可穿戴辅助机械腿结构设计与分析

可穿戴辅助机械腿结构设计与分析张启0116162141绪论1.1课题背景20世纪最伟大的发明之一，也是最有可能改变未来的机器人技术，20世纪60年代首次问世，经过半个世纪的发展，取得了巨大的进展。这是一门体现了机械工程，电子工程，计算机技术，人工智能和其他成果领域相结合的机电一体化学科，是当今科学技术开发的核心领域之一。目前机器人产业在农业、军事、医疗及其他领域被广泛使用，机器人在复杂危险的环境中完成许多工作，为人们提供前所未有的便利及安全。在医学领域，机器人的应用非常普遍；无论是医学诊疗、康复等领域，都随处可见它们的身影。然而，随着社会老龄化加剧，很多老人面临行动不便的困扰；更是有一些体育爱好者在伤病造成行动不便，那么对于这些由于行动障碍而要借助药物得以恢复的人群来说，后期的康复训练也是一个很关键的部分。为了解决这一难题，康复机器人逐渐走入人们的视野，受到越来越多的人研究。可穿戴辅助机械腿是康复机器人领域的一个重要分支，它是一种可以帮助行动不便的老人或者残疾人以及一些伤病的体育爱好者在无需人员参与的情况下自理日常生活，开创了行动不便人群居家自理生活的新方向。这样可以大大减少行动不便的人的生活难题，具有广泛的应用前景。1.2课题研究的目的及意义社会越来越进步，越来越多地要求科学技术使人民受益，这增加了对残疾人康复机械设备的需求。除了最初的康复之外，在以后的阶段使用辅助医疗设备进行康复培训也非常重要。传统的康复训练是通过对单独的护理人员进行身体接触的培训，在护理人员的长期单调运动的患者的护理人员的协助下，交换和辅助药物，永久性刺激患有中枢神经系统病变的患者，逐渐恢复物理控制以进行治疗。但是传统的手动疗法要求治疗师具有很高的技能和工作强度，并且无效，昂贵且不适用于家庭。考虑到机器人作为适应长寿命和高重复性的机械系统，非常适合康复；助行器旨在帮助使用者克服自己的运动障碍，以执行自己无法执行的运动。外骨骼机器人用于各种行业，例如军事领域，可以提高士兵的承载能力和耐用性。在工业领域中，在机械工程，生产和运输，危险工作等方面的应用；在民用领域中，它可以用于需要运输重物和设备，但不能使用车辆的情况。本课题针对穿戴式机械腿的结构布局特点，给出穿戴式机械腿的结构设计方案，并对其关键部位进行强度校核，保证机械腿系统安全性和稳定性。课题意义：随着社会老龄化的恶化和残疾人群体的扩大，许多患者患有身体和运动障碍，除了药物治疗援助外，进一步康复也必不可少。对于无法接受治疗的患者，必须使用外力帮助患者恢复肢体功能。可以模仿生物学外骨骼的外骨骼机器人是一种新型的机电设备。它是一种结合了人类智能和机械能的人机集成便携式设备，并且集成了多种机器人技术，例如检测，控制，信息融合和移动计算。除了诸如保护和物理支持之类的功能外，某些功能和任务也可以在用户控制下执行。可穿戴辅助机械腿机器人将特别重要。1.3可穿戴辅助机械腿的国内外研究现状外骨骼机器人是将人的智力和机械能力相结合的机器人设施，可穿戴辅助机械腿的机器人是一种外骨骼机器人，其主要功能是通过被动行走或手动康复训练来帮助患者。通过帮助患者再次站立或行走，让患者恢复一定水平的自力更生[1]。辅助机器腿通过人机交互控制步态平衡，可以帮助人类行走并增强人们的体力[2]。外骨骼机器人的概念最早是由美国通用汽车公司在上世纪60年代提出的[14]，20世纪70年代，美国麻省理工大学也开始进行研究[15]。由于当时科学技术有限，外骨骼机器人研究成果并不理想。到了21世纪，由于计算机、新材料、新能源和传感等科学技术的发展，外骨骼机器人的研究重新开始，并慢慢进入广泛研究时期[3]。外骨骼机器人最初的研究是在欧美、日本等发达国家完成的，主要用于军事领域，提高了军人的承载能力，提高了军人的步行能力，提高了军人的个别战斗能力。由于科技和医疗水平的不断提高，使外骨骼机器人与医疗领域结合起来，研究和设计出一种能够支援步行功能障碍患者进行康复，即下肢外骨骼机器人。[1]。本世纪初，美国的伯克利公司研制了第二代军人专用的外骨骼机器人ExoHiker（见图1.1）和ExoClimber（见图1.2）。ExoHiker是根据大负载、工作时间长的工作原则设计的，脚踝没有使用驱动系统，两条腿和腰部根据仿生学设计，很大程度上提高了该装备的适穿性。ExoHiker自身重量为14kg，最大负载为68kg。ExoClimber除了大负载和工作时间长的特征以外，还能迅速的上下台阶和斜坡，自身重量为22kg，最大负载为68kg。两者都佩带1磅的电池，没有负载的时候可以以4km/h的速度行走70km[12-13]。另外，它们结构轻便灵活，穿戴有很好的舒适性，一次充完电后使用时间也得到了大幅提高[3]。图1.1ExoHiker图1.2ExoClimberHybridAssistiveLeg（HAL）（见图1.3）是日本赛博公司开发的一种可穿戴式下肢外骨骼机器人，于2008年上市，2013年获得全球安全认证和批量生产。HAL自身重量为23kg，下肢动力装置位于髋、膝、踝关节，无辅助支撑，可持续160分钟。HAL固有的优点是生物识别控制系统和自控系统。生物识别控制系统模式是根据人体动态生成的生物前卫信号和传感器计算下关节力矩的关键，并根据使用者的移动意图判断外骨骼的移动。自动控制系统模式使用计算机存储动作模式完成记忆辅助动作并记忆这些动作[4]。新西兰RexBionics公司研发的可穿戴下肢外骨骼机器人Rex（见图1.4）主要是为低端的紧弛和麻痹较少的患者设计的。该装置质量为39kg，由10个电机为外骨骼髋、膝、踝关节提供传动能力。为保证长时间使用，运用充电和可替换电池这2种方式供电，使用时长可达2h。为配合轮椅的使用，腰部周围设置了操纵杆扶手，使用者可以不用借助助推器慢慢移动[4]。