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下肢外骨骼助力机器人系统研究 捅斐 随着科学技术的不断发展，外骨骼式机器人作为一种典型人机一体化助力装置，在 生物医学和军事领域等得到了越来越多的重视。下肢外骨骼助力机器人根据拟人化思想 设计，能够与使用者的下肢有机地结合在一起，模仿正常人体下肢生理结构和运动特点， 使二者协调运动，具有一定研究价值和市场前景。 对外骨骼式机器人的国内外发展研究现状进行了综述，分析了人体下肢关节运动参 数，确定了机器人的总体机构方案，分析了膝关节的瞬心轨迹，确定了控制方案。 分析了人体下肢运动机理，采用h i l l 三元素肌肉模型建立了下肢骨骼肌模型，通过 s i m m e c h a n i c s 进行了人体下肢建模和仿真分析。 基于拉格朗日法推导了机器人动力学数学模型，建立了机器人位置控制模型，并且 在m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 和s i m m e c h a n i c s 模块下进：行了位置控制仿真分析，建立 了阻抗控制模型，对机器人进行了控制仿真分析。 设计研制了下肢外骨骼助力机器人系统的实验样机，并基于d s p a c e 半物理仿真实 验平台对机器人系统进行了实验研究。主要包括直流电机伺服控制实验、不同周期空载 和带负载情况下单腿步态轨迹控制实验、双腿步态轨迹协调控制实验和真人实验。 关键词：外骨骼；助力机器人；控制算法；仿真分析；实验研究 下肢外骨骼助力机器人系统研究 ；i i i 宣i ；i i i i 宣i i ；i ；宣i i ；i ；i i i i ；i i i ；i i i i ；i 置；i i ；i ；i ；i i i ；宣；i i i ；i i i i ； a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c t m o l i o g y , t h e e x o s k e l e t o nr o b o ta sa t y p i c a lm a i l - m a c h i n ei n t e g r a t i o no fp o w e rd e v i c e sh a sb ea e ng o tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni n t h eb i o m e d i c a la n dm i l i t a r yf i e l d s t h el o w e r - l i m be x o s k e l e t o na s s i s t e dr o b o ti sd e s i g n e d o na n t h r o p o m o r p h i ci d e a sw i t ht h eu s e r s l e g st o g e t h e ro r g m i c a l l yw h i c hc a ni m i t a t et h e n o r m a lh u m a np h y s i o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dm o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h el o w e rl i m b ，a n d a c h i e v et h et w oc o o r d i n a t e dm o v e m e n t sw i t hs o m er e s e a r c hv a l u ea n dm a r k e t p r o s p e c t s t h r o u g hr e a d i n gt h ed e v e l o p m e n to fr e s e a r c ho ne x o s k e l e , t o nr o b o t sa th o m ea n da b r o a d ， a n a l y s e st h el o w e rl i m b sm o t i o np a r a m e t e r so fh u m a nb o d yj o i n t s t h eo v e r a l lo r g a n i z a t i o no f t h er o b o tp r o g r a mi sd e t e r m i n e da n da n a l y s e st h eh e a r to ft h ek n e ejo i n ti n s t a n tt r a c k a f t e r t h a tac o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d l o w e rl i m b st oh u m a nb o d ym o v e m e n tm e c h a n i s ma n dt j h em a i nf u n c t i o no fl o w e rl i m b m o v e m e n to fm u s c l ea r e p r e s e n t e d a c c o r d i n gt ot h eh i l lt h r e ee l e m e n t sm u s c l em o d e l p r i n c i p l ea n dm a n 。