7-DOF下肢外骨骼機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

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摘要 摘 要 下肢外骨骼機(jī)器人是一種可穿戴、交互式仿生機(jī)器人，其類似人體外骨骼，通過穿戴在人體身上，與人體行動保持一致，達(dá)到輔助人體運(yùn)動的目的。本文介紹了下肢外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化、液壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)學(xué)模型的建立，以及基于MATALAB、AMESim平臺的仿真分析。其結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括各關(guān)節(jié)的設(shè)計和優(yōu)化，所設(shè)計機(jī)器人為7自由度，基本能復(fù)現(xiàn)人體下肢的所有運(yùn)動功能。其驅(qū)動系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動，本文通過2種方案的對比優(yōu)化，設(shè)計了合理的液壓驅(qū)動系統(tǒng)和輕型液壓缸，滿足了機(jī)器人的工作要求。而液壓系統(tǒng)閥控缸數(shù)學(xué)建模的建立，是實現(xiàn)關(guān)節(jié)連續(xù)、穩(wěn)定控制的基礎(chǔ)。最后運(yùn)用AMESim平臺軟件建模仿真，驗證理論計算的正確性和液壓系統(tǒng)的性能。 設(shè)計出來的下肢外骨骼機(jī)器人機(jī)構(gòu)高度范圍為1051mm～1251mm，寬度最大為654mm，腳掌長度為385mm。除了踝關(guān)節(jié)的背屈/跖屈方向的轉(zhuǎn)動外，可滿足人體下肢各個關(guān)節(jié)不同方向的轉(zhuǎn)動要求。其適合對象為：髖關(guān)節(jié)到地面的距離在851mm～1051mm范圍內(nèi)，臀寬不超過375mm，體重不超過80kg的人。 關(guān)鍵詞： 外骨骼 機(jī)器人 液壓系統(tǒng) AMESim仿真 目錄 Abstract Lower limb exoskeleton robot likes a insect exoskeleton,is a wearable,interactive bionic robot.In this paper,it contains four parts mostly :design and optimize the structure of exoskeleton robot,hydraulic drive system design ,the foundation of mathematical models and simulation analysis based on AMESim.The structure design main contains joints design and optimization,it can recur all functions ,with 7-DOF ,of human lower limb basically.The drive system adopts hydraulic pressure system and differential connection.The differential hydraulic cylinder raises the efficiency and decreases the loss of the energy.According to the working principle of valve-controlled cylinder system,the mathematical equation of the system was established.Finally,use AMESim to verify the performance of the hydraulic system. The height range of the mechanical structure of the lower limb exoskeleton robot is 1051mm to 1251mm.Its maximum length is 654mm and the width is 385mm.In addition to the ankle rotation in the direction of dorsiflexion/plantar flexion,the mechanism can meet the different rotation requirements of the human lower limb joints. It is suitable for the people whose distance from hip to the ground is within the range of 851mm to 1051mm,whose hip width does not exceed 375mm and whose weighing is less than 80kg. Key Words： Exoskeleton;Robot;Hydraulic System;AMESim Simulation 目 錄 第一章 緒論 1 1.1 研究背景和意義 1 1.1.1 研究背景 1 1.1.2 研究目的和意義 1 1.2 下肢外骨骼機(jī)器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.2.1 下肢外骨骼機(jī)器人國外研究現(xiàn)狀 2 1.2.2 下肢外骨骼機(jī)器人國內(nèi)研究現(xiàn)狀 5 1.3 面臨的難題與本文所做的工作 7 1.4 本文研究內(nèi)容 7 第二章 下肢外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與運(yùn)動分析 9 2.1人體下肢解剖學(xué)概述 9 2.1.1 人體的基本平面和基本軸 9 2.1.2 下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動 10 2.2人體下肢外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 10 2.2.1 人體下肢骨骼關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)分析 10 2.2.2 人體下肢各關(guān)節(jié)自由度的配置 12 2.2.3 人體下肢各關(guān)節(jié)活動范圍與變化情況 12 2.2.4 人體下肢外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 13 2.2.5 人體下肢外骨骼機(jī)器人驅(qū)動的設(shè)置 16 2.2.6 人體下肢外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 16 2.3 下肢外骨骼機(jī)器人力學(xué)分析 18 2.4下肢外骨骼機(jī)器人驅(qū)動方式的選擇 22 2.5 機(jī)械結(jié)構(gòu)的ADAMS運(yùn)動仿真分析 23 2.6本章小結(jié) 25 第三章 人體下肢外骨骼機(jī)器人液壓系統(tǒng)的設(shè)計 26 3.1液壓技術(shù)簡述與發(fā)展現(xiàn)狀 26 3.2下肢外骨骼機(jī)器人液壓系統(tǒng)的總體設(shè)計 