图1.3HAL图1.4Rex2012年底，以色列ReWalkRobotics（RWLK）公司发明的可穿戴辅助机械腿ReWalk（见图1.5）得到了欧盟的CE认证，2014年中旬通过美国FDA（FoodandDrugAdministration）认证，成为第一批用于医疗的外骨骼机器人。ReWalk主要针对脊髓损伤患者，重量为20公斤，高度和宽度可调节。关节和膝盖关节是用独立发动机控制的，脚踝关节被弹簧辅助手动运动控制。下身外骨骼通过绳索与穿戴者相连，工作时便携式电脑控制系统可根据体声感觉技术和手腕感知技术判断人体信息，同时判断外骨骼机器人的行走和速度。改善与人体的运动调节，帮助穿着者完成康复训练[4]。2016年，韩国汽车集团在国际消费电子展会上展示了可穿戴辅助机械腿—HUMA（见图1.6）。HUMA本来是以H系列穿戴机器人为基础的升级版本，最少支持40kg的重量和最大12km/h的移动速度。可穿戴机器人除可用于康复医药品外，还可帮助工人及室外劳动者运输重量。韩国现代汽车集团目前正在努力开发与“钢铁侠”相似外观的可穿戴机器人，由此可以提高使用者几百公斤的承重能力。机器人可以包裹大多数装备者的腿部，而上肢必须用大背包大小的钢铁结构来捆绑。佩戴者可以通过手上的操纵杆控制铁骨结构的上肢[3]。图1.5ReWalk图1.6HUMA可穿戴辅助机械腿结构设计与分析在中国，随着外骨骼康复训练系统的开发比西方国家慢，高龄化社会的问题加剧，对外骨骼康复训练系统的开发也越来越关注[5]，中国的外骨骼机器人研究起步较晚，大多处于研究阶段，与实际应用阶段还相差很远[3]。进入21世纪以来，中国科学院合肥智能机械研究所开始了可穿戴外骨骼机械腿设备的研究工作，并取得了初步成果。外骨骼机械腿结构的设计与实现与人体相似。两腿共有10个自由度，即髋关节每侧3个自由度，膝关节每侧1个自由度，踝关节每侧1个自由度[7]。整个设备也是电池供电的。通过在外骨骼机械腿上建立一个传感器网络，以获得人体的运动意图，使用提供自由度的伺服电机驱动腿关节运动。它最初有一个简单的人体关节协调运动[6]。2015年第9届全国残疾人奥林匹克运动会开幕式上公开的ADER外骨骼由电子科技大学设计和实现，分别由磁盘电机驱动。青年穿着它，在拐杖的帮助下独立走了几米[7-8]。上海大学的机械机械机械工学和自动化学校设计了4个可自由使用的外骨骼机械腿套，机械腿的各方面有2个自由度，即各骨髓关节和膝盖各有1个开口，即弯曲和扩展自由度，这4自由度采用由电气缸驱动的移动模式[9]。北京理工大学深入研究了外骨骼机器人的负重支撑机制、步行感知技术及后续控制方法，并提出了对外骨骼人类机械系统的均衡稳定性进行评价的方法和以地面半力为基础进行适应性评价的方法。北京理工大学开发了支持下体重量的外骨骼的第三代原型。股关节及膝盖关节的弯曲及扩张由液压式驱动，由2个锂电池驱动，搬运45kg重物体时，1小时内可以4km/h的速度运行。在合理的的承重条件下，机器人可以走楼梯、倾斜面、草地等[10]。北京大艾机器人科技有限公司于2018年推出了可穿戴辅助机械腿Ailegs艾动[11]。Ailegs机器人的设计主要是为脊髓损伤、骨髓炎、脑损伤、脑瘫、脑溢血、偏麻痹、骨及关节手术后恢复运动和软化患者设计的。这个外骨骼机器人用电动马达驱动关节和膝关节，支持和驱动患者的四肢运动，使用拐杖保持平衡，保持天然步行训练和实际步行模式，运动能力和走路肌肉神经的均衡。该装置的背部、大腿及小腿的长度有宽大的调整范围、便捷的调整及准确的尺寸，适合各种不同的身高患者快速适应。小而轻，便于携带，完善的控制系统，适合不同病人的不同步调和不同类型疾病的步行训练，以适应不同病人的个别康复要求[4]。1.4本课题的主要内容（1）深入研究和学习人体运动学，尤其是下肢骨骼的运动方式，得出下肢随动外骨骼机构模型，为设计可穿戴辅助机械腿结构做好理论准备。（2）根据腿部形态尺寸，确定可穿戴机械腿的连杆尺寸；从下肢骨骼机构模型得出可穿戴辅助机械腿结构的关节个数及关节类型，从而设计出可穿戴机械腿的整体结构。（3）对可穿戴辅助机械腿结构进行三维零件造型和模型整体装配，并对其中的关键结构进行强度校核，保证该机械腿机构的可靠性。（4）按照要求撰写毕业论文及绘制相关图纸。（5）完成一篇相关文献的翻译。本次毕业设计中，拟解决的问题在于：（1）基于分析人体腿部结构的特点及运动机能，依据结构、仿生和功能仿生原则，建立其结构模型。（2）利用三维造型软件SolidWorks（或UG）建立可穿戴辅助机械腿的三维仿真模型。（3）对关键零件三维结构模型进行强度校核，保证该机械腿机构的可靠性。1.5本课题的研究方法通过设计并计算可穿戴辅助机械腿的结构，使它能够完成模拟人体腿部结构的运动。首先查阅文献资料，从文献资料中掌握一些关于可穿戴辅助机械腿的基本知识，如工作原理和相关设计原则，从而确定研究方案。然后利用仿生学原理人体腿部的生理构造特点来进行结构设计，定出各零部件的尺寸形状，制作可穿戴辅助机械腿的装配图和零件图。研究方法主要采用系统化设计方法：（1）根据可穿戴辅助机械腿的功能和结构，拟定可穿戴辅助机械腿的整体设计方案；（2）初步确定可穿戴辅助机械腿的整体尺寸；（3）对机器人进行尺寸计算与校核。本设计主要通过人体腿部结构的步态运动，结合高等代数、机械原理，机械设计等相关知识以及利用互联网资源对可穿戴辅助机械腿进行合理的分析与设计。可穿戴辅助机械腿的机构系统主要包括机器人腿部件的布局、腿部件的结构形式、关节的运动形式等，而其中关节的运动形式是可穿戴辅助机械腿的重要组成部分，是机械、机构设计的关键之一[22]。因此，从某种意义上说，对可穿戴辅助机械腿的分析主要集中在对其关节的分析。因此对可穿戴辅助机械腿的基本要求可以归纳为：（1）实现运动的要求；（2）结构实现和方便控制的要求；（3）机械结构的强度要符合要求。2可穿戴辅助机械腿传动方案设计2.1传动方案的选择驱动系统是实现系统功能的基础[23]，它应具有小型、轻巧、快速应答、简单控制和良好的可靠性，以满足机器人携带性能和高质量的移动需求[17]。