m a c h i n ei n t e g r a t i o nt h o u g h t ，h a v ee s t a b l i s h e dt h el o w e rl i m b sm o d e l i n g a n ds i m u l a t i o na n a l y s i st h r o u g ht h es i m m e c h a n i c s t h er o b o td y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e li sd e d u c e db a s eo nl a g r a n g et oe s t a b l i s ht h e r o b o tp o s i t i o nc o n t r o lm o d e l ，a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s mo fl o w e rl i m bm o v e m e n t ，ar o b o t s e ts i m m e c h a n i c ss i m u l a t i o nm o d e li sc r e a t e dw h i c hi s u s i n g ；f o rt h es i m u l a t i o na n a l y s i si n t h em a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t b a s e do nt h i s ，t h ei m p e d a n c ec o n t r o lp r i n c i p l e a n dc h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e d ，a n dh a v et h es i m u l a t i o n a n a l y s i , ； t h el o w e r - l i m be x o s k e l e t o na s s i s t e dr o b o t s y s t e me x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e i s d e s i g n e df o r t h es t u d y , w h i c hi s b a s e do nd s p a c es e m i m p h y s i c a ls i m u l a t i o n p l a t f o r m i n c l u d i n gd cm o t o rs e r v oc o n t r o le x p e r i m e n t s ，o n el e gg a i tt r a j e c t o r yc o n t r o le x p e r i m e n t so f d i f f e r e n tc y c l e su n d e rn o l o a d i n ga n dl o a d i n go n ，c o o r d ：i n a t e dg a i tt r a je c t o r yc o n t r o l e x p e r i m e n to f t w ol e g sa n dr e a lh u m a ne x p e r i m e n t k e y w o r d s ：e x o s k e l e t o n ；a s s i s t e dr o b o t ；c o n t r o la l g o r i t l m l ；s i m u l a t i o na n a l y s i s ；e x p e r i m e n t r e s e a r c h 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景和研究意义 人口老龄化问题目益严重已经逐渐成为世界上许多国家不可避免的社会现象，伴随 着老年人各种生理功能的衰退和交通事故的不断增加，偏瘫、中风、截瘫等患者也不断 增多，导致这类人群下肢出现运动功能障碍的现象，使其：生存质量急剧下降，使家庭和 社会的负担越来越重。根据当代医学理论和临床医学实践证明，对肢体运动功能的恢复 和提高，除了必要的医疗手段外，科学和正确的康复训练是十分有效的【1 ，2 1 。