27 3.2.1 執(zhí)行元件參數(shù)的確定 27 3.2.2 擬定液壓系統(tǒng)原理圖 27 3.2.3 液壓缸的設(shè)計 31 3.2.4 泵、電機(jī)、電源的選型 40 3.2.5 閥的選型 44 3.2.6 液壓輔件的選型 46 3.3下肢外骨骼機(jī)器人液壓系統(tǒng)的安裝 48 3.3.1 驅(qū)動液壓缸的安裝 48 3.3.2 液壓閥的安裝 49 3.3.3 其他元件的安裝 50 3.4本章小結(jié) 50 第四章 液壓系統(tǒng)建模與仿真分析 51 4.1 建模方式的選擇 51 4.2 基于解析法的閥控液壓缸數(shù)學(xué)建模 51 4.3閥控非對稱液壓缸系統(tǒng)動態(tài)性能仿真與分析 59 4.3.1 模型參數(shù)確定 59 4.3.2 閥控缸系統(tǒng)的頻域分析 60 4.4 基于AMESim的液壓系統(tǒng)建模 61 4.4.1 AMESim軟件介紹 61 4.4.2 AMESim的工作模式 62 4.4.3 液壓伺服系統(tǒng)建模 64 4.5 仿真結(jié)果分析 65 4.6 不同系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響 66 4.7本章小結(jié) 67 第五章 總結(jié)與展望 68 5.1 本文工作總結(jié) 68 5.2 未來工作展望 69 附 錄 70 參考文獻(xiàn) 73 Contents Contents Chapter 1 Introduction 1 1.1 Definition and Research Significance of Human Exoskeleton 1 1.1.1 Definition of Human Exoskeleton 1 1.1.2 Research Significance of Human Exoskeleton 1 1.2 Research Status of Lower Limb Exoskeleton Robot 2 1.2.1 Overseas Research Status of Human Exoskeleton 2 1.2.2 Domestic Research Status of Human Exoskeleton 5 1.3 Facing Problems and Done Work 7 1.4 The Content of This Thesis. 7 Chapter 2 Structure Optimization and Motion Analysis of Lower Limb Exoskeleton Robot 9 2.1 Human Body Anatomy of Lower Limbs 9 2.1.1 Basic Plane and Axis of Human 9 2.1.2 Articulate Movement of Human Lower Limbs 10 2.2 Basic Structure Design of The Lower Limb Exoskeleton Robot 10 2.2.1 Human Joint Structure Analysis 10 2.2.2 The Joint DOF of Human Lower Limbs 12 2.2.3 The Motion Range 12 2.2.4 Structure Design 13 2.2.5 Drives Settings 16 2.2.6 Structure Optimization 16 2.3 Mechanical Analysis of The Lower Limb Exoskeleton Robot 18 2.4 Drive Mode of The Lower Limb Exoskeleton Robot 22 2.5 Kinematics Simulation Analysis Based on ADAMS 23 2.6 Conclusion of This Chaptert 25 Chapter 3 The Hydraulic System Design 26 3.1 Hydraulics Description and Development Status 26 3.2 Hydraulic System Overall Design 27 3.2.1 Fixed Actuator Parameters 27 3.2.2 Draw Up The Hydraulic System Schematic Diagram 27 3.2.3 Hydraulic Cylinder Design 31 3.2.4 Selecte The Pump, Motor and Power 40 3.2.4 Selecte The Valves 44 3.2.4 Selecte Hydraulic Accessories 46 3.3 Installation of Hydraulic System 48 3.3.1 Installation Cylinders 48 3.3.2 Installation Valves 49 3.3.3 Installation Hydraulic Accessories 50 3.4 Conclusion of This Chaptert 50 Chapter 4 Hydraulic System Modeling and Simulation Analysis 51 4.1 Selecte A Modeling Method 51 4.2 Valve Control Hydraulic Cylinder Mathematical Modeling 51 4.2.1 Analytical Method of Modeling 59 4.2.2 Mathematical Model of Other Parts 59 4.3 Hydraulic System Modeling Based on AMESim 60 4.3.1 Introduction AMESim 62 4.3.2 AMESim Modeling 64 4.4 Analyzing The Simulated Results 65 4.5 Influence of Different Parameters 66 4.6 Conclusion of This Chaptert 67 Chapter 5 Summary and Prospect 68 5.1 The Summary 68 5.2 The Prospect 69 Appendix 70 Referenced 73 第一章 緒論 第一章 緒論 1.1 研究背景和意義 1.1.1 研究背景 外骨骼是一種能夠提供對生物柔軟內(nèi)部器官進(jìn)行構(gòu)型，建筑和保護(hù)的外部結(jié)構(gòu)。外骨骼是充當(dāng)盔甲的器官，它為生物提供了一個框架或結(jié)構(gòu)，保護(hù)和支持生物柔軟的身軀。因此人類千百年來就夢想能擁有自己的外骨骼，代替人類機(jī)械式的勞動，并幫助人類完成自身所不能完成的工作和任務(wù)。本文介紹的人類外骨骼是指可穿戴于人體外部、提高人類一定生理機(jī)能和對人體產(chǎn)生一定防護(hù)的機(jī)械裝置，由于其安裝位置和產(chǎn)生的作用和生物界中的外骨骼很相似，故將其稱為人類外骨骼。 人類外骨骼之所以會產(chǎn)生,其實是人類自身的生理機(jī)能無法滿足外界環(huán)境的要求。面對外界中野獸、自然災(zāi)害等，人類的微薄之力根本就無法與之抗衡。如此，促使人類探索大自然，推進(jìn)科技進(jìn)步，研制出對人類幫助更大的器械。 當(dāng)今社會，工業(yè)與科學(xué)技術(shù)相互支撐、相互推動，人類有足夠的能力改造大自然，建立適合人類生存的居住環(huán)境。