目前机器人系统中有三种常见的驱动方法：电动机驱动、液压驱动和气压驱动[28]。液压传动在大范围内具有连续调速、高驱动扭矩、单位质量输出功率大、过载保护等特点，可实现中长途自动控制。此外，它具有体积小、动态性能好、输出功率相同的特点。然而，用于辅助的液压系统体积太大，成本太高。液压油的压缩性和泄漏时有发生。对于精确的传输，误差很大，不能保证严格的固定齿轮传输。此外，在工作过程中，必须完成机械能量-压力-能量-机械能量的能量转换，多次能量转换降低了传输效率。温度对液压系统有很大的影响，不能在温度变化的环境中工作[17]。气动传动以压缩气体为工作介质，通过气体压力传递动力，其工作原理与液压传动类似，液压传动利用压缩空气驱动气缸运动。它的优点是成本低，易于控制，使用安全，没有污染和实际维护。然而，由于气体的可压缩性较高，精确控制的难度较大，只能在有限的工作位置使用，在运动过程中也难以精确控制运动速度，而且噪声大，精度低。目前有四种主要类型的电机:交流电机、直流电机、步进电机和伺服电机。电机驱动具有响应快、控制方便、运动精度高、信号提取、传输和处理方便、成本低、稳定性好、无污染等特点。交流/直流电机的控制是一个简单、迅速回应,不能用来精确控制直流电机和直流电机、步进电机可获得更精确的控制装置,但由于没有公开反馈闭环控制,因此,它不能检测输出效果，伺服电机可以弥补有缺陷的步进电机，有一种反馈检测装置，可以有效地检测输出信号的执行效果。当然，对于不同类型的发动机，价格也有很大的差异[17]。可穿戴辅助机械腿用于病人的康复，首先，它们具有更精确的可控性、更轻的重量、更小的尺寸、更高的可靠性和更容易的控制。液压传动具有可靠性好、响应快、控制方便等优点，但是比较容易泄露，造成环境的污染。由于噪声大、检测精度低、可靠性差，气动传动不适合高精度的控制。电机驱动中的伺服电机和步进电机具有可调精度高等特点，是一种更合适的驱动方法。2.2可穿戴辅助机械腿关节转矩的计算每个关节的动态参数要求是选择每个关节的驱动元件和传动元件的重要依据[25]。由机器人动力学方面的知识可知，机器人动力学方程具有如下形式：（2.1）：关节位置向量，：关节速度向量，：关节加速度向量，M：惯性张量，C：与哥氏加速度和向心加速度有关的量，F：与粘性摩擦和库仑摩擦有关的量（还与关节转角位置有关），G：惯性负载，Q：广义力向量。在设计时，机器人的动态参数有两种主要的计算方法:一种是静态法，另一种是动态法[25]。对于低速机械，由于惯性力的作用，移动部件的动载荷不大，即上述公式中C项的影响很小，可以忽略，摩擦力因子也可以忽略。这种设计不考虑动态荷载，只考虑静力荷载，称为静力设计。对于高速运动，由于其高动载荷，C项的影响非常大，经常超过其他静载荷，因此不能忽视，粘性摩擦也必须考虑在内，这包括静态和动态荷载的计算，就是所谓的动力学计算[26]。本次设计过程中机械臂的运动速度不高，关节扭矩由静载荷法确定，然后乘以适当的安全系数，以确保机械臂的安全运行。为了估计每个关节所需的扭矩，假设每个链路的重量集中在链路的中心，并根据设计部件的图纸估计每个连杆的重量。关节的最终扭矩由重力载荷组成。计算方法如下：2.2.1关节一关节一：受到负载、关节六、连杆五、关节五、连杆四、关节四、连杆三、关节三、连杆二、关节二重力产生的扭矩。在的基础上稍有放大即可，估算得：由于杆重都是估算，还有重心位置也是估算而得，所以存在一些误差，而且没有考虑动力学项，所以在实际设计时应该比求得的力矩大上50%的余量，后面关节同理。2.2.2关节二关节二：受到负载、关节六、连杆五、关节五、连杆四、关节四、连杆三、关节三、连杆二重力产生的扭矩。估算如下：2.2.3关节三关节三：该关节绕水平轴作旋转运动，故其力矩大小主与由负载和机械腿的质量偏心位置和角加速度有关，假设角加速度大小为2。估算如下：2.2.4关节四受到负载、关节六、连杆五、关节五、连杆四重力产生的扭矩。估算如下：2.2.5关节五受到加速度附加扭矩及摩擦力。力矩不大，依据关节六进行估算。估算其力矩为：2.2.6关节六受到末端负载重力产生的扭矩。估算如下：将以上求得的关节转矩分别乘以1.5的安全系数，得到最终设计的关节力矩，并初步确定各关节的最大转速，见下表2.1：

表2.1各关节力矩及最大转速关节力矩/N·m最大转速/r/min关节1111025.7关节21069.625.7关节329138关节4236.157.2关节51538关节610.35120.22.3减速器选型由上表可以初步选定减速器的型号：表2.2减速器选型表关节减速器型号最大允许扭矩（N·m）减速比最大转速/r/min质量/kg关节1RV-160N1300813022.1关节2RV-160N1300813022.1关节3RV-42N30741406.3关节4RV-42N27141606.3关节5RV-6E5431402.5关节6HPGP-141551210.422.4电机选型电机的力矩等于设计的关节力矩除以减速比和减速效率。注意：电机的最大转速为关节的最大设计转速乘以减速比取减速效率为60%，得各关节电机所需的力矩和最大功率如表2.3所示：表2.3各关节电机所需的力矩和最大功率关节电机所需力矩/N·m电机所需最大功率/kW关节122.844.98关节222.014.80关节311.831.93关节49.602.36关节50.810.10关节63.450.22最终选得到电机型号如表2.4所示：表2.4电机选型表关节电机型号额定功率/kW额定转矩/N·m最大转速/r/min转子转动惯量/10^-4kg*m^2质量/kg关节1MDMF502L1C5523.9300058.215.6关节2MDMF502L1C5523.9300058.215.6关节3MDMF302L1C5314.3300018.69.3关节4MDMF302L1C5314.3300018.69.3关节5MSMF042L1A2M0.41.2760000.271.2关节6MGMF092L1C50.855.413000电机发热校核对于连续运行和恒载电机，负载扭矩必须在整个速度范围内的额定扭矩范围内。