長(zhǎng)為0.245H，小腿長(zhǎng)為0.246H，腳底距踩關(guān)節(jié)中心為0.039H o在構(gòu)型設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了身高兼容性，在較大范圍內(nèi)具有適應(yīng)性，所以連桿尺寸要可調(diào)整。例如大多數(shù)人身高在155-185cm之間，因此其大腿、小腿連桿長(zhǎng)度變化范圍各應(yīng)允許10厘米左右的可調(diào)整范圍。
3.1.1三維模型設(shè)計(jì)
此模型有14個(gè)旋轉(zhuǎn)副，單下肢各7個(gè)，骸部關(guān)節(jié)有收展、屈伸和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)3DOF，膝關(guān)節(jié)1DOF，腳踩關(guān)節(jié)有相互正交的屈伸、收展和旋轉(zhuǎn)3DOF。另外大腿位置設(shè)計(jì)了凸輪滑槽與滑移副機(jī)構(gòu)。模型整體裝配圖及模型腿部如圖3-1示及3-2所示。
圖3-1 模型整體裝配圖
兩條機(jī)械腿可以擺動(dòng)，可以完成一個(gè)步行序列，擺動(dòng)最大角度可為45度，保證人正常行走，并且表面打光滑，沒(méi)有什么毛糙部分，這樣既美觀又安全，使人能夠舒適穿戴此機(jī)械腿。
圖3-2 模型腿部
腿部模型包括大小腿，3個(gè)關(guān)節(jié)型，開(kāi)孔是為了調(diào)整長(zhǎng)度，因?yàn)槿说纳砀哂懈甙?，下面?huì)對(duì)大小腿和關(guān)節(jié)型做詳細(xì)說(shuō)明。
3.1.2膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)及腳部設(shè)計(jì)
膝關(guān)節(jié)有1DOF，完成沿額狀軸的較大幅度的屈伸活動(dòng)，可通過(guò)調(diào)整穿戴位置與骨骼膝關(guān)節(jié)同軸。膝關(guān)節(jié)的三維設(shè)計(jì)如圖3-3。
圖3-3 膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)
此關(guān)節(jié)，我覺(jué)得是最好的關(guān)節(jié)型，因?yàn)?，它轉(zhuǎn)動(dòng)幅度大，安裝方便，還比較安全美觀，不過(guò)這種關(guān)節(jié)型，潤(rùn)滑是最重要的，畢竟中間沒(méi)有滾珠，都是面與面接觸，所以我設(shè)計(jì)這種模型，需要定期加潤(rùn)滑油，減少表面粗糙度。
腳踝設(shè)計(jì)也存在骸關(guān)節(jié)同樣的問(wèn)題，即收展關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)不同軸而產(chǎn)生的偏差?？紤]到腳踝外側(cè)空間位置及腳部的連接，盡量使設(shè)計(jì)緊湊、貼近人體，從而減小偏差。三關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副外側(cè)布置，沿小腿連桿方向從上到下依次為屈伸運(yùn)動(dòng)副、收展運(yùn)動(dòng)副和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副。屈伸關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副與骨骼踝關(guān)節(jié)屈伸同軸線。壓力信息通過(guò)連接件與腳踝部分相連接的檢測(cè)鞋測(cè)得。檢測(cè)鞋與腳面有綁縛約束。腳踝設(shè)計(jì)，安裝效果如圖3-4，3-5及旋轉(zhuǎn)連接器3-6。
圖3-4腳踝設(shè)計(jì)
此腳踝solidworks 3維圖，結(jié)構(gòu)比較符合人的小腿部分，與人體協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)也比較美觀。
圖3-5 腳踝安裝效果圖
腳踝關(guān)節(jié)，跟上面關(guān)節(jié)型一樣，它也有轉(zhuǎn)動(dòng)幅度大，安裝方便，還比較安全美觀等特點(diǎn)，同樣，潤(rùn)滑是最重要的，中間沒(méi)有滾珠，都是面與面接觸，所以我設(shè)計(jì)這種模型，也需要定期加潤(rùn)滑油，減少表面粗糙度。
圖3-6 旋轉(zhuǎn)連接器
設(shè)計(jì)這個(gè)圖形時(shí)，參考了一篇論文，不過(guò)，我簡(jiǎn)化了，他使用了滾珠去作為潤(rùn)滑工具，我覺(jué)得這雖然比較不錯(cuò)，不過(guò)對(duì)于我來(lái)說(shuō)，一切簡(jiǎn)單實(shí)用是最好的原則，使用面與面接觸，平常多加潤(rùn)滑劑即可。