這些居住環(huán)境有完善的保護(hù)設(shè)施，用來保護(hù)人類不受到大自然的危害。隨著大自然威脅的減少，人們開始關(guān)注人類自身生理機(jī)能不足或缺陷引發(fā)的問題上，如癱瘓等。相較于改造自然環(huán)境的大型器械，用于輔助人類解決自身生理機(jī)能不足的器械要有小巧的體積、精密的構(gòu)造和符合人機(jī)工程學(xué)等特點。而人類外骨骼就是這些器械中的一種，由于人類外骨骼是針對人類體型設(shè)計的，所以應(yīng)具有很高的便攜性和靈活性。 1.1.2 研究目的和意義 下面從四個方面簡述當(dāng)今社會對外骨骼機(jī)器人的需求。 （1） 老年人。隨著社會的發(fā)展，老齡化加重，已超過人口總數(shù)的10%[1]。老年人由于生理衰老造成肌肉萎縮、肌力下降。普遍存在體力不支，行動不便，力量、耐力不足等情況，在上下樓梯時費(fèi)力、緩慢，嚴(yán)重者需要醫(yī)護(hù)人員輔助其上下樓梯與行走。研發(fā)一種可穿戴舒適的裝備，幫助老年人行走、上下樓梯、適 80 當(dāng)負(fù)重等十分必要，如果有外骨骼機(jī)器人的輔助，其一方面可減少護(hù)理人員很大一部分工作量，從而緩解社會勞動力不足的壓力[2]。另外一方面可以提高老年人的生活質(zhì)量。 （2） 癱瘓病人。癱瘓分為神經(jīng)損傷或病變造成的癱瘓和肌病癱瘓。研究表明，對于神經(jīng)損傷的癱瘓病人，如果定期的幫助他舒展活動癱瘓部位，一方面可促進(jìn)血液循環(huán)，避免肌肉組織萎縮，另一方面可刺激癱瘓部位的神經(jīng)修復(fù)，從而提高康復(fù)幾率。而對于肌病癱瘓的病人，定期幫助其舒展活動癱瘓部位，可有效阻止肌肉組織萎縮，防止惡化，并有助于疾病的治療[3-4]。目前，癱瘓康復(fù)訓(xùn)練的基本方法是理療師對患者“手把手”的訓(xùn)練。這種模式，無論對患者還是醫(yī)務(wù)工作者都是一項長期的艱苦工作。如此研制外骨骼機(jī)器人，一方面可以替代護(hù)理人員的部分工作，緩解護(hù)理人員不足的壓力；另一方面可增加癱瘓病人的護(hù)理強(qiáng)度，提高癱瘓病人的康復(fù)幾率。 （3） 軍人。在現(xiàn)代社會中，隨著科技發(fā)展，武器的殺傷力上升，士兵需要穿沉重的防御裝備，再加上通訊設(shè)備、武器和補(bǔ)給等，士兵較以往增加了很多負(fù)荷，這一方面雖然提高了單兵作戰(zhàn)能力，另一方面卻降低士兵的靈活性和持久力，進(jìn)一步降低部隊的機(jī)動性和行軍距離。而如果采用外骨骼機(jī)器人后，將成為一名超級士兵，擁有無窮的力量，可攜載更多的武器裝備，火力威力增強(qiáng)，防護(hù)水平提高，同時可克服任何障礙，高速前進(jìn)，不會產(chǎn)生疲勞感，很大程度上提高部隊的作戰(zhàn)效率和作戰(zhàn)水平。 （4） 建筑工人。在建筑行業(yè)里，這種外骨骼機(jī)器人也大有用武之地，一方面可以有效的節(jié)省建筑工人的體力，消除疲勞，提高工作效率。另一方面，讓建筑工人能夠承擔(dān)高強(qiáng)度和特殊環(huán)境的工作。 上面簡單闡述了社會對外骨骼機(jī)器人的迫切需求。因此，研制先進(jìn)的外骨骼機(jī)器人就具有良好的社會、經(jīng)濟(jì)和軍事意義。 1.2 下肢外骨骼機(jī)器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 下肢外骨骼機(jī)器人國外研究現(xiàn)狀 下肢外骨骼機(jī)器人在美國和日本等國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)都開展了有關(guān)的研究工作，近年來取得了一些有價值的成果，如： （1） 美國Sarcos公司研制的XOS外骨骼機(jī)器人 美國Sarcos公司研制的一種可佩戴的、能量自動化機(jī)器人到2005年時脫穎而出，如圖1.1所示。其外骨骼機(jī)器人XOS顯著成功，其解決了全身式外骨骼控制，快速反應(yīng)及流暢動作，可以讓使用者輕松連續(xù)舉起和放下90kg的杠鈴，其主要的工作原理是：XOS在精心挑選的位置設(shè)置力傳感器，當(dāng)穿戴者移動肢體想要做某一個動作時，相關(guān)的受力傳感器立即通知中控電腦，然后通過電腦高速計算決定外骨骼應(yīng)該采取何種動作來幫助使用者，根據(jù)計算結(jié)果，電腦指示恰當(dāng)位置的液壓缸移動活塞。XOS全身裝備30個液壓元件，每秒必須偵測受力狀況數(shù)百到數(shù)千次不等，并傳輸?shù)街袠须娔X，中樞電腦迅速完成運(yùn)算后立即下達(dá)指令到相關(guān)的液壓元件來完成動作。由于目前市場上沒有合適的液壓元件，因此XOS全身所需的30個液壓元件都是自行設(shè)計。缺陷在于能耗大，自帶的電池只能使用40分鐘。目前正在進(jìn)一步解決能耗問題，譬如應(yīng)用新開發(fā)的液壓元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓元件來降低能耗或者研制人造肌肉纖維取代液壓元件進(jìn)一步降低能耗，同時也簡化結(jié)構(gòu)。目前第二代的XOS2比之前的能耗量降低了50%，其加強(qiáng)型設(shè)計能讓使用者更快適應(yīng)周圍環(huán)境[5]。 （2） 美國伯克利大學(xué)軍方合作項目——外骨骼助力機(jī)器人士兵服 該裝置名為伯克利低位肢體外骨骼(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton)或稱作布利克斯(BLEEX)，如圖1.2所示，是加州大學(xué)伯克利分校高級防御研究工程室設(shè)計出來的，嘗試將自動機(jī)械支柱與人的雙腿相連，以降低負(fù)重，從而使步兵能夠在負(fù)載更重的情況下行進(jìn)更長的路程。這套設(shè)備主要由燃料供給及發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、控制及檢測系統(tǒng)、液壓傳動系統(tǒng)及外骨骼機(jī)構(gòu)組成，使用這種裝置的人要通過傳動帶將自身的腿與機(jī)械外骨骼的腿相連，背上要背一個裝有發(fā)動機(jī)、控制系統(tǒng)的大背包，背包中同時還留有承載有效載荷的空間。動力傳動過程為：發(fā)動機(jī)-液壓系統(tǒng)-外骨骼機(jī)構(gòu)。該裝置能平衡掉設(shè)備的自重（有50kg），使人穿著時無負(fù)載感覺，且控制系統(tǒng)將保證它的重心始終是在使用者的雙腳上。該裝置的背包中還可負(fù)載32kg重量。而對使用者而言，他則只感覺像是背了2kg一樣。這種裝置除了幫助士兵外，還可以協(xié)助醫(yī)療人員將傷員撤離開危險地區(qū)或使消防員能夠攜帶很重的設(shè)備攀登上更多的樓層[6]。 圖1.1 XOS外骨骼機(jī)器人 圖1.2 BLEEX外骨骼機(jī)器人的外形 （3） 洛克希德馬丁公司研制的人類負(fù)重外骨骼”（HULC）系統(tǒng) 2009年,防務(wù)巨頭洛克希德馬丁公司在BLEEX機(jī)器人的基礎(chǔ)上，測試新一代“人類負(fù)重外骨骼”（HULC）系統(tǒng)”，如圖1.3所示。該系統(tǒng)是一種模仿人體結(jié)構(gòu)特點設(shè)計的外穿型機(jī)械骨骼，內(nèi)部配備有液壓傳動裝置和可像關(guān)節(jié)一樣彎曲的結(jié)構(gòu)設(shè)計，不但能夠直立行進(jìn)，還可完成下蹲和匍匐等多種相對復(fù)雜的動作。HULC系統(tǒng)的動力源為兩塊總重量3.6公斤的鋰聚合物電池。在一次充滿電后，HULC可保證穿著者以4.8公里/小時的速度背負(fù)90公斤重物持續(xù)行進(jìn)一個小時。