基于机械学、 生物医学、传感器技术、计算机技术和智能控制技术等的迅速发展，用于生物医学工程 领域的康复和助力机器人也有了很好的发展平台，促进了医用领域机器人的人机一体 化，这种研究通过机器人产品对于提高康复质量和减轻家庭社会的负担具有一定实际意 义和市场前景。 从军事发展的角度来看，外骨骼式助力机器入对于提高士兵的单兵装备具有重要的 意义【3 5 j 。它和使用者作为一个整体存在，可以分担士兵的装备重量，从而增强士兵的 机动性、耐力和速度和行动范围等，使士兵本身的能量消耗降低，真正成为战场上的武 器系统核心，提高部队战斗力。 外骨骼式机器人是一种可穿戴式的仿生机器人，属于典型的人机一体化系统，它可 以给使用者提供支撑、保护和助力等帮助【6 j 。下肢外骨骼助力机器人是一种与使用者有 机结合在一起的可穿戴式助力装置，根据人机工程学和生物医学的拟人化思想设计，模 拟正常人体下肢步态运动形式，帮助下肢有运动功能障碍的人群恢复行走能力。通过对 机器人响应的运动运动轨迹规划，从而达到人机协作的目的。随着仿生学机构学、信息 处理、机器人学、控制理论和通讯等技术的不断发展和成熟，外骨骼助力机器人能够和 操作者组成人机一体化系统，提高环境适应能力，在生物医学、军事、康复治疗、康复 护理和假肢等领域将会有很有研究价值和广阔的发展前景。， 1 2 外骨骼助力机器人研究现状及分析 1 2 1 国外发展现状 下肢外骨骼式助力机器人顾名思义，是辅助人体下肢运动的装置，包括正常的行走 和站立，在国外将这类产品统称为w a l k i n g a i d s ，即辅助行走的器具，也可称为步行辅 1 哈尔滨工程大学硕士学位论文 助器。在欧美一些发达国家，对于康复机器人和外骨骼式助力机器人这种人机一体化系 统的研究得到了众多科研工作者和医疗机构的重视和支持，通过许多研究机构不断开展 的研究工作，近年来在康复领域取得了一定的科研成果。 由美国加州大学伯克利分校和人体工程实验室负责研发的美军“伯：克利下肢外骨 骼 ( b e r k e l e yl o w e re x t r e m i t ye x o s k e l e t o n ，b l e e x ) 7 - 1 2 ，到目前为止，已经研制出了两 代下肢外骨骼助力系统，如图1 1 所示。 机器人由背包式外架、助力腿、控制与通讯系统、动力装置以及相应的液压驱动设 备组成，机械系统根据正常成年男子下肢的生物特征而设计，在人体下肢各个关节处装 有驱动电机。外骨骼装置和使用者之间有两处精确连接设计，并且采用特制的背心实现 躯干的喹接，这样能够分散使用者和b l e e x 之间的力，从而防止擦伤现象的发生，因 此对使用者的下肢与机器人之间的配合精度要求降低。每条b l e e x 助力腿在髋关节处 有3 个自由度，膝关节处有1 个自由度，踝关节处有3 个自由度。外骨骼助力机器人通 过安装的多个传感器和驱动器，向计算机提供各种必要的控制信息，计算接收这些信息 的同时，监测使用者实时的状态，并根据不同的情况对负载进行调整。这样就能使机器 人能够携带外部负载和自身的重量的同时，很好的进行远距离行走。 实验表明，b l e e x1 负重达3 4 公斤，并且能以1 3 m s 的速度平稳行走，而穿戴者 负重感仅为2 k g 左右。b l e e x2 负重可以达到4 5 k g ，速度更是能够提高为2 m s 。 图1 1 b l e e x 下肢外骨骼机器人 f i g 1 1b e r k e l e yl o w e re x t r e m i t y ( b l e e x ) 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 行训练康复机器人【1 8 , 1 9 ，如图1 4 所示，其机械结构如图1 5 所示。该机器人采用的基 本控制思想是吊绳减重原理，使用时患者被悬吊于空中，在l o k o m a t 辅助带动下完 成步态训练。它可以模拟正常人行走的步态规律和下肢重心的运动规律，实现对下肢各 个自由度的康复运动训练。 图1 4l o k o m a t 康复机器人图1 5l o k o m a t 机械结构示意图 美国d e l a w a r e 大学机械系统实验室开发的用于下肢康复的重力平衡下肢外骨骼【2 0 1 ， 在被动医疗康复外骨骼式机器人研究领域是极具代表性的，如图1 6 所示。重力平衡下 肢外骨骼的工作原理是通过机械结构使下肢重力达到平衡状态，工作目标是帮助有轻微 偏瘫的患者减轻或消除腿部重力对其正常步行运动的阻力作用，进而达到辅助患者进行 平稳步行训练的目的。机器人工作时首先确定使用者和外骨骼机器人的重心位置，然后 通过在重心位置上添加相应的弹簧，从而达到使下肢在其步态运动过程中各个位姿上的 重力平衡的目的。 图1 6 重力平衡下肢外骨骼 4 第1 章绪论 日本t s u k u b au n i v e r s i t y ( 筑波大学) c y b e m i c s 实验室在2 0 0 2 年研制开发了世界上第 一种商业外骨骼机器人装混合助力腿( h y b r i da s s i s t i v el i m b ，r i a l ) 1 3 - 1 7 】。它能协助使用 者完成爬楼运动和以4 k m h 的速度行走，并能辅助步态紊乱的患者进行行走康复训练。 