腿部連桿上有約束，膝以上約束位于外骨骼膝關(guān)節(jié)以上連桿根部膝關(guān)節(jié)附近。通過(guò)骸部的布位構(gòu)型和大小腿近膝關(guān)節(jié)約束保證了外骨骼穿戴緊湊，人機(jī)膝關(guān)節(jié)同步，協(xié)調(diào)誤差小。連桿在大小腿部分分別以較適合的空間位置以人體接近。腳部設(shè)計(jì)，跟平常鞋子一樣，使人腳穿進(jìn)去，固定，不滑動(dòng)，在腳的兩側(cè)開(kāi)孔，使得腳夾子能裝上，這樣使得腳能夠?qū)崒?shí)在在固定，如圖3-7腳部設(shè)計(jì)及3-8腳夾子設(shè)計(jì)。
圖3-7 腳部設(shè)計(jì)圖
此結(jié)構(gòu)最容易設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的是安裝兩側(cè)小孔的螺釘，我們需要安裝螺釘，但是螺釘頭較大時(shí)，容易抵觸地面，使穿戴著行走不舒適，所以此點(diǎn)要注意。
圖3-8 腳夾子設(shè)計(jì)圖
其中腳夾子開(kāi)孔處，插入螺紋，使得兩個(gè)對(duì)應(yīng)的孔對(duì)齊，然后直接使用螺釘固定。材料我使用一般牛皮材料，為了實(shí)用該機(jī)構(gòu)的人，能夠舒服地穿上。
3.1.3下肢連接器
根據(jù)人的身高情況，上下連接器，我開(kāi)了多個(gè)孔，就是為了調(diào)節(jié)身高，身高高的，我們只需要兩個(gè)轉(zhuǎn)接最前面的孔對(duì)齊，然后，插入螺釘，最后固定，同理可以得出矮身高的大小腿長(zhǎng)度。如下圖連接器圖3-9。
圖3-9連接器
3.1.4大小腿彈簧助力器及保護(hù)
此裝置需要助力器，通過(guò)研究，我使用四根彈簧連接，使得人在步行時(shí)能夠得到助力，考慮到，彈簧直接裸露到外面，與人體直接接觸，我們需要管子，把它們套在里面，保護(hù)人體，這樣既能夠得到助力，又能保護(hù)，如圖3-10彈簧，3-11管子。
圖3-10 彈簧
彈簧，我使用了4根，其最大作用就是助力，作為支撐使用該機(jī)構(gòu)人的外力機(jī)，我這彈簧跟一般彈簧不同，我兩端生成圓環(huán)，為了就是能套上旋轉(zhuǎn)連接器突出的圓柱體。
圖3-11 管子
管子我使用了3個(gè)，大腿位移大，相互對(duì)插，里面裝彈簧，而小腿，通過(guò)自己研究及參考人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，小腿位移小，我直接連接上，就是單單作為保護(hù)裝置，不過(guò)，下面管子使用塑性材料，可以滿足一般形變。
3.1.5下肢骸部設(shè)計(jì)
為了消除骸關(guān)節(jié)兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的穿戴干涉，在背部添加了背部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副。骸
關(guān)節(jié)的3DOF位置關(guān)系由圖3-12所示。矢狀面的運(yùn)動(dòng)范圍較大，收展運(yùn)動(dòng)要滿
足內(nèi)收和外展兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，因此設(shè)計(jì)要充分考慮空間關(guān)系和限位。按照構(gòu)型
設(shè)計(jì)的要求，收展關(guān)節(jié)位于背后，其軸線與屈伸關(guān)節(jié)軸線匯交于穿戴者骸關(guān)節(jié)中
心，旋轉(zhuǎn)位于腿部外側(cè)屈伸關(guān)節(jié)上部，轉(zhuǎn)軸位于屈伸軸線正交處，屈伸關(guān)節(jié)位于
外側(cè)軸線并通過(guò)人體模型骸關(guān)節(jié)中心。骸部機(jī)構(gòu)安裝腰部支撐，骸部收展關(guān)節(jié)位
于體后側(cè)，可調(diào)整骸部安裝位置來(lái)保證收展關(guān)節(jié)軸線過(guò)骸關(guān)節(jié)球窩中心。機(jī)械零
部件設(shè)計(jì)和安裝效果如圖3-13所示。
圖3-12 骸關(guān)節(jié)的3DOF位置關(guān)系
圖3-13 骸部機(jī)械設(shè)計(jì)圖
其中腰帶扣，跟上下連接器一樣，需要調(diào)節(jié)大小，因?yàn)槿擞信质?，所以，我在兩端開(kāi)了幾個(gè)孔，跟腰帶對(duì)齊。其中3-14為腰帶，3-15為腰帶扣。
圖3-14 腰帶
圖 3-15 腰帶扣
腰帶扣就是為了固定腰帶，通過(guò)兩者孔對(duì)齊情況，使得它的腰部可以伸縮。
3.1.6 腿部固定
圖3-16 腿固定器
突出的圓柱，上面導(dǎo)螺紋，與轉(zhuǎn)接上的一小孔連接，可使大小腿不會(huì)脫離該裝置。中間開(kāi)了兩個(gè)小孔，為了通繩子，這樣，可以固定在兩個(gè)大小腿上，如圖3-16所示。
第四章 強(qiáng)度校核