而穿著外骨骼的奔跑沖刺速度可達(dá)到16公里/小時。新式的外骨骼系統(tǒng)裝備有更加先進(jìn)的軟件、更耐用的電池，并采用適用度更廣的設(shè)計[7]。 （4） 日本筑波大學(xué)研制的Hal-5外骨骼機(jī)器人 Hal-5是日本筑波大學(xué)Yoshiyuki Sankai設(shè)計的一款輔助型外骨骼機(jī)器人，其外形如圖1.4所示。這款外骨骼機(jī)器人可輔助穿戴者進(jìn)行肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的伸展/屈曲運(yùn)動。采用直流電機(jī)作為驅(qū)動器。通過檢測人體皮膚表面的肌電信號來讀取穿戴者的運(yùn)動意圖，結(jié)合關(guān)節(jié)上的電位計、腳底的力傳感器、軀干上的回轉(zhuǎn)儀和加速計所檢測的信息來控制機(jī)構(gòu)去輔助穿戴者運(yùn)動。這套裝置具有2個控制系統(tǒng)：一個用來檢測皮膚表面的肌電信號，經(jīng)過濾、提取特征后傳輸?shù)娇刂破髦?，從而獲得穿戴者的運(yùn)動意圖；另一個是自動控制系統(tǒng)，它通過檢測穿戴者現(xiàn)有的運(yùn)動信息，結(jié)合數(shù)據(jù)庫中人類運(yùn)動步態(tài)信息來判斷穿戴者的運(yùn)動意圖，并做出相應(yīng)的調(diào)整。這款裝置通過鋰電池供電，正常運(yùn)作時間為2小時40分。老年人或殘疾人在它的輔助下能以4km/h的速度行走，毫不費(fèi)力的上下樓梯。上臂最大可負(fù)重40kg，下肢最大可負(fù)重100-180kg[8-10]。 圖1.3 HULC外骨骼機(jī)器人的外形圖 圖1.4 HAL外骨骼機(jī)器人的外形圖 1.2.2 下肢外骨骼機(jī)器人國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國對下肢外骨骼機(jī)器人的研究起步比較晚，下肢外骨骼機(jī)器人研究任然處于黃金期。國內(nèi)設(shè)計外骨骼機(jī)器人的院校主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等。目前國外已有很多外骨骼機(jī)器人進(jìn)入投產(chǎn)階段，而國內(nèi)的外骨骼機(jī)器人主要停留在實驗室研發(fā)階段，且還主要研制響應(yīng)速度較低的康復(fù)型外骨骼機(jī)器人[11-14]。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張志誠等人設(shè)計外骨骼下肢助力機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)圖見圖1.5，對于該機(jī)器人，每條腿共有6個自由度，分別是髖關(guān)節(jié)伸/屈、髖關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收、膝關(guān)節(jié)伸/屈、踝關(guān)節(jié)伸/屈，踝關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收和腳掌的彎曲。其采用盤式電機(jī)驅(qū)動，并搭建了相應(yīng)的外骨骼下肢助力機(jī)器人的軟硬件平臺[15]。 浙江大學(xué)研制出了多自由度下肢外骨骼助力機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)圖見圖1.6。采用氣動驅(qū)動，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)驅(qū)動器為圓狀的氣缸。其通過將足底壓力信號和氣缸的位移控制信號直接聯(lián)系起來，并能夠較好的識別出使用者的用途，這款機(jī)器人相對于國內(nèi)其他研究成果，處于領(lǐng)先地位[16]。 第一章 緒論 圖1.5 哈爾濱工業(yè)大學(xué)下肢外骨骼 圖1.6 浙江大學(xué)下肢外骨骼機(jī)器人外形圖 機(jī)器人外形圖 北京航空航天大學(xué)王志鵬等人研究的穿戴式下肢康復(fù)機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)圖見圖1.7。該機(jī)器人主要用于截癱、 踝部以上部位下肢手術(shù)患者以及骨關(guān)節(jié)炎患者的康復(fù)治療。兩條腿共8 個自由度，分別為髖關(guān)節(jié)屈/伸運(yùn)動, 髖關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收運(yùn)動 , 膝關(guān)節(jié)屈/伸運(yùn)動, 踝關(guān)節(jié)背屈/跖屈運(yùn)動。采用直流無刷電機(jī)與減速器直接驅(qū)動[17]。 圖1.7 北京航空航天大學(xué)下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人外形圖 1.3 面臨的難題與本文所做的工作 外骨骼是針對人類體型設(shè)計的，具有很高的便攜性和靈活性的機(jī)器人。雖然外骨骼機(jī)器人的研究在最近十幾年取得了很大的進(jìn)展,然而現(xiàn)實中還有許多問題需要我們?nèi)ソ鉀Q。主要存在以下幾大技術(shù)難點： （1）機(jī)械結(jié)構(gòu)方面。目前外骨骼機(jī)器人實現(xiàn)高擬人化和高契合度還有一定難度，合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)運(yùn)動副的設(shè)計，運(yùn)動自由度的分配，以便于穿戴者舒適、操作靈活、最大限度地拓展人的活動范圍，達(dá)到人機(jī)一體。 （2）信息交換方面。目前外骨骼機(jī)器人主要通過采集肌電信號和力反饋的方法來獲取穿戴者的運(yùn)動意圖。肌電信號采集的方法有很嚴(yán)格的外界環(huán)境限制，一旦信號采集的地方發(fā)生微小的變化（如流汗等）就會干擾信號的采集；而力反饋法具有本質(zhì)上的滯后性，當(dāng)穿戴者做出快速的運(yùn)動或者高難度的動作時就會有阻礙感[18-19]。因此開發(fā)一種能讓外骨骼機(jī)器人與人類神經(jīng)直接交流的方法是外骨骼機(jī)器人未來需要解決的一個研究難題。 （3）控制方面。目前許多外骨骼機(jī)器人的測試結(jié)果中都說系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)速度，然而這是在穿戴者進(jìn)行緩慢運(yùn)動的情況下測試的，一旦穿戴者進(jìn)行高速運(yùn)動或做出一些復(fù)雜動作，裝置就無法達(dá)到期望的響應(yīng)速度[20-22]。所以提出更好的控制理論和設(shè)計更加優(yōu)秀的控制器件是外骨骼機(jī)器人未來需要解決的又一個研究難題。 （4）工作時間方面。其關(guān)鍵就是能源問題，目前外骨骼機(jī)器人使用的便攜式能源只能給系統(tǒng)提供2-4小時的續(xù)航時間，無法實現(xiàn)其長久作業(yè)。 （5）動力驅(qū)動方面。對于驅(qū)動器與驅(qū)動系統(tǒng)本身，既要有較輕便的重量，較小巧的體積，但又必須具備較大的驅(qū)動力，同時還要具有良好的散熱性能。這些都是能否實現(xiàn)外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊、外力驅(qū)動、輕巧便攜的關(guān)鍵因素[23-26]。 