长期连续运行并定期在发动机负荷条件下加热条件变量，按等效原理的发动机，发动机扭矩的均方根值在一个工作周期所需的工作量，即同等扭矩，并使这种持续低于额定扭矩值，所以可以确定发动机型号和规格。由于在上述发动机的初步选择中，假设发动机在最大负荷下连续运行，因此可以认为相应选择的发动机必须满足加热要求，因此这里不需要特殊的计算。2.6本章小结本章介绍了可穿戴辅助机械腿设计工作的起始准备，也为下一章做了很好的铺垫。本章主要介绍了可穿戴辅助机械腿传动方案的选择，对比了工业常用的三种传动方式，通过分析它们各自的优缺点，最后确定可穿戴辅助机械腿的传动方式为伺服电机传动。根据伺服电机传动的方式，通过关节转矩计算以及电机和减速器之间的公式换算，初步确定了减速器和电机型号，为后面的尺寸结构设计做了很好的保障。3可穿戴辅助机械腿的结构设计3.1人体腿部生物原型介绍3.1.1人体腿部运动原理本文所介绍的可穿戴辅助机械腿的结构设计按照拟人化的设计准则，运用比较科学规范的人体参考系，如图3.1、3.2所示。由图可知，人体参考系可以分解为矢状面、水平面和冠状面三个平面，即分解为垂直轴、额状轴和矢状轴三个轴。图3.1人体各方向平面图3.2人体轴分类正常人的腿部运动主要取决于髋关节、膝关节和踝关节的协调运动。通过分析人体解剖实验可以看出，髋关节有三个自由度，人体的运动分别为屈伸、环旋和回旋、外展与内收，所以人体关节可采取不同的运动,如髋关节和踝关节是3个自由度，膝关节在运动过程中只有1个自由度，即只有前后的弯曲和伸展运动。这里提到的弯曲和伸展运动是指矢状面前轴关节的运动。本文所述的屈伸运动是指关节在矢状面围绕额状轴的运动，屈伸的意思是大腿向前运动为屈，向后运动为伸；围绕矢状轴的内部运动；回旋运动是指关节在水平面上绕垂直轴旋转；环旋运动是指关节围绕额状轴和矢状轴的连续旋转[7]。本文所介绍的可穿戴辅助机械腿髋关节3个自由度，膝关节1个自由度，踝关节2个自由度，这样的做法有好处也有坏处，坏处是不能完全模仿人的运动状况，但好处是控制起来更加简单[7]。3.1.2人体腿部尺寸结构表3.1GB10000-8818-60岁成年男性人体下肢主要尺寸百分位数项目151050909599身高1543158316041678175417751814大腿长413428436465496505523小腿长324338344369396403419大腿/身高0.26760.270370.271820.277110.28270.28450.2883小腿/身高0.209980.213520.214460.21990.225770.227040.23098如果作为个要实际应用到生活中的产品，应考虑不同身高，不同体型的穿戴适配特性。表1及表2分别列举了我们国家成年人体尺寸国家标准GB10000-88中，成年男性和女性的人体下肢主要尺寸。表3.2GB10000-8818-60岁成年女性人体下肢主要尺寸百分位数项目151050909599身高1449148415031570164016591697大腿长387402410438467476494小腿长300313319344370376390大腿/身高0.26760.270370.271820.277110.28270.28450.2883小腿/身高0.209980.213520.214460.21990.225770.227040.23098由表3.1和表3.2可知：对于我国成年男性和女性，人体各部位之间的尺寸与身高尺寸具有固定的比例关系。在成年人中，小腿长与人体身高之比为0.220，大腿长与人体身高之比为0.277，这些尺寸比例都是机械结构设计的基础。从前面的讨论可以得到，在我国，成年人体下肢各部位之间的尺寸与身高的比例是一个基本恒定的值。本文为了简化分析内容，我们取小腿长与人体身高之比为0.220，大腿长与人体身高之比为0.277。3.1.3人体下肢主要关节的运动特性可穿戴辅助机械腿是为移动性较低的人设计的，在确定自由度时，应考虑人体下肢关节的运动特性。运用解剖学来分析，髋关节（如图3.1所示）由股骨头与髋臼组成。从髋关节的结构可以看出：髋臼包裹着2/3的股骨头，由此可知，髋关节是球窝形关节，与球铰副十分相似，具有3自由度。屈伸运动完成人体的主要行走功能，绕垂直轴的旋内、旋外运动完成转弯功能，内收、外展运动在人体行走时起到平衡作用。这3个自由度对于人体腿部完成行走功能是不可或缺的。图3.3髋关节膝关节（如图3.4所示）是人体上最复杂的关节，由股骨、胫骨及髌骨组成。膝关节主要完成的运动为屈伸运动。在膝关节屈时，可以绕垂直轴做轻微的旋转运动。由于它的结构十分复杂，所以我们在设计时，为了降低设计以及控制的复杂性，忽略膝关节屈时，绕垂直轴的轻微旋转运动。图3.4膝关节图3.5踝关节踝关节（如图3.5所示）主要由跟骨、距骨、腓骨、胫骨等几部分组成。踝关节是足关节中对人体运动最重要的关节。其他关节对人体运动作用相对而言没有那么重要，本文就不再过多阐述。内、外踝关节及胫骨共同构成了一个“冂”状的关节窝，容纳前宽后窄的关节头。因此踝关节具有3个自由度，分别为绕冠状轴的屈伸运动，绕矢状轴微小的内收外展运动，绕垂直轴微小的内旋外旋运动。在此为了更好实现可穿戴辅助机械腿的协调运动，降低设计难度以及控制难度，设计可穿戴辅助机械腿时，只保留踝关节的2个自由度[17]。3.2可穿戴辅助机械腿模型的建立显然，可穿戴辅助机械腿对仿生学要求较高，更关注拟人化设计。因此，在设计下肢仿生关节时，应尽量考虑仿生学的要求。可穿戴辅助机械腿的整体布局、腿部设计和运动方式直接影响其灵活性，也使可穿戴辅助机械腿在复杂环境中实现灵活的运动和方便的使用。