4.1 關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)連接器受力分析。
關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)接器的工作能力就是指它的強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)穩(wěn)定性等方面。關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)連接器的工作能力主要取決于它的強(qiáng)度，所以我們要進(jìn)行它的強(qiáng)度校核，以防止斷裂或塑性變形。進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，根據(jù)具體受載及應(yīng)力情況，通過(guò)solidworks上的SimulationXpress應(yīng)力計(jì)算，可以對(duì)此機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度校核情況有個(gè)很全面，直觀的看法。下圖4-1中綠色是夾具所夾位置，紅色是突出圓柱所受的力。圖4-2為所計(jì)算出的應(yīng)力情況，圖4-3為變形的位移情況。圖4-4為它的安全系數(shù)。
圖4-1 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)接器受力情況
圖4-2 SimulationXpress Study-應(yīng)力-Stress
圖4-3 SimulationXpress Study-位移-Displacement
圖4-4 SimulationXpress Study-安全系數(shù)-Factor of Safety
設(shè)計(jì)總結(jié)
轉(zhuǎn)眼大學(xué)四年就將結(jié)束。只能說(shuō)時(shí)間匆匆，在我們不經(jīng)意間已經(jīng)溜走。這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)可以說(shuō)是對(duì)我們大學(xué)四年學(xué)習(xí)成果的最終考驗(yàn)。在大學(xué)四年我們做過(guò)各種課程設(shè)計(jì)，但畢業(yè)設(shè)計(jì)可以說(shuō)是一個(gè)綜合的大型的課程設(shè)計(jì)。是需要我們對(duì)四年大學(xué)所學(xué)學(xué)知識(shí)的充分理解和懂得綜合運(yùn)用，是對(duì)我們的綜合實(shí)力的檢查。通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我收獲和感觸很多。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我對(duì)大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)有了一次簡(jiǎn)單的回顧。也讓我學(xué)到了很多。
首先，是對(duì)機(jī)械腿方面有了一些比較系統(tǒng)的了解；再者也是對(duì)SolidWorks三維造型軟件回顧與掌握，在將來(lái)能夠更熟練的運(yùn)用，并且可以更加熟練地使用AUTOCAD軟件。
根據(jù)人體工程學(xué)原理和使用對(duì)象，確定了機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)方案和控制方案。確定了機(jī)構(gòu)的自由度，建立了機(jī)構(gòu)模型，并根據(jù)下肢參數(shù)，得到了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)空間。機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源采用彈簧，傳動(dòng)方式采用關(guān)節(jié)型裝置。
在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我也遇到很多問(wèn)題。由于對(duì)穿戴式機(jī)械腿不怎么了解，拿到課題不知從何下手，沒(méi)有任何的思緒。也曾一度感到過(guò)無(wú)助和害怕。通過(guò)在圖書(shū)館借了一些列的書(shū)，又經(jīng)過(guò)老師的指導(dǎo)和學(xué)長(zhǎng)的帶領(lǐng)，才找到一點(diǎn)點(diǎn)的自信。對(duì)穿戴式機(jī)械腿有了更多地了解和認(rèn)識(shí)。也在自己的摸索中慢慢地開(kāi)始課題的設(shè)計(jì)。