1.4 本文研究內(nèi)容 本文主要研究以下幾個方面： （1）機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與優(yōu)化。針對前期出現(xiàn)的零件加工較復(fù)雜，力學(xué)性能不佳等問題，采用自由度替代的原理，對部分零部件進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并采用ADAMS運(yùn)動仿真分析。 （2）液壓動力系統(tǒng)的設(shè)計。為了實現(xiàn)外骨骼機(jī)器人連貫、穩(wěn)定的運(yùn)動，本設(shè)計采用液壓驅(qū)動的方式，通過設(shè)計合理的液壓伺服系統(tǒng)，從而實現(xiàn)驅(qū)動的目的。 （3）仿真分析與優(yōu)化。本文基于MATLAB和AMESim軟件對下肢外骨骼機(jī)器人液壓系統(tǒng)建立物理模型，并仿真分析，驗證系統(tǒng)的性能，并優(yōu)化設(shè)計。 第二章 人體下肢外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與運(yùn)動分析 第二章 下肢外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與運(yùn)動分析 2.1人體下肢解剖學(xué)概述 2.1.1人體的基本平面和基本軸 人體自由度的定義根據(jù)人機(jī)工程學(xué)中人體基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)軸來確定[27]，如圖2.2所示，人體共有三個基準(zhǔn)面和三個基準(zhǔn)軸。三個基準(zhǔn)面分別是：水平面，矢狀面，冠狀面。其中水平面是橫切直立身體與地面平行的切面，將人體分為上下兩部分；矢狀面是沿身體前后徑所作的地面垂直的切面，將人體分為左右兩部分；冠狀面是身體左右徑所作的與地面垂直的切面，將人體分為前后兩部分。三個基準(zhǔn)軸分別是：額狀軸，矢狀軸，垂直軸。其中額狀軸是在額狀面內(nèi)且垂直于矢狀面的軸，它是額狀面與水平面的交線；矢狀軸是在矢狀面內(nèi)且垂直于額狀面的軸，它是矢狀面與水平面的交線；垂直軸是在垂直通過水平面的軸，它是額狀面與矢狀面的交線。 圖2.1 人體基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)軸 2.1.2下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動 解剖學(xué)家、物理治療師根據(jù)關(guān)節(jié)的運(yùn)動形式、運(yùn)動方向以及運(yùn)動關(guān)節(jié)與身體其它部分的關(guān)系，采用專業(yè)的命名法，將關(guān)節(jié)運(yùn)動分為：平動、角度運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)和特殊形式運(yùn)動[26]。 平動：只在平面關(guān)節(jié)中出現(xiàn)。 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動又可為：屈/伸、外展/內(nèi)收、回旋、環(huán)旋等。 屈/伸：運(yùn)動環(huán)節(jié)（指相鄰兩關(guān)節(jié)中心之間的部分）在矢狀面內(nèi)，繞額狀軸運(yùn)動，向前運(yùn)動為屈，向后運(yùn)動為伸（膝、足關(guān)節(jié)相反）。 外展/內(nèi)收：運(yùn)動環(huán)節(jié)在額狀面內(nèi)，繞矢狀軸運(yùn)動，遠(yuǎn)離正中面為外展，接近正中面為內(nèi)收。 回旋：運(yùn)動環(huán)節(jié)在水平面內(nèi)，繞其本身的垂直軸旋轉(zhuǎn)，由前向內(nèi)的旋轉(zhuǎn)叫內(nèi)旋（或稱旋前），由前向外的旋轉(zhuǎn)叫旋外（或稱旋后）。 環(huán)旋：運(yùn)動環(huán)節(jié)繞額狀軸、矢狀軸和它們之間的軸連續(xù)運(yùn)動，運(yùn)動環(huán)節(jié)描成一個圓錐體，其遠(yuǎn)端描成圓錐體的底周。 特殊運(yùn)動包括：屈足背屈跖、內(nèi)翻外翻、旋外旋上和旋內(nèi)旋下。 屈足背/屈跖：以踝關(guān)節(jié)為軸，將足背往脛骨的方向移動為屈足背，如勾腳；將腳尖往下移動，為屈跖，如壓腳背。 內(nèi)翻/外翻：以踝關(guān)節(jié)為軸，將足部內(nèi)側(cè)提起為內(nèi)翻，外側(cè)提起為外翻[28]。 2.2人體下肢外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.2.1 人體下肢骨骼關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)分析 髖骨為人體腰部的骨骼，共左右兩塊。其結(jié)構(gòu)如圖2.2，骶骨與髂骨之間有骶髂關(guān)節(jié)，從運(yùn)動方式上可看做滑車關(guān)節(jié)，屬微動關(guān)節(jié)。主要作用是利于重力通過該關(guān)節(jié)向下肢傳遞，以及自高處著地或跳躍時緩沖沖擊力及震蕩。恥骨聯(lián)合主要用于連接兩髖骨，不具有相對移動性，如此髖骨可看為一個剛性整體。 圖2.2 人體髖骨結(jié)構(gòu) 髖骨和股骨之間的髖關(guān)節(jié)，由股骨頭與髖臼相對構(gòu)成，屬于杵臼關(guān)節(jié)。髖關(guān)節(jié)為多軸性關(guān)節(jié)，能作屈伸、展收、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。但由于股骨頭深嵌在髖臼中，髖臼又有關(guān)節(jié)盂緣加深，包繞股骨頭近2/3，所以關(guān)節(jié)頭與關(guān)節(jié)窩二者的面積差甚小，故運(yùn)動范圍較小，這里可將之當(dāng)作球鉸鏈連接。 連接大腿與小腿的膝關(guān)節(jié)，如圖2.3所示。主要由股骨內(nèi)、外側(cè)髁和脛骨內(nèi)、外側(cè)髁以及髕骨構(gòu)成，為人體最大且構(gòu)造最復(fù)雜，損傷機(jī)會亦較多的關(guān)節(jié)。其基本運(yùn)動為屈伸，所以可將膝關(guān)節(jié)當(dāng)作平面鉸鏈連接。 圖2.3 人體膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 圖2.4 人體踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 踝關(guān)節(jié)，如圖2.4所示。由脛、腓骨下端的關(guān)節(jié)面與距骨滑車構(gòu)成，脛骨的下關(guān)節(jié)面及內(nèi)、外踝關(guān)節(jié)面共同作成的“冂”形的關(guān)節(jié)窩，容納距骨滑車（關(guān)節(jié)頭），踝關(guān)節(jié)屬滑車關(guān)節(jié)，可沿距骨體做背屈及跖屈運(yùn)動。在跖屈時，足可做一定范圍的側(cè)方運(yùn)動，所以將踝關(guān)節(jié)當(dāng)作球鉸鏈連接[27]。 2.2.2 人體下肢各關(guān)節(jié)自由度的配置 為了最大程度復(fù)現(xiàn)人體下肢運(yùn)動狀態(tài)，下肢外骨骼機(jī)器人應(yīng)盡量與人體本身自由度一致。對于人體髖關(guān)節(jié)來說，有三個自由度。