其系统组成包括背囊、计算机、感应控制设备和电传装置，电传装置对应分布在髋关节 和膝身：节的两侧。控制系统的操作由使用者自主进行，完全脱离上位机等操纵台和外部 控制设备。h a l 外骨骼助力系统能够根据使用者的生理反馈信号，通过动力辅助控制 器调整使用者的姿态，是一个便携式混可控制系统，使用了地面传感器、肌电传感器等， 背包中配备有动力驱动系统、测量系统、计算机和无线网络等，充分体现了机器人设计 的舒适性和安全性。h a l 设计目标是通过于伺服电动机做功来降低使用者本身的肌肉 的负苻，为从事重体力劳动的工人带来帮助。 重量上，h a l 一3 ，如图1 2 所示，重2 2 公斤，h a l - _ 4 重1 7 公斤。经过深入研 究并且改良以后代号为“h a 卜5 ”在2 0 0 5 年爱知世博会上首次展出，如图1 3 所示， 根据堡载大小的不同，电池工作时间也随之改变，一般电池充电一次可连续工作两个小 时以上。控制系统与前几代h a l 机器人相同，都是通过挤电信号反馈给计算机，进而 监测肌肉运动情况，机器人的重量和机构也逐渐变得合理化、简单化。 图1 2 h a l 一3图1 3h a l 一5 瑞士苏黎士联邦大学近年来一直致力于腿部康复机构和步态分析等方面得研究工 作，并取得了一定的科研成果，在2 0 0 1 年汉诺威世界工业展览会上展出的l o k o m a t 步 3 第1 章绪论 重力平衡下肢外骨骼系统结构主要由连杆和弹簧组成，没有任何的主动力驱动装 置，整个训练过程完全是被动的，因此安全性很高，并且它能通过人机接口快捷地匹配 不同穿戴者个体的几何尺寸和惯量等参数特征，大大提高了其适用范围。 美国德拉维尔大学机械工程系机械系统实验室基于人机工程学和人体生物学，模拟 正常人体下肢生理结构特点，研制开发了一套可穿戴式下肢外骨骼支具【2 1 1 ，整个外骨骼 系统结构如图1 7 所示。该系统主要设计髋关节和膝关节各屈伸运动两个自由度，每个 关节都设有一个带编码器的直线驱动器，来提供关节转动的主动力。通过对电机速度和 加速度的计算和各个关节的转角变化位置曲线进行轨迹规划，模拟人体下肢运动规律， 这也对本课题起到了很大的启发作用。其中a ：支撑髋关节吊杆。b ：髋关节驱动器。 c ：弹簧支撑滑动绞车。d ：支撑设备小车。e ：跑步机。f ：髋关节。g ：髋关节力传感 器。h ：膝关节驱动器。i ：膝关节。j ：膝关节力传感器。该系统能够很好的实现下肢 步态运动轨迹跟踪控制和定点控制，从而达到辅助下肢运动的作用。 4 。 b c d e f g h i j 图1 7f 肢外骨骼系统 1 2 2 国内发展现状 国内从事康复机器人和外骨骼式机器人的科研机构有限，相对比于国外而言，在这 方面的科研工作起步较晚。近年来，随着科学技术的发展和社会需求的不断增长，下肢 外骨骼式机器人的研究在国内也得到了越来越广泛的开展和重视，如浙江大学、清华大 学等，并取得了一些有价值的科研成果。 浙江大学机械电子控制工程研究所基于自适应模糊神经网络( a n f i s ) 控制理论，对 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ；篁i i i i i 宣暑宣宣暑墨i i i i i i i i 暑置薯i i i i i i i 暑；鲁；暑置暑i i i i i i ；毒昌暑宣誓i i i i i i i i ；i 置盏；i i i ；篁；i i i 下肢外骨骼的人机耦合控制策略开展了大量的研究工作，并且开发研制出了一套下气动 下肢外骨骼假肢 2 2 , 2 3 1 。如该假肢结构采用拟人化设计，整体结构的三维图如图1 8 所示， 实物图如图1 9 所示。机器人控制系统主要以肌电信号作为反馈，对整个系统的运动进 行控制，从而达到人机一体化的运动协调控制的目的。 图1 8 浙江大学外骨骼三维图图1 9 外骨骼助力机器人实物图 中国科学技术大学自动化学院、中科院合肥智能机械研究所和日本鹿岛大学基于拟 人化思想联合设计开发了一套下肢外骨骼助力机器人系统【2 4 粕】，如图1 1 0 所示。机器人 采机器人单侧腿包括髋关节3 d o f ，膝关节1 d o f ，踝关节1 d o f ，共5 个自由度。整个机 器人系统以电池为能源，通过安装在外骨架上的多种传感器反馈信息，控制伺服电机驱 动关节角度和速度值模拟正常人体下肢步态运动轨迹，与人协调运动，降低人正常行走 下的运动强度，从而达到人机一体化的助力目的。 上晦大学机电工程与自动化学院设计研制了一套结果简单有效，控制系统稳定的外 骨骼式机械腿【2 7 1 。机器人单侧腿有髋关节和膝关节的屈伸两个主要表现下肢运动特征 的自由度，关节处主动力由电动缸驱动提供，结构简单方便，这种结构思想也对本课题 有很大帮助，如图1 1 1 所示。 6 第1 章绪论 图1 1 0 外骨骼助力机器人图1 11 外骨骼助力机械腿 1 3 下肢外骨骼助力机器人技术难点分析 下肢外骨骼助力机器人系统的研究，受到很多因素的共同影响和作用，主要包括设 计合理化、轻便化的拟人下肢外骨骼机构、人体下肢各关节的运动分析，合理高效的控 制系统和控制算法等 2 8 , 2 9 1 ，而且从人性化的角度出发，还要具有一定舒适度和安全性。 