3.2.1可穿戴辅助机械腿的结构特点可穿戴辅助机械腿机械结构的基础是关节结构的设计，人体下肢的结构较为复杂，为了保证佩戴的舒适性和人机协作的灵活性，外骨骼在理论上应该复制人体关节，使二者具有相同的自由度。同时，人体行走时，关节运动主要发生在矢状面，驱动力矩大;在冠状面，关节主要保持平衡，驱动力矩小[16]。可穿戴辅助机械腿的结构设计与一般机械设计是类似的[2]:（1）从机构学的角度来说，机械腿的机械结构可以看作是一个开放的运动链，由一系列旋转(或可移动)关节的连杆连接起来。（2）一般机械设计主要是强度设计，可穿戴辅助机械腿的机械设计不仅要满足强度要求，还要考虑刚度和精度的设计。（3）可穿戴辅助机械腿的传动系统是整个设计部分的重要组成。因此，可穿戴辅助机械腿的结构设计具有机电一体化的特点。3.2.2可穿戴辅助机械腿的整体设计基于仿生结构的形态相似原则，可穿戴辅助机械腿是依据人体腿部结构特点，按照不同人群，满足部分人的需求，按照六自由度机器人的结构设计，从而开始设计可穿戴辅助机械腿的整体结构。根据受力情况与产生运动时关节转动角度的变化，可穿戴辅助机械腿整体设计如图3.2所示，主要由腰部支架、髋关节、大腿、膝关节、小腿和脚掌等部分组成。本次设计的可穿戴辅助机械腿系统采用伺服电机驱动，通过合理的结构设计实现各个关节在一定范围内的角度变化[18]。图3.6可穿戴辅助机械腿三维结构示意图拟人化可穿戴辅助机械腿可以最大限度地提高用户的行动自由和灵活性。为确保安全，避免使用机械腿时出现运动干扰等问题，可穿戴辅助机械腿以用户为设计参考。每个连杆的长度应与用户身体的相应部分基本一致。这一决定是基于一个前提，即尽量减少对用户行为的约束，使辅助机械腿能够执行类似于人类行走的功能[2]。由此，可穿戴辅助机械腿机械结构图如图3.7所示：图3.7可穿戴辅助机械腿机械结构图3.3可穿戴辅助机械腿的结构分析结合生物学特性，下肢可以从三种复杂的人体三关节行走运动模型中提取:髋关节、膝关节和踝关节。根据人体的下肢的特征和关节运动方式，髋关节3个自由度，膝关节1个自由度关节和踝关节了2个自由度[16]。基于拟人化设计思想设计的可穿戴辅助机械腿，采用仿生关节式的结构设计，空间机构中有部分运动副能较好的模拟人体下肢关节，但是考虑到空间机构控制的复杂性，本文选用的是六自由度开链机构[20]，也就是每一个自由度都有伺服驱动电机。以下就髋关节、膝关节、踝关节以及大、小腿关节结构做简单分析。3.3.1髋关节结构分析由人体生物学特性可知，髋关节可作屈、伸、外展、内缩、内旋、外旋和环转运动，具有3个自由度，空间机构中万向铰链结构完全类似于人体髋关节结构，本文中用三个平面自由度代替万向铰链机构。髋关节的设计是整个可穿戴辅助机械腿结构设计的关键与难点，用三个平面运动副代替万向铰链机构的功能，就会增加空间占用，考虑到这个问题，本次设计中就把髋关节水平面的旋转关节做了一个位置调整，由于髋关节在做水平面的旋转运动时，这个旋转关节的位置高低不会影响到这个动作的完成，因此，这个平面自由度和其他两个自由度不在同一水平面上的。髋关节三维模型图如图3.8所示：图3.8髋关节三维模型图3.3.2膝关节结构分析膝关节是人体结构中最复杂的关节，主要作屈、伸运动，在膝关节半屈位时可作小幅度的旋转运动。本文中膝关节只作屈、伸运动，因为相对而言，对于需要可穿戴辅助机械腿的人士来说，膝关节只做屈、伸运动就能满足患者的日常使用。其次，可穿戴辅助机械腿在帮助患者作康复运动时，不会影响患者膝关节作小幅度的旋转运动。膝关节三维模型图如图3.9所示：图3.9膝关节三维模型图3.3.3踝关节结构分析踝关节主要作屈、伸运动，屈时还可作轻度的内敛和外展运动，也可以进行足内翻和足外翻运动。此处简化模型结构，踝关节只能做屈、伸运动和轻度的内敛和外展运动。因为对人的行走来说，踝关节和膝关节的主要运动方式是作屈、伸运动，因此，省略一些结构也不会对机构的功能有任何影响。同髋关节一样，踝关节在水平面上的旋转运动（内敛和外展运动）也可以不用和屈、伸运动的关节在同一水平面内，因此，踝关节的结构设计同髋关节。踝关节三维模型图如图3.10所示：图3.10踝关节三维模型图3.3.4大腿、小腿结构分析考虑到不同身高的人群差别，让可穿戴辅助机械腿能够有一个很好的普遍适用性，本次腿部的结构设计中采用了如下图所示结构，就是把大腿和小腿都分为两部分，腿的上半部分和下半部分用专用螺栓连接，从而实现小腿的长度调节[27]。由于腿部在沿着腿的方向没有过大的重力作用，当需要调节时，专用螺栓可手动松紧实现腿长度调节。也在此处加有如下图所示的护具，一方面用来给人体腿部一个约束，另一方面，该设计使用了一种新型聚合物材料和一种聚酯纤维合成防护设备，其具有拉伸、韧性、舒适的触摸、良好的通风等优点。大腿三维模型图如图3.11所示，小腿三维模型图如图3.12所示：图3.11大腿三维模型图图3.12小腿三维模型图3.4本章小结这一章起初介绍了人体腿部生物原型的结构特点，着重说明了人的腿部主要关节的结构。基于人体腿部结构并采取合理的简化，来得到可穿戴辅助机械腿的结构模型，可穿戴辅助机械腿的关节设计是整体结构最重要的部分，每条腿都是一个六自由度开链结构[21]。按照拟人化的特性，整体结构使用对称分布，以人体结构为参考，在人体中心轴线处作对称分布。可穿戴辅助机械腿的结构设计也为下一章强度校核做准备，也保证了可穿戴辅助机械腿能够有效地完成拟人的运动方式，并可以在相对复杂的环境或者不同运动模式中完成运动，为之后的设计打下坚实的基础。4可穿戴辅助机械腿强度校核为了确定所设计的构件是否合理，本章对构件受力情况进行分析，通过分析得到构件的最大应力和位移，最后通过分析验证了构件的设计合理性[19]。需要指出的是，由于髋关节三个运动方向的构件所承受转矩较大，因此本次强度校核仅对髋关节的三个运动方向的构件进行强度校核。