總之，畢業(yè)設(shè)計(jì)中也我成長(zhǎng)了很多。在做任何事情時(shí)，一定要做好準(zhǔn)備，不能因?yàn)椴欢粫?huì)而什么都不做。一切都是從不會(huì)到會(huì)的，從不懂到懂，這是我們必須經(jīng)歷的過(guò)程。在設(shè)計(jì)中，我并不是一下設(shè)計(jì)好的。由于自己考慮的不周全，走過(guò)很多彎路。不過(guò)現(xiàn)在覺(jué)得在將來(lái)面對(duì)相關(guān)課題時(shí)那些彎路是很好的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。我非常感謝和珍惜這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，它讓我了解了自己實(shí)力。
這次做論文的經(jīng)歷也會(huì)使我終身受益，我感受到做論文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己學(xué)習(xí)的過(guò)程和研究的過(guò)程，沒(méi)有學(xué)習(xí)就不可能有研究的能力，沒(méi)有自己的研究，就不會(huì)有所突破，那也就不叫論文了。希望這次的經(jīng)歷能讓我在以后學(xué)習(xí)中激勵(lì)我繼續(xù)進(jìn)步。本設(shè)計(jì)能夠順利的完成，也歸功于各位任課老師的認(rèn)真負(fù)責(zé)，使我能夠很好的掌握和運(yùn)用專業(yè)知識(shí)，并在設(shè)計(jì)中得以體現(xiàn)。正是有了他們的悉心幫助和支持，才使我的畢業(yè)論文工作順利完成，在此向揚(yáng)州大學(xué)，機(jī)械系的全體老師表示由衷的謝意。感謝他們四年來(lái)的辛勤栽培。
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【18】Low K. H., Liu Xiaopeng. Yu Haoyong. Development of NTU Wearable Exoskeleton System for Assistive Technologies. Proc. of the 2005 IEEE Int. Conference on Mechatronics and Automation. 2005.7，1099-1106
【19】H. Kazerooni, J. L. Racine, L. Huang, R. Stegre .On the Control of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton (BLEEX). Proc. of the 2005 IEEE Int. Conference on Robotics and Automation, 2005. 4, 4353-4360
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Using EMG-Based Feedback Controller. Proc. of the 2003 IEEE Int. Conference on Systems, Man and Cybernetics, 2003. 10, 1648-1653
致謝
感謝我的導(dǎo)師周建華教授，他有著淵博的學(xué)識(shí)，有著嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度，還有著縝密的邏輯思維及表達(dá)能力，這都深深影響著我。他嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我學(xué)習(xí)中的榜樣;他循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無(wú)盡的啟迪。
本課題在選題及研究過(guò)程中得到曾勵(lì)教授的悉心指導(dǎo)。曾老師多次詢問(wèn)研究進(jìn)程，并為我指點(diǎn)迷津，幫助我開(kāi)拓研究思路，精心點(diǎn)撥，熱忱鼓勵(lì)，曾老師兢兢業(yè)業(yè)的作風(fēng)，踏踏實(shí)實(shí)的精神，這些都讓我獲益匪淺，并且將終生受用無(wú)窮。祝愿老師們身體健康，工作順利，桃李滿天下!
感謝團(tuán)隊(duì)里的老師和同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)和生活上的幫助。感謝季琳莉，閆相宜，吳一非學(xué)習(xí)上給予的指導(dǎo)及幫助，他們使得平日里的科研生活變得豐富多彩，和他們朝夕相處的日子值得珍藏理解和包容;感謝他們?cè)趯W(xué)習(xí)和生活上的幫助。在此謹(jǐn)向他們表示最誠(chéng)摯的謝意!
最后要特別感謝我的父母和家人，感謝他們對(duì)我的支持和鼓勵(lì)，感謝他們對(duì)我的培養(yǎng)和付出，他們對(duì)我無(wú)私的愛(ài)和寄予的期望是我成長(zhǎng)的動(dòng)力和源泉。祝他們幸?？鞓?lè)!
再次感謝所有關(guān)心和幫助我的人。
蔣璞
2014年5月30日
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