综合这些因素，才能开发出适合辅助人体下肢运动的外骨骼系统，从而提高人体下肢的 运动能力。概括起来主要为以下几点： ( 1 ) 根据人体生物学的骨骼机构的合理设计，机构不仅要使人穿戴舒适、操作灵 活、最大限度地拓展人的活动范围，而且还要具有一定的安全性，这也对外骨骼机器人 的材料上提出了一定的要求，在满足外骨骼机器人轻巧、舒适、强度高的同时，并能较 长时间、较长距离行走，真正达到简单有效的助力目的。 ( 2 ) 实现机器人对不同人群的适应能力。由于不同的人的生理结特征不同，行走 也存在着个体化差异，而且路况信息也实时改变的，如f 果仅仅使用一个固定的模式来描 述下肢行走运动过程，很难满足不同使用者的要求。这就需要在必要的时候机器人能够 做出一定的调整，来提高机器人系统的适应能力。 ( 3 ) 人体行走步态分析。要实时分析人体下肢运动各阶段的信息，合理规划外骨 骼机器人步态轨迹，使其能够平稳可靠。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i ；i ；i i i ；i ；i i ；罱i i ；i ；i i i i i ；i i i i i i i ；i i 罱i i i i i ；i ；i i i i i ； ( 4 ) 外骨骼机器人和操作者需要实现真正的人机一体化。外骨骼机器人的控制系 统算法要能保证它可以和使用者能够保持协调一致的运动，进而降低二者之间互相干涉 作用，并可以根据各种传感器反馈信息对机器人姿态进行调整，根据人的运动意图来适 时提供助力。 ( 5 ) 驱动器的合理选择。基于外骨骼机器人结构简单、轻巧便携、动力稳定足够 的思想，为机器人提供主动驱动力的装置在具有良好的稳定性的基础上，既要有较轻的 重量和较小的体积，又必须具有足够的驱动力或驱动扭矩。 1 4 论文的主要工作 本课题的研究内容主要集中在下肢外骨骼助力机器人系统的整体结构设计、控制系 统设计、动力学建模仿真分析、控制算法研究和仿真分析以及实验研究等。具体来说， 主要有以下几个方面： 1 、参阅大量国内外关于外骨骼式机器人领域的研究状况和发展趋势的有关资料， 分析了下肢外骨骼助力机器人的技术难点。 2 、基于拟人化思想设计机器人整体结构方案，并且根据人体生物学计算工作空间， 完成四杆膝关节的结构设计，包括连杆的优化设计和瞬时转动中心的计算与运动仿真， 并确定整体结构方案和控制方案。 3 、对人体下肢运动机理和摆角轨迹进行研究，通过m a t l a b 中的s i m m e e h a n i c s 模块进行动力学仿真分析。 4 、通过拉格朗日法建立下肢动力学数学模型，对于机器人进行位置、速度双闭环 模型研究和仿真分析，并且在机器人位置控制的基础上，进一步对阻抗控制原理和模型 进行研究，通过仿真分析验证其正确性。 5 、基于d s p a c e 进行半物理仿真实验平台，进行直流电机伺服控制实验、单腿空 载和带负载的步态轨迹跟踪实验、单腿不同周期的步态轨迹实验、双腿协调步态轨迹实 验和真人实验。 第2 章下肢外骨骼助力机器人整体方案设计 i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 眚i i i 宣i i i i i i i i i i 第2 章下肢外骨骼助力机器人整体方案设计 2 1 引言 在确定下肢外骨骼助力机器人整体机械结构方案时，要遵循拟人化思想，因此，要 对人体基本运动系和下肢运动步态规律有所了解，根据人体下肢行走时各个关节的运动 特征，选择合理的驱动方案和驱动元件，并且还要求机器人的工作空间要满足人体下肢 运动范围。膝关节作为最复杂的运动关节，要尽量进行拟人化设计。目前四连杆机构不 仅结构简单，而且具备了膝关节的运动特征，对其瞬心轨：迹进行计算和分析，能够很好 的满足仿生要求。 下肢外骨骼助力机器人主要针对下肢有运动功能障碍的人群，因此选择合理安全的 控制策略，设计稳定高效的控制系统是机器人能否满足要求的重要因素。 2 2 人体步态分析 2 2 1 人体基本运动系 为了更好的实现下肢外骨骼助力机器人的拟人化结构设计，首先必须根据人体运动 生物学确立人体参考系。临床医学、体育学及人体运动学研究定义的三维参考系包括三 个基本平面和三个基本轴t 3 0 , 3 u ，分别如图2 1 和2 2 所示。其中矢状面与地面垂直，经 过人体中心将人体分为左右两部分；称为冠状面( 又称额状面) 与地面垂直，经过人体中 心将人体分为前后两部分；水平面( 又称横切面) 与地面平行，经过人体中心将身体分为 上下两部分。在额状面内且经过人体中心垂直于矢状面的轴，称为额状轴；在矢状面且 经过人体中心垂直于额状面的轴，称为矢状轴；垂直通过水平面的轴，垂直于水平面且 经过人体中心的轴称为垂直轴，它是冠状面和矢状面的交线。 人体完成下肢步态轨迹运动主要依靠髋关节、膝关节和踝关节的运动实现，根据人 体解剖学的研究表明，髋关节和踝关节具有3 d o f ，分别为屈伸、回旋与环旋、外展与 内收三个自由度，而膝关主要有1 d o f ，即屈伸自由度。 屈伸：指运动关节在矢状面内绕额状轴运动，定义大腿向前运动时为屈，向后运动 为伸。 