此次分析主要是使用Solidworks软件进行分析，其流程包括：模型、材料设置、添加边界条件（包括夹具设置和载荷设置）、网格划分、结果分析。4.1solidworksimulation插件的简单介绍SolidWorksSimulation是一个与SolidWorks完全集成的设计分析系统。SolidWorksSimulation提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析。SolidWorksSimulation的仿真向导，包含以下顾问向导：算例顾问、性能顾问、约束和载荷顾问、连接顾问、结果顾问。主要分析功能：（1）系统及部件级分析以FEA为例，为了实现有价值的分析，设计的几何部件会需要不同的单元类型，实体、壳、梁、杆进行离散。而且需要充分考虑装配体间的连接关系和接触关系。其中连接关系的处理尤其重要，涉及到螺栓连接、销钉连接、弹簧、点焊、轴承等非常复杂的连接关系。（2）多领域的全面分析任何一个产品设计不能仅考虑静强度，必须考虑多领域的问题，比如静强度、动强度、模态、疲劳、参数优化等。展示了在统一界面下产品的多领域分析。（3）面向设计者的多场耦合热-结构、流体-结构、多体动力学-结构等多场分析是目前分析中的一个重要发展方向，他可以解决非常复杂的工程问题。（4）特殊行业及领域的需求面对很多行业有很多特殊需求，因此需要特殊的CAE模块。例如面对压力容器，需要符合ASME标准的压力容器校核工具；面对电子和消费品领域，需要解决跌落分析的能力。（5）高级分析需求面对日益复杂的使用环境，必须考虑复合材料、材料非线性、高级机械振动、非线性动力学等高级分析的需求[24]。4.2髋关节冠状面旋转运动减速器壳体强度校核4.2.1模型如图4.1所示为要进行有限元分析的模型-髋关节冠状面旋转运动减速器壳体。图4.1髋关节冠状面旋转运动减速器壳体4.2.2材料设置这里使用铝合金7050-T73510作为髋关节冠状面旋转运动减速器壳体的材料，静力分析主要用到材料的密度、弹性模量、泊松比、屈服极限，具体参数如表4.1所示：表4.1髋关节冠状面旋转运动减速器壳体的材料属性与取值属性数值质量密度(kg/m3)2,830泊松比0.33弹性模量(N/m2)7.2e+10屈服强度(N/m2)4.35e+084.2.3夹具设置和载荷设置由于髋关节冠状面旋转运动减速器壳体受到的载荷为扭矩载荷，这里将髋关节冠状面旋转运动减速器壳体的端面4个螺纹孔进行固定几何体约束（如图4.2所示），内孔的周向螺纹孔添加1110N·m的扭矩（操作方法：添加扭矩，选择周向螺纹孔，在方向的轴、圆柱面里选择内圆面作为扭矩方向参考面），设置如图4.3所示。图4.2夹具设置图4.3载荷设置4.2.4网格划分这里使用默认的网格设置对髋关节冠状面旋转运动减速器壳体进行划分，得到网格参数如图4.4所示，节点总数23306，单元总数13973。图4.4髋关节冠状面旋转运动减速器壳体网格划分信息髋关节冠状面旋转运动减速器壳体网格如图4.5所示。图4.5髋关节冠状面旋转运动减速器壳体网格4.2.5结果分析如图4.6，4.7所示为髋关节冠状面旋转运动减速器壳体的端面4个螺纹孔进行固定几何体约束，内孔的周向螺纹孔添加1110N·m的扭矩的应力图和位移图。图4.6应力分布图图4.7位移分布图从图中可以看出最大位移位于髋关节冠状面旋转运动减速器壳体左下端位置，大小为2.596e+00mm。所受最大应力为3.567e+08N/m2，小于材料铝合金7050-T73510的屈服强度4.35e+08N/m2，故髋关节冠状面旋转运动减速器壳体满足设计要求。4.3髋关节冠状面旋转运动减速器连接件强度校核需要说明的是髋关节矢状面旋转运动减速器连接件与髋关节冠状面旋转运动减速器连接件结构相同。因此只需要按髋关节冠状面旋转运动减速器连接件即最大扭矩进行强度校核。4.3.1模型如图4.8所示为要进行有限元分析的模型-髋关节冠状面旋转运动减速器连接件。图4.8髋关节冠状面旋转运动减速器连接件4.3.2材料设置这里使用铝合金1060-H12作为髋关节冠状面旋转运动减速器连接件的材料，静力分析主要用到材料的密度、弹性模量、泊松比、屈服极限，具体参数如表4.2所示：表4.2髋关节冠状面旋转运动减速器连接件的材料属性与取值属性数值质量密度(kg/m3)2,705泊松比0.33弹性模量(N/m2)6.9e+10屈服强度(N/m2)7.5e+074.3.3夹具设置和载荷设置由于髋关节冠状面旋转运动减速器连接件受到的载荷为扭矩载荷，这里将髋关节冠状面旋转运动减速器连接件的端面4个螺纹孔进行固定几何体约束（如图4.9所示），端面的周向沉头孔添加1110N·m的扭矩（操作方法：添加扭矩，选择周向沉头孔，在方向的轴、圆柱面里选择外圆面作为扭矩方向参考面），设置如图4.10所示。图4.9夹具设置图4.10载荷设置4.3.4网格划分这里使用默认的网格设置对髋关节冠状面旋转运动减速器连接件进行划分，得到网格参数如图4.11所示，节点总数94656，单元总数62450。图4.11髋关节冠状面旋转运动减速器连接件网格划分信息髋关节冠状面旋转运动减速器连接件网格如图4.12所示。图4.12髋关节冠状面旋转运动减速器连接件网格4.3.5结果分析如图4.13,4.14所示为髋关节冠状面旋转运动减速器连接件的端面4个螺纹孔进行固定几何体约束，端面的周向沉头孔添加1110N·m的扭矩的应力图和位移图。图4.13应力分布图图4.14位移分布图从图中可以看出最大位移位于髋关节冠状面旋转运动减速器连接件外圆面位置，大小为8.361e-03mm。所受最大应力为3.887e+07N/m2，小于材料铝合金1060-H12的屈服强度7.5e+07N/m2，故髋关节冠状面旋转运动减速器连接件满足设计要求。4.4髋关节冠状面减速器壳体与矢状面减速器壳体连接件强度校核4.4.1模型如图4.15所示为要进行有限元分析的模型-髋关节冠状面减速器壳体与矢状面减速器壳体连接件。