分別實現(xiàn)矢狀面內(nèi)的屈/曲運(yùn)動，冠狀面內(nèi)的外展/內(nèi)收運(yùn)動，水平面內(nèi)的旋內(nèi)/旋外運(yùn)動，其自由度與球鉸鏈一致；對于膝關(guān)節(jié)來說，有一個自由度，實現(xiàn)人體在矢狀面的屈/曲運(yùn)動；對于踝關(guān)節(jié)來說，有三個自由度，分別是矢狀面內(nèi)踝關(guān)節(jié)屈/曲運(yùn)動，冠狀面內(nèi)外展/內(nèi)收，水平面內(nèi)的旋內(nèi)/旋外。 2.2.3人體下肢各關(guān)節(jié)活動范圍與變化情況 從生物力學(xué)角度看, 整個人體運(yùn)動是以關(guān)節(jié)為支點, 通過骨骼肌的收縮, 使其繞軸轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)的，因此人體各關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍受到肌肉韌帶的限制，下肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍如下表2.1、表2.2所示[29]。 （I） 各關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍的確立 ⑴ 髖關(guān)節(jié)活動范圍：中立位為髖關(guān)節(jié)伸直，髕骨向上。 表2.1 髖關(guān)節(jié)活動角度參考值 活動類型 屈曲 后伸 外展 內(nèi)收 伸位旋轉(zhuǎn) 屈曲位旋轉(zhuǎn) 正常角度參考值 120~130 10~15 30~45 20~30 外旋30~40內(nèi)旋40~50 外旋30~40內(nèi)旋40~50 ⑵ 膝關(guān)節(jié)活動范圍：中立位為膝關(guān)節(jié)伸直，關(guān)節(jié)活動： a.屈曲：110~130 b.過伸：5~10 ⑶ 踝關(guān)節(jié)及足部關(guān)節(jié)活動范圍:踝關(guān)節(jié)中立位為足與小腿間呈90度角，而無足內(nèi)翻或外翻。足之中立位不易確定,本文暫取外展10，內(nèi)收10。 表2.2 踝關(guān)節(jié)活動角度參考值 活動類型 踝關(guān)節(jié)背屈 踝關(guān)節(jié)跖屈 距下關(guān)節(jié) 跗骨間關(guān)節(jié) 跖趾關(guān)節(jié) 正常角度參考值 20~30 約40~50 內(nèi)翻約30，外翻30~35 約25 背屈約45，跖屈30~40 （II） 各關(guān)節(jié)角度的變化情況 各關(guān)節(jié)在一個步態(tài)周期內(nèi)，各關(guān)節(jié)的角度變化和功率變化情況分別如下圖2.5、圖2.6[30]所示。 圖2.5 髖膝踝關(guān)節(jié)角度隨時間變化 圖2.6 關(guān)節(jié)在一個步態(tài)周期內(nèi)功率 曲線 的變化 2.2.4 人體下肢外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 下肢外骨骼機(jī)器人的運(yùn)動副簡圖如下圖2.7所示。機(jī)架與人體腰部固定連接，髖關(guān)節(jié)采用軸向轉(zhuǎn)動副與萬向節(jié)構(gòu)成的類球鉸鏈，有3個自由度；膝關(guān)節(jié)采用平面鉸鏈，有1個自由度，其轉(zhuǎn)軸與人體膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸平行，類球鉸鏈的十字軸軸心到膝關(guān)節(jié)平面鉸鏈中心的距離和人體髖關(guān)節(jié)到膝關(guān)節(jié)的距離相同；膝關(guān)節(jié)下面是一個軸向轉(zhuǎn)動副，軸向轉(zhuǎn)動副下面是外骨骼機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)部分，其由4個平面鉸鏈、2個直線移動副、1個環(huán)形移動副組成，共同構(gòu)成3自由度，目的是為了形成具有三個正交轉(zhuǎn)軸且轉(zhuǎn)軸交點與人體踝關(guān)節(jié)中心重合的機(jī)構(gòu)，1號轉(zhuǎn)動副和3號轉(zhuǎn)動副朝向相同，和2號移動副共同用來調(diào)整人體腳掌繞踝關(guān)節(jié)的X軸轉(zhuǎn)動，4號環(huán)形移動副的圓心與人體踝關(guān)節(jié)的球心重合，用于調(diào)整人體腳掌繞踝關(guān)節(jié)的Z軸轉(zhuǎn)動，5號轉(zhuǎn)動副和7號轉(zhuǎn)動副朝向相同，與6號移動副共同用來調(diào)整人體腳掌繞踝關(guān)節(jié)的Y軸轉(zhuǎn)動，而8號部分類似鞋底，與人體腳掌固定連接。 各關(guān)節(jié)具體的三維結(jié)構(gòu)簡圖分別如圖2.6、2.7、2.8所示。 圖2.7 下肢外骨骼機(jī)器人三維結(jié)構(gòu)簡圖 圖2.8 髖關(guān)節(jié)部分結(jié)構(gòu)簡圖 髖關(guān)節(jié)部分三維結(jié)構(gòu)簡圖如上圖2.8所示，包括髖部U型固定架1、液壓缸2、十字軸外延支座3、萬向節(jié)4、垂直軸向轉(zhuǎn)動軸承5。軸向轉(zhuǎn)動軸承實現(xiàn)髖關(guān)節(jié)的水平面內(nèi)的旋內(nèi)/旋外運(yùn)動；液壓缸通過兩側(cè)耳環(huán)鉸鏈分別與髖部固定架和可旋轉(zhuǎn)支座連接，實現(xiàn)髖關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的屈/曲運(yùn)動；萬向節(jié)實現(xiàn)冠狀面內(nèi)的外展/內(nèi)收運(yùn)動，此時髖關(guān)節(jié)為3個自由度，基本能復(fù)現(xiàn)人體髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動。 圖2.9 膝關(guān)節(jié)部分結(jié)構(gòu)簡圖 圖2.10 機(jī)器人高度調(diào)整機(jī)構(gòu)簡圖 膝關(guān)節(jié)部分三維結(jié)構(gòu)簡圖如下圖2.9所示。膝關(guān)節(jié)是由大腿6、小腿7、膝關(guān)節(jié)液壓缸8組成。液壓缸兩側(cè)耳環(huán)分別與大腿和小腿內(nèi)側(cè)鉸鏈支座鉸接，通過液壓活塞桿的伸長與縮短，實現(xiàn)膝關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的屈/曲運(yùn)動。機(jī)器人高度的調(diào)整是通過套桿9、套筒11和固定螺桿10來調(diào)整的，如上圖2.10所示，套筒表面銑削加工了一個平面，用于與螺桿端面貼合，調(diào)整套桿與套筒的相對位置，并用螺桿加以固定，從而實現(xiàn)了高度的調(diào)整。該調(diào)整裝置安裝于髖關(guān)節(jié)與大腿液壓缸支座之間，不僅保證了調(diào)整的方便性，而且還不受高度的調(diào)整的影響。 圖2.11 踝關(guān)節(jié)部分結(jié)構(gòu)簡圖 踝關(guān)節(jié)部分三維結(jié)構(gòu)簡圖如下圖2.11所示。踝關(guān)節(jié)是由腳后跟液壓液壓缸14、踝關(guān)節(jié)外側(cè)液壓缸16、踝關(guān)節(jié)環(huán)形套桿13、環(huán)形套筒12組成。腳后跟液壓活塞桿耳環(huán)與鞋底15連接，通過腳后跟液壓缸的運(yùn)動，可以實現(xiàn)踝關(guān)節(jié)矢狀面內(nèi)的屈/曲運(yùn)動。