外展与内收：指运动关节在额状面内绕矢状轴运动。 回旋：指运动关节在水平面内绕其本身的垂直轴旋转。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 环转：指运动关节绕额状轴、矢状轴等连续运动。 图2 1 人体基本平面 水平面 图2 2 人体基本轴 圈 2 。2 2 下肢各关节运动特点分析 髋关节是人体重要的负重部分，它能够绕三个相互垂直的运动轴上做屈伸、外展与 内收和环转等多种运动，作为全身位置最深的多轴运动关节，其生理结构相对比较稳固， 但是灵活性很高，运动也是比较复杂的，其解剖图如图2 3 所示。 h l 出f 采t 簿受蔓 眦d t 坷0 f w | 蛳 i 蝴 l b 潮c f 】： i 槲 l q 德 删d l i 他 舔j m 埘l r f * 图2 3 髋关节解剖图 1 0 图2 4 膝关节解剖图 第2 章下肢外骨骼助力机器人整体方案设计 膝关节作为人体最大最复杂的关节，包括股骨下端、胫骨上端和髌骨【3 2 1 。其主要运 动是屈伸运动，其剖面图如图2 4 所示。在屈膝运动时，膝关节会有微小的环旋运动， 由于对正常步态运动影响不大，因此在机器人结构设计和建模中经常忽略此自由度。因 此，膝关节可以简化为只具有一个屈伸自由度的单轴关节。 踝关节也是人体下肢相对比较复杂的关节，包括胫骨远侧端关节面，腓骨远侧端关 节面和距骨滑车关节面。具有3 d o f ，可做足背屈、跖屈和内翻、外翻运动。跖屈时还 会有微小的旋转、内收和外展运动。其结构图如图2 5 所示。踝关节的运动对于使足底 支撑力向腿部骨骼的传递和保证行走稳定性具有重要的意义【3 3 1 。 图2 5 踝关节解剖图 下肢关节各个自由度都有相应的运动范围，主要运动特征及运动角度参考值如表 2 1 所示，这为设计下肢外骨骼助力机器人的机械结构与合理的工作空间提供了重要参 考 3 4 , 3 5 。 表2 1 下肢各关节活动范围 运动特征角度变换范i 围( 。)共同特征 屈 1 2 0 伸 1 5 髋关节 外展 4 5 内收 3 0 旋内 4 5 旋外 4 5 屈申 屈 1 3 0 膝关节 伸 o 背屈 2 0 踝关节 跖屈 4 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i ；i i i i i i i ；i i i i i i i i i ；宣i i i i i i i 宣宣i i i i i i i i i i ；i i i i i i i i 高；i i 高i i 宣i ；i 高i i i i i i 2 2 3 步态周期时相分析 步行运动是一种周期性运动，步行过程中双脚与地面交替接触和分离，并且脚与地 面是一个滚动接触过程。从双腿分析步行运动，一个完整的步态周期如图2 6 所：示。包 单足支撑相( s i n g l es u p p o r tp h a s e ) 和双足支撑相( d o u b l es u p p o r tp h a s e ) 两个阶段。在单足支 撑相期间，一条腿足底接触地面承担身体重量，另一条腿处于摆动期。在双足支撑相中， 双足着地，由双足支撑身体重量。包括前足着地双足支撑和后足着地双足支撑两个时期， 分别对应图2 6 中的第一个双足支撑相和第二个双足支撑相。如图2 6 所示，对于指定 的右腿而言，完整的步态周期分为支撑相( s t a n c ep h a s e ，s t p ) 和摆动相( s w i n gp h a s e ，s s p ) 两个阶段，足趾离地进入摆动相( 摆动相占步态周期的4 0 ) ，在摆动相期间，腿总是 先屈膝，然后向前摆动，直至大小腿运动到一条直线。足跟着地即进入支撑相，身体重 心连续向前运动，支撑相占步态周期的6 0 ( 其中单侧肢体支撑期占4 0 ，双侧肢体支 撑期占2 0 ) 3 6 】，当足趾再次离地时完成一个步态周期。 卜一支撑相+ _ 一摆动相一 卜鼍五努+ 一单腿支撑卜专虽努斗初始摆蚌中期摆动惭期摆动一 a 霎釜aaa 八於l 卜斗 _ 卜一 01 2 5 0 6 2 1 0 0 图2 6 人体步态周期 2 3 机器人整体结构方案 根据人体下肢生物学结构特征和步态规律，在设计机器人机械结构方案时，主要需 要遵循以下几个原则： 1 ) 几械机构要具有人体下肢运动的主要自由度，以满足正常人步态规律的要求。 2 ) 驱动元件的选择要根据人体下肢的主要运动特征和工作空间确定，并且要充分考 虑控钮系统的适用性。 3 ) 饥械结构各杆件在长度上要尽量可调，尽量减小人体与外骨骼的直接接触面和相 互干扰，达到减小对人体限制的目的。 4 ) 在满足最大负载时强度和刚度的条件下，要保证机器人在结构设计上尽量简单紧 凑，轻巧舒适。 1 2 一 第2 章下肢外骨骼助力机器人整体：方案设计 i i i i i i i i i i i i i i i 宣i 罱i i i i 赢i i i i i i i i i i i i i i ；i ；i i i i i i i i i i 宣i 2 3 1 机器人关节运动范围 根据下肢各关节的共同运动特征可知，步态规律主要是靠髋关节和膝关节的屈伸运 动完成，因此，我们主要考虑这两个自由度的设计。