图4.15髋关节冠状面减速器壳体与矢状面减速器壳体连接件4.4.2材料设置这里使用钛合金钛Ti-8Mn，退火作为髋关节冠状面减速器壳体与矢状面减速器壳体连接件的材料，静力分析主要用到材料的密度、弹性模量、泊松比、屈服极限，具体参数如表4.3所示：表4.3髋关节冠状面减速器壳体与矢状面减速器壳体连接件的材料属性与取值属性数值质量密度(kg/m3)4,730泊松比0.33弹性模量(N/m2)1.15e+11屈服强度(N/m2)8.1e+084.4.3夹具设置和载荷设置由于髋关节冠状面减速器壳体与矢状面减速器壳体连接件受到的载荷为扭矩载荷，这里将髋关节冠状面减速器壳体与矢状面减速器壳体连接件的端面的4个螺纹孔进行固定几何体约束（如图4.16所示），另一端面的4个螺纹孔添加1110N·m的扭矩（操作方法：先在要添加扭矩的4个螺纹孔中间位置添加基准轴，然后添加扭矩，选择4个螺纹孔，在方向的轴、圆柱面里选择基准轴作为扭矩方向参考面），设置如图4.17所示。图4.16夹具设置图4.17载荷设置4.4.4网格划分这里使用默认的网格设置对髋关节冠状面减速器壳体与矢状面减速器壳体连接件进行划分，得到网格参数如图4.18所示，节点总数18576，单元总数10633。图4.18髋关节冠状面减速器壳体与矢状面减速器壳体连接件网格划分信息髋关节冠状面减速器壳体与矢状面减速器壳体连接件网格如图4.19所示。图4.19髋关节冠状面减速器壳体与矢状面减速器壳体连接件网格4.4.5结果分析如图4.20,4.21所示为髋关节冠状面减速器壳体与矢状面减速器壳体连接件的端面4个螺纹孔进行固定几何体约束，另一端面的4个螺纹孔添加1110N·m的扭矩的应力图和位移图。图4.20应力分布图图4.21位移分布图从图中可以看出最大位移位于髋关节冠状面减速器壳体与矢状面减速器壳体连接件上方位置，大小为9.338e-01mm。所受最大应力为7.940e+08N/m2，小于材料钛合金钛Ti-8Mn的屈服强度8.1e+08N/m2，故髋关节冠状面旋转运动减速器连接件满足设计要求。4.5髋关节矢状面旋转运动减速器壳体强度校核4.5.1模型如图4.22所示为要进行有限元分析的模型-髋关节矢状面旋转运动减速器壳体。图4.22髋关节矢状面旋转运动减速器壳体4.5.2材料设置这里使用铝合金6061合金作为髋关节矢状面旋转运动减速器壳体的材料，静力分析主要用到材料的密度、弹性模量、泊松比、屈服极限，具体参数如表4.4所示：表4.4髋关节矢状面旋转运动减速器壳体的材料属性与取值属性数值质量密度(kg/m3)2,700泊松比0.33弹性模量(N/m2)6.9e+10屈服强度(N/m2)5.51485e+074.5.3夹具设置和载荷设置由于髋关节矢状面旋转运动减速器壳体受到的载荷为扭矩载荷，这里将髋关节矢状面旋转运动减速器壳体的端面的4个螺纹孔进行固定几何体约束（如图4.23所示），内孔的周向螺纹孔添加1069.6N·m的扭矩（操作方法：添加扭矩，选择周向螺纹孔，在方向的轴、圆柱面里选择内圆面作为扭矩方向参考面），设置如图4.24所示。图4.23夹具设置图4.24载荷设置4.5.4网格划分这里使用默认的网格设置对髋关节矢状面旋转运动减速器壳体进行划分，得到网格参数如图4.25所示，节点总数18576，单元总数10633。图4.25髋关节矢状面旋转运动减速器壳体网格划分信息髋关节矢状面旋转运动减速器壳体网格如图4.26所示。图4.26髋关节矢状面旋转运动减速器壳体网格4.5.5结果分析如图4.27,4.28所示为髋关节矢状面旋转运动减速器壳体的端面4个螺纹孔进行固定几何体约束，内孔的周向螺纹孔添加1069.6N·m的扭矩的应力图和位移图。图4.27应力分布图图4.28位移分布图从图中可以看出最大位移位于髋关节矢状面旋转运动减速器壳体上方位置，大小为8.517e-02mm。所受最大应力为4.690e+07N/m2，小于材料铝合金6061合金的屈服强度5.51485e+07N/m2，故髋关节冠状面旋转运动减速器连接件满足设计要求。4.6髋关节矢状面减速器壳体与髋关节水平面减速器壳体连接件强度校核4.6.1模型如图4.29所示为要进行有限元分析的模型-髋关节矢状面减速器壳体与髋关节水平面减速器壳体连接件。图4.29髋关节矢状面减速器壳体与髋关节水平面减速器壳体连接件4.6.2材料设置这里使用钛合金Ti-8Al-1Mo-1V退火薄钣(SS)作为髋关节矢状面减速器壳体与髋关节水平面减速器壳体连接件的材料，静力分析主要用到材料的密度、弹性模量、泊松比、屈服极限，具体参数如表4.5所示：表4.5髋关节矢状面减速器壳体与髋关节水平面减速器壳体连接件的材料属性与取值属性数值质量密度(kg/m3)4,370泊松比0.32弹性模量(N/m2)1.2e+11屈服强度(N/m2)9.30792e+084.6.3夹具设置和载荷设置由于髋关节矢状面减速器壳体与髋关节水平面减速器壳体连接件受到的载荷为扭矩载荷，这里将髋关节矢状面减速器壳体与髋关节水平面减速器壳体连接件的端面的4个螺纹孔进行固定几何体约束（如图4.30所示），另一端面的4个螺纹孔添加1069.6N·m的扭矩（操作方法：先在要添加扭矩的4个螺纹孔中间位置添加基准轴，然后添加扭矩，选择4个螺纹孔，在方向的轴、圆柱面里选择基准轴作为扭矩方向参考面），设置如图4.31所示。图4.30夹具设置图4.31载荷设置4.6.4网格划分这里使用默认的网格设置对髋关节矢状面减速器壳体与髋关节水平面减速器壳体连接件进行划分，得到网格参数如图4.32所示，节点总数18293，单元总数10631。图4.32髋关节矢状面减速器壳体与髋关节水平面减速器壳体连接件网格划分信息髋关节矢状面减速器壳体与髋关节水平面减速器壳体连接件网格如图4.33所示。