踝關(guān)節(jié)環(huán)形套桿與環(huán)套筒構(gòu)成一個沿曲線運(yùn)動的移動副，通過二者的相對運(yùn)動實現(xiàn)踝關(guān)節(jié)水平面的旋內(nèi)/旋外運(yùn)動。踝關(guān)節(jié)外側(cè)液壓缸兩側(cè)耳環(huán)分別與小腿和環(huán)形套筒連接，通過踝關(guān)節(jié)外側(cè)液壓缸的作用，可以實現(xiàn)踝關(guān)節(jié)冠狀面的外展/內(nèi)收。為了避免環(huán)形套桿與鞋后跟液壓缸的運(yùn)動干涉，將其設(shè)計成如圖中所示。 使用時，使用者將其穿戴在大腿外側(cè)，同時通過松緊帶與腰部、大腿、小腿固定，雙腳通過腳部松緊帶固定在鞋底。 2.2.5 人體下肢外骨骼機(jī)器人驅(qū)動的設(shè)置 人體下肢外骨骼機(jī)器人單側(cè)腿均有七個自由度，如果選擇全部驅(qū)動必然會導(dǎo)致控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和不必要的能量消耗，增加裝置的自身重量。 因此，只有那些需要消耗大量功率的自由度才應(yīng)該被驅(qū)動。下肢各關(guān)節(jié)功率消耗情況如上圖2.6所示[30]。絕大部分功率消耗在踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的屈曲運(yùn)動上。而在實際運(yùn)動中，7個自由度在行走和爬樓過程中，主要是各關(guān)節(jié)屈曲運(yùn)動的1個自由度在作用，其他自由度起輔助作用。結(jié)合功率消耗和實際運(yùn)動情況，因此，本裝置髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)3自由度分別只采用一個驅(qū)動源，膝關(guān)節(jié)和小腿軸向（踝關(guān)節(jié)內(nèi)收、外展）為單自由度單個驅(qū)動源，總共需要四個驅(qū)動源。 2.2.6 人體下肢外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 （1） 極限限位保護(hù)裝置的設(shè)置 結(jié)合前期設(shè)計的機(jī)械結(jié)構(gòu)可知，一旦控制器控制出現(xiàn)問題，機(jī)械裝置就存在過量運(yùn)動的風(fēng)險，有可能給肌體帶來嚴(yán)重的運(yùn)動損傷，因此機(jī)械角度的限位對于保護(hù)人體安全具有重要的意義。本機(jī)器采用雙重限位保護(hù)：第一種為接觸式限位開關(guān)，當(dāng)各液壓缸達(dá)到極限位移，觸碰限位開關(guān)，達(dá)到限位的目的。第二種為機(jī)械結(jié)構(gòu)限位。 圖2.12 髖關(guān)節(jié)限位 圖2.13 膝關(guān)節(jié)限位 髖關(guān)節(jié)限位如上圖2.12所示，其原理是在髖關(guān)節(jié)萬向節(jié)上叉設(shè)置限位塊A、B，通過限位塊將髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動角度約束在安全范圍內(nèi)。 膝關(guān)節(jié)限位如上圖2.13所示，其原理是在外骨骼膝關(guān)節(jié)設(shè)置限位塊，通過限位塊將膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動角度約束在人體膝關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍內(nèi)。 踝關(guān)節(jié)限位是通過零件本身結(jié)構(gòu)尺寸來限制，當(dāng)踝關(guān)節(jié)屈矢狀面屈/曲運(yùn)動達(dá)到極限時，環(huán)形套桿與腳后跟液壓缸干涉，當(dāng)關(guān)節(jié)冠狀面的外展/內(nèi)收達(dá)到極限時，外側(cè)液壓活塞桿與地面干涉，達(dá)到限位的目的。 （2） 人機(jī)交互優(yōu)化設(shè)計 下肢外骨骼機(jī)器人在設(shè)計過長中，需要與使用者進(jìn)行交互，充分考慮到使用者的感受和產(chǎn)品本身的柔順性，其設(shè)計要符合人體工程學(xué)的概念，方便使用者進(jìn)行合理、舒適的運(yùn)動。 首先，對機(jī)構(gòu)的鞋子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。足部其本身并不是一個剛體，而是由肌肉、韌帶、筋膜和20多塊骨骼組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。腳弓也是人體進(jìn)化后的一個產(chǎn)物，它與附著在其上面的肌肉，就像減震器一樣，減緩地面對人體的沖擊，保護(hù)人體的組織結(jié)構(gòu)。行走過程并不是整個鞋底同時著地，而是鞋后跟先著地，這就進(jìn)一步加劇了地面對人體的沖擊力。優(yōu)化后在鞋后跟添加了上下兩塊橡膠墊，不僅可以提升穿著的舒適感，橡膠墊的變形還可以起到緩沖的作用。其結(jié)構(gòu)如圖所示。 圖2.14 鞋后跟緩沖墊 其次，對踝關(guān)節(jié)外側(cè)弧形導(dǎo)向套進(jìn)行優(yōu)化。通過運(yùn)動空間的計算可以得知，當(dāng)踝關(guān)節(jié)內(nèi)收角還未達(dá)到運(yùn)動極限時，導(dǎo)向套絞點出會觸碰地面發(fā)生干涉，影響了踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍，故對于弧形導(dǎo)向套構(gòu)件加以優(yōu)化設(shè)計。 最后，對髖關(guān)節(jié)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化。機(jī)器人在行走中承受了較大的液壓缸反作用力，髖部結(jié)構(gòu)就需要與人體髖部進(jìn)行緊固，這必然引起使用體驗會大大地下降?；谏鲜隹紤]，選用柔性綁帶緊固，并在髖背部與機(jī)構(gòu)接觸的地方輔以海綿，確保人機(jī)交互的舒適性。 所設(shè)計的機(jī)器人髖關(guān)節(jié)具有3個DOF、膝關(guān)節(jié)一個DOF、踝關(guān)節(jié)3個DOF，共7個DOF，其采用液壓伺服系統(tǒng)驅(qū)動，基本能復(fù)現(xiàn)人體下肢運(yùn)動狀態(tài)。其實用于臀寬范圍小于380mm，髖關(guān)節(jié)距地面860mm～1050mm，重量小于80kg的人。 2.3 下肢外骨骼機(jī)器人力學(xué)分析 下肢外骨骼機(jī)器人工作時，各個液壓缸根據(jù)伺服閥的控制，做順序動作或者復(fù)合動作，實現(xiàn)行走的目的。因此，下肢外骨骼機(jī)器人的機(jī)構(gòu)受力情況取決于負(fù)重滿載情況下的重量、髖關(guān)節(jié)角度β1、膝關(guān)節(jié)角度β2和踝關(guān)節(jié)角度β3。人體行走分為單足支撐期和雙足支撐期，單足支撐期則是從足尖離地到足跟著地，即足部離開支撐面的時問，約占步態(tài)周期的40％；雙足支撐期是指從足跟著地到足尖離地，即足部支撐面接觸的時間，約占步態(tài)周期的60% [29]。由于人體下肢左右對稱，取左腿部分為研究對象，以下未說明之處均為左腿。假定本裝置適應(yīng)體重80kg以內(nèi)的使用者，裝置本身與負(fù)載為150kg。整個機(jī)構(gòu)采用材質(zhì)為LY11的硬鋁，重量約為(7.2141)kg[31]，相較于機(jī)器人負(fù)載后的重力，機(jī)構(gòu)本身的重量較小，在此為了計算的方便，略去不計。