人体下肢平面运动坐标系如图2 7 所示，其中仇为髋关节的屈伸角度，仇为膝关节的屈f e 角度。系统初始位置在大腿最大 转角，小腿最小转角处。 结合下肢外骨骼助力机器人工作情况的需要，参考人体运动参数3 7 , 3 8 】，设计髋关节 和膝关节屈伸角度范围为： 晚= - 1 5 0 + 3 0 。 仇= + 5 0 + 5 5 o i 髋关节 姗刊 钆 膝关节 小腿干哇 矽： 足 渤一静蕊 崆布 图2 7 下肢平面坐标系 2 3 2 驱动方式和驱动元件选择 驱动方式的选择直接关系到系统是否能够按照要求快速完成预期的动作，不仅要有 较快的响应速度，较好的动态性能，还有具有一定的灵敏度，这样便于集中控制。从机 器人设计的结构紧凑，质量轻巧的原则上讲，还要求驱动系统具备效率高、体积小、质 量轻、自控性强、可靠性高等特点。驱动方式一般可以分为液压驱动、气压驱动和电气 驱动。 下肢外骨骼助力机器人用于主要用于帮助有下肢运动功能障碍的进行康复训练，要 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ；i i i 赢宣i i i 昌i i i i 宣皇罩i i i 皇置i i i i i 高霉i i i ；宣奄i i i 。i i i i ；品墨i i 罱罱筒；i i i 高 求髋关节和膝关节在同一个平面内做屈伸运动，通过对几种驱动方式的比较，选择电动 缸作为驱动元件，如图2 8 所示。它是一种将电机的转动转化为直线运功的装置，具有 结构简单，安装方便，控制精度高等优点。 图2 1 t 电动缸 在机器人j 豆, i e b 运动的两个极限位置如图2 9 所示，这是机器人在模拟步态时的最大 摆动鞋：围。在c a d 二维设计软件中测得大腿杆转动范围为4 9 8 。，小腿杆转动范围为 5 4 3 0 ，均符合设计要求。 图2 9 机器人运动极限位置 1 4 第2 章下肢外骨骼助力机器人整体：方案设计 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 葺i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 2 3 3 瞬心轨迹计算 图2 1 0 瞬心轨迹分析 如图2 1 0 所示，大腿连杆与a d 杆固连，小腿连与b c 杆固连。设a b = t , m m ，b c = z 2 m n a ， c d = 1 3 m l n ，d a = 1 4 m m 。初始角度分别有z c = o r l ，b = a ：4 ，刨= a 3 ，z d = o r 2 ，厶与 水平方向夹角为臼，设机构瞬心坐标为只：( x ，y ) 。确定各点坐标为：a - i , c o s ( a 。+ a ：) ， s i n a 4 ，b ( 1 2 一己c o s o 1 ，o ) ，c ( 一1 3c o s a l ，o ) ，d ( 0 ，1 3s i n a l o 设c d 杆转过任意角度0 1 后，a b 杆转过角度为0 ：，瞬心位置为坐标为只2 ( x ，y ) b 2 1 1s i n 导s i n ( o c 。一拿) + f ：一f 3c o s o c l , 2 f 1s i n 拿c 。s ( a 。一譬) 】 c ， 一，3c o s ( 0 l + 口1 ) ，如s i n a l 一毛s i n ( 0 l + a 1 ) 根据几何关系可得： 塑鼍型= t a n ( 0 。蚂) 坐警之之= t a n ( 0 2 飞) 一1 4c o s ( a l + a 2 ) 一x 7 ” 联立两式得： x r ：! ! ! ! 呈竺! 二! ! ! 呈竺! ! ! 竺! ! 竺! 竺22 t a n ( a 1 + ) 一t a n ( 0 2 一a 4 ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 哈尔溟工程大学帧士字位论文 i i ；i ；i i i ；高；i i i ；j i i ；i ；i i i i i ；i ；i i i i ；i ；i 暑i ；i i i ；i i ；i i i i i ；i ；i i 昌 y 7 = 如s i n a l + x t a n ( o l + 仅1 ) ( 2 一4 ) 由l b c = 名c ，得： ( 一) 2 + ( 虼一) 2 = ( ，一x c ，) 2 + ( 儿一，) 2 ( 2 5 ) 整理得： 厶s i n a l - 毛s i n ( a 。+ 0 1 ) 一2 l is i no _ 1 z c 。s ( 冬一a 。) i 磊石面甄匿淼刮呱旷 q 石 最后解得o l 与色的关系式为： 0 2 ：2 - a r c c o t 墅业2 粤呐 ( 2 - 7 ) 1 3c o s ( 0 1 + 仅1 ) + 1 2 一厶c o s a l 。 2 3 4 膝关节优化设计及分析 正常人体下肢进行稳定步态运动的条件是膝关节中心能够达到下肢稳定区和 弯膝区的共同区域一随控区内【3 9 1 ，这就要求髋关节提供一定的肌肉力矩。单轴膝关 节机桩是一种简单的绕定轴转动的运动副，它只适用于下肢具有一定运动能：匀的人 群。但正常人体步行过程中，膝关节屈曲运动实际上并不是一个简单的绕定轴转动 的过程，其实际转动中心轨迹是一条曲线，当人正常行走时，人体膝关节瞬时旋转 中心( i n s t a n tc e n t r eo f r o t a t i o n ，i c r ) 的轨迹接近“j ”形，如图2 1 1 所示。因此， 在对债生膝关节进行设计时，应通过合理的机构形式设计和正确的计算，确定结构 方案，使其尽量与人体运动时的i c r 运动曲线拟合。 l2 搭 图2 11 人体膝关节运动轨迹 1 6 第2 苹f 肢外骨骼助力机器人整体方案设计 暑i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 苗i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i 根据目前的研究状况，对多轴膝关节结构设计多采用四连杆机构。这种机构既 能够模拟膝关节的基本功能，并且具有结构简单、制造容易和具有较长使用寿命等 优点。相比与单轴膝关节，4 b a r 膝关节能够在相同的膝关节屈曲角度时，具有更好 的离地高度【4 0 。4 2 1 ，因此，4 - b a r 膝关节具有较好的越障能力，并能起到一定的缓冲作 用。将其与单轴膝关节摆动时进行对比，如图2 1 2 所示。 图2 1 2 摆动离地高度对比 如图2 1 3 所示，大腿连杆与a d 杆n k g ，小腿连与b c 杆固连。设a b ：l m m ， b c = z 2 1 t i m ，c d = z 3 m l t l ，d a = 1 4 m m 。d a 杆与水平方向夹角为俄( 已知) ，d c 杆与水平 方向夹角为p 。，a b 杆与水平方向夹角为压，结构角y 为b c 杆与水平方向夹角。 c 图2 1 3 四杆机构坐标系 1 7 x 哈尔滨工程大学硕士学位论文 根瞎各点坐标关系有： 己c o s 屈+ 1 4c o s 成= 乞c o s y + ，1c o s 3 1 ( 2 - 8 ) 乇s i n 压+ 厶s i n 成= 1 2s i n 7 + s i n 展 ( 2 - 9 ) 将两式联立得： p 一，；+ 学+ 日+ 2 t 4c o s ( 3 3 一卢。) - 2 l j lc o s ( 3 3 - f 1 1 ) - 2 1 1 1 4c o s ( 3 4 一屈) = ：0 ( 2 ：一1 0 ) 设计变量取x = ( x l ，x 2 ，黾，x 4 ，x 5 ) 丁= ( 厶，1 2 ，如，1 4 ，) ，) r 确定目标函数为： m i n e ： c l 窆肛了万+ 厄而 ( 2 - 1 1 ) 式中：m 一采样点个数，此处m 取1 1 ； x p 一理想瞬心横坐标值； 一理想瞬心纵坐标值； c l ，c 2 一加权系数； _ ：一实际瞬心横坐标； 儿：实际瞬心纵坐标。 膝关节运动不同角度时，理想瞬心坐标对应值1 4 3 1 7 1 1 表2 2 所示。 表2 2 膝关节理想瞬心坐标值 理想瞬心坐标值 膝关节屈曲角度 ( 。) x p m m yp | 撇 000 1 03 14 7 2 0 3 l 8 7 3 02 61 0 7 4 02 11 1 8 5 01 8 1 2 4 6 01 61 2 7 7 01 41 2 9 8 01 21 3 0 9 01 11 3 1 1 0 0 9 1 3 2 当四杆膝关节运动时，由b c 杆带动c d 杆和a b 杆运动，此机构为双摇杆机构。 由连杆机构运动学可知，与最短杆相对的构件为机架，i i i b c 为机架，则a d 为最短 杆，且要求最短杆与最长杆长度之和小于或者等于其他两杆长度之和。所以，该机 1 8 第2 章下肢外骨骼助力机器人整体：方案设计 构的运动学约束条件为： ，厶 乞， 如 厶+ l l 乞+ ，3 厶+ 如l l + 毛 么+ 1 3 + 2 ，m i n k 。 取，m i 。= 3 0 m m ，k 。= 6 0 m m 。使用m a t l a b 最优化工具箱中的f m i n c o n ( ) 函数进行 最优化设计，得到优化结果为= 5 9 5 m m ，乞= 4 6 1 m m 、，3 = 4 5 5 m m ，4 = 3 2 1 m m ， y = o 4 6 2 5 r a d 。根据优化结果，对多轴四杆膝关节在p r o e 中建立三维简图，如图2 1 4 所 示。连接处均销轴连接。 销轴 后连杆 大腿连杆 前连杆 小腿连杆 图2 1 4 四杆膝关节三维图 在p r o e 机构分析模块中，设置伺服电机各项系数，a d 杆与大腿杆固连，没有 相对转动，运动速度设为1 0 。s ，运动时间为1 0 秒，得到c 、b 两点的坐标变化曲线 如图2 1 5 所示。 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 缮s 铺 鬻霪 黧 鬃 i 鞭錾 l 鹈囊 i 鞠鞠l 瓣瓣l l 鳓5 “粕 蠢 i 鼙 i # j d n li 摹峙年 笺i 主薹鬻藉篱鬻，i 藕