人在處于單腿支撐期受力最大，由上節(jié)所確定的各個關(guān)節(jié)最大活動角度確定β1 、β2、β3的運(yùn)動極限，由此即可確定各個機(jī)構(gòu)的受力情況和液壓缸受力情況。此處做受力分析的目的是為了確定最大受力，為下章液壓系統(tǒng)的設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持，各液壓缸簡圖如圖2.15，2.16所示。圖2.15中分別為髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)，踝關(guān)節(jié)外側(cè)液壓缸1、2、3；圖2.16為踝關(guān)節(jié)腳后跟液壓缸4。 圖2.15 液壓系統(tǒng)部分簡圖 圖2.16 4號液壓缸及受力圖 研究人體行走步態(tài)，當(dāng)一只腳掌完全著地，另一只腳腳尖即將觸地時，此時重心完全作用到單側(cè)腿上，各關(guān)節(jié)處的屈伸力矩最大，即液壓缸需要提供的驅(qū)動力最大。此時，關(guān)節(jié)角達(dá)到運(yùn)動極限。 （I） 各液壓缸活塞桿所受工作載荷的計算 首先分析踝關(guān)節(jié)腳后跟4號液壓缸，受力圖如上圖2.16所示。由受力平衡，對上述機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析，液壓缸為二力桿件。 （2.1） 以上公式和β3的范圍可知：當(dāng) β3最大，即β3= 45時，F(xiàn)4最大，F(xiàn)4=1.41G。 同理，分析踝關(guān)節(jié)外側(cè)3號液壓缸，受力圖如下圖2.17所示。當(dāng)β1、 β2最大時，即β1= 130；β2=110時,F2、F3最大，此時EC ┴ CD,且二者固定連接，有： （2.2） （2.3） 得出：F3=1.06G 圖2.17 3號液壓缸受力圖 圖2.18 小腿受力圖 圖2.19 大腿受力圖 如圖2.18，對小腿進(jìn)行受力平衡分析： （2.4） （2.5） 如圖2.19，對大腿進(jìn)行受力平衡分析： （2.6） （2.7） （2.8） （2.9） （2.10） 式中 （2.11） （2.12） （2.13） （2.14） 則EG=122.7mm,為最小值，即2號液壓缸最小位移S2minx=EGmin=122.7mm。 （2.15） 解得BD=246.7mm。 （2.16） （2.17） （2.18） （2.19） 則AD=343mm，此時AD為最長，即1號液壓缸最大位移S1max=ADmax=343mm。 （2.20） 由上面幾式，解得：FK=0.14G;F1=0.43G;F2=0.86G。 L1=300mm;L2=185mm;L3=75mm;L4=190mm;L5=210mm;L6=30mm；L7=50mm;L8=85mm。 即液壓缸的最大工作載荷分別為：F1=0.43G；F2=0.86G；F3=1.06G；F4=1.41G。 （2） 慣性載荷 （2.21） 式中，Δv—速度變化量（m/s）;Δt—氣動或制動時間（s）。行走機(jī)械一般取Δv/Δt=0.5~1.5m/s2。 （3） 液壓缸外載荷 各液壓缸分別采用光滑軸承鉸接在外骨骼上，摩擦載荷忽略不計。相比穩(wěn)態(tài)運(yùn)動、減速制動而言，啟動加速所受外載荷最大，因此液壓缸在啟動狀態(tài)有最大的外載荷Fw。此時各液壓缸外載荷Fw和實際作用載荷分別為： （2.22） （2.23） 同理： （2.24） （2.25） （2.26） （2.27） （2.28） （2.29） 式中，取液壓缸的機(jī)械效率值為。 2.4下肢外骨骼機(jī)器人驅(qū)動方式的選擇 機(jī)器人常用的驅(qū)動方式有電機(jī)驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動等三種類型[32]。 （1）電機(jī)驅(qū)動 電機(jī)驅(qū)動是采用常用的直流、交流、伺服、以及步進(jìn)電機(jī)等，與位置比較控制器、速度比較控制器、信號和功率放大器、減速器，以及構(gòu)成伺服驅(qū)動系統(tǒng)不可缺少的位置和速度檢測部分構(gòu)成的一種傳動方式。其具有能量傳遞方便、信號傳遞迅速、結(jié)構(gòu)精簡、無污染等優(yōu)勢。其不足之處是運(yùn)動平衡性不好，容易受到外界負(fù)載的影響，慣性大等。前面所介紹的日本筑波大學(xué)研制的Hal-5外骨骼機(jī)器人即采用電機(jī)驅(qū)動。 （2）氣壓驅(qū)動 氣壓驅(qū)動是以壓縮空氣為介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞和控制的一種傳動方式。其工作原理與液壓驅(qū)動器相同，具有結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，價格便宜。不足之處是由于空氣的可壓縮性，在負(fù)載作用下會壓縮和變形，控制氣缸的精確位置很難，同時由于氣動裝置的工作壓強(qiáng)低，和液壓系統(tǒng)相比，功率/重量比要低很多。因此，氣壓驅(qū)動更多適用于搬運(yùn)較輕物體，且不需要高精度位置的工作環(huán)境。 （3）液壓驅(qū)動 液壓驅(qū)動是把液壓泵產(chǎn)生的工作油的壓力能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的裝置，其包括形成液壓的液壓泵，供給工作油的導(dǎo)管，控制工作油流動的液壓控制閥，以及控制回路等組成。其具有功率/重量比高，低速時出力大，慣性小，可靠性好，剛度大，定位準(zhǔn)確等優(yōu)點。適合微處理器及電子控制，可用于極端惡劣的外部環(huán)境。它的不足之處是對油溫的變化敏感，容易泄露造成環(huán)境污染，噪聲大，成本較高等。美國Sarcos公司研制的XOS外骨骼機(jī)器人； 美國伯克利大學(xué)軍方合作項目——外骨骼助力機(jī)器人士兵服BLEEX；洛克希德馬丁公司研制的人類負(fù)重外骨骼HULC等均采用液壓驅(qū)動。 考慮到液壓驅(qū)動具有響應(yīng)速度快、負(fù)載剛度大，同時已然具有十分成熟的控制方法，可以實現(xiàn)精確的過程控制。因此，本文中將采用液壓驅(qū)動。 2.5 機(jī)械結(jié)構(gòu)的ADAMS運(yùn)動仿真分析 為了更好的反映各關(guān)節(jié)的運(yùn)動變化規(guī)律，本論文借助ADAMS軟件進(jìn)行仿真分析。ADAMS是美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。它是全球運(yùn)用最為廣泛的機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件，用戶可以利用Adams在計算機(jī)上建立和測試虛擬樣機(jī)，實現(xiàn)仿真，了解復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計的運(yùn)動性能。ADAMS機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真部分最為重要的便是添加約束，包括運(yùn)動副的創(chuàng)建，驅(qū)動的添加，載荷的施加。在髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、以及驅(qū)動器兩端鉸鏈處添加旋轉(zhuǎn)副；在髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)處添加驅(qū)動。運(yùn)用ADAMS/Vi