图4.33髋关节矢状面减速器壳体与髋关节水平面减速器壳体连接件网格4.6.5结果分析如图4.34,4.35所示为髋关节矢状面减速器壳体与髋关节水平面减速器壳体连接件的端面4个螺纹孔进行固定几何体约束，另一端面的4个螺纹孔添加1069.6N·m的扭矩的应力图和位移图。图4.34应力分布图图4.35位移分布图从图中可以看出最大位移位于髋关节矢状面减速器壳体与髋关节水平面减速器壳体连接件前方位置，大小为1.288e+00mm。所受最大应力为7.492e+08N/m2，小于材料钛合金Ti-8Al-1Mo-1V退火薄钣(SS)的屈服强度9.30792e+08N/m2，故髋关节冠状面旋转运动减速器连接件满足设计要求。4.7髋关节水平面旋转运动减速器壳体强度校核4.7.1模型如图4.36所示为要进行有限元分析的模型-髋关节水平面旋转运动减速器壳体。图4.36髋关节水平面旋转运动减速器壳体4.7.2材料设置这里使用铝合金6061合金作为髋关节水平面旋转运动减速器壳体的材料，静力分析主要用到材料的密度、弹性模量、泊松比、屈服极限，具体参数如表4.6所示：表4.6髋关节水平面旋转运动减速器壳体的材料属性与取值属性数值质量密度(kg/m3)2,700泊松比0.33弹性模量(N/m2)6.9e+10屈服强度(N/m2)5.51485e+074.7.3夹具设置和载荷设置由于髋关节水平面旋转运动减速器壳体受到的载荷为扭矩载荷，这里将髋关节水平面旋转运动减速器壳体的端面的4个螺纹孔进行固定几何体约束（如图4.37所示），内孔的周向螺纹孔添加291N·m的扭矩（操作方法：添加扭矩，选择周向螺纹孔，在方向的轴、圆柱面里选择内圆面作为扭矩方向参考面），设置如图4.38所示。图4.37夹具设置图4.38载荷设置4.7.4网格划分这里使用默认的网格设置对髋关节水平面旋转运动减速器壳体进行划分，得到网格参数如图4.39所示，节点总数34410，单元总数21673。图4.39髋关节水平面旋转运动减速器壳体网格划分信息髋关节水平面旋转运动减速器壳体网格如图4.40所示。图4.40髋关节水平面旋转运动减速器壳体网格4.7.5结果分析如图4.41,4.42所示为髋关节水平面旋转运动减速器壳体的端面4个螺纹孔进行固定几何体约束，内孔的周向螺纹孔添加291N·m的扭矩的应力图和位移图。图4.41应力分布图图4.42位移分布图从图中可以看出最大位移位于髋关节水平面旋转运动减速器壳体下方位置，大小为2.390e-02mm。所受最大应力为3.237e+07N/m2，小于材料铝合金6061合金的屈服强度5.51485e+07N/m2，故髋关节冠状面旋转运动减速器连接件满足设计要求。4.8本章小结基于人体腿部生物原型，以及其结构特点和运动特点设计得到可穿戴辅助机械腿结构，采用UG三维建模软件来设计可穿戴辅助机械腿的结构特征和外形尺寸，本章利用solidwork三维建模仿真软件的solidworksimulation模块对可穿戴辅助机械腿做强度校核，即有限元分析的静应力分析，对可穿戴辅助机械腿关节零件结构做强度校核，以保证可穿戴辅助机械腿的安全性与可靠性。根据对可穿戴辅助机械腿的各个关键零件做出的有限元分析结果可以得到，本次设计中，各零件结构满足本次设计的功能要求，结构模型设计较为合理。5结论与展望5.1作者的工作在本次设计中，主要的研究工作都是集中在可穿戴辅助机械腿的结构设计和强度校核这两方面上，在这中间也穿插着一些对于可穿戴辅助机械腿的仿生和传动计算分析。首先阐述了可穿戴辅助机械腿的国内外的发展现状及研究成果，搜集国内外可穿戴辅助机械腿的相关资料，通过分析并理解，以及结合学期内所做的六自由度机器人设计，总结出可穿戴辅助机械腿的结构设计方法和思路。主要针对六自由度机器人传动方案的设计计算，以及机械结构的设计和一些关节零件的强度校核，来模仿设计出具有拟人特性的可穿戴辅助机械腿。在传动方案设计方面，可穿戴辅助机械腿采用伺服电机驱动。通过对关节所受力矩的估计计算，得可穿戴辅助机械腿六个旋转关节所受力距，进而根据减速器选型表来得到初步减减速器型号，再通过减速器数据，以及结合减速器和电机的适配关系，通过计算得到可穿戴辅助机械腿的驱动电机型号。在结构设计方面，可穿戴辅助机械腿是基于人体腿部生物结构原型进行设计的，可穿戴辅助机械腿的运动方式是由整体的机械结构、自由度数和驱动方式等直接影响。三维模型设计的质量好坏会影响到可穿戴辅助机械腿的整体结构的稳定性和可靠性，进而就会影响到可穿戴辅助机械腿的运动特征、工作状态以及制造成本。基于人体腿部生物结构原型，发现可穿戴辅助机械腿的自由度分配是机械结构设计的重中之重，本文中所涉及的可穿戴辅助机械腿髋关节有三个自由度，由三个转动关节组成，即髋关节矢状面旋转运动关节、髋关节冠状面旋转运动关节以及髋关节水平面旋转运动关节，通过对人体腿部结构特点的分析，并且在可穿戴辅助机械腿设计的过程中经过合理的简化，可穿戴辅助机械腿膝关节一个自由度，踝关节两个自由度，在此自由度分配结果的基础上，得到了可穿戴辅助机械腿的实体结构。根据其运动时的理论效果，可以想办法来优化可穿戴辅助机械腿的部件结构，此时，可以利用到UG三维制图软件来建立可穿戴辅助机械腿的整体机械结构模型。在最后的强度校核阶段，使用SolidworksSimulation模块完成三维模型中关键零件模型的静应力分析工作，实现强度校核。随之，就可以得到静应力分析数据，如零件静应力分析的应力图、位移图等各类数据。从对个关键零件的强度校核数据中得出，可穿戴辅助机械腿的结构设计是比较合理的，也是符合设计要求。总结而言，主要工作如下：（1）通过网络，书籍以及文献等资料，对可穿戴辅助机械腿进行了一定的了解，也得到了设计的基本思路，并根据具体要求进行一定程度的思考和设计。（2）确定可穿戴辅助机械腿的传动方案，包括：可穿戴辅助机械腿关节转矩的计算、关节传动减速器的选型、关节传动电机的选型。（3）确定可穿戴辅助机械腿的结构设计，包括：机构的自由度分配、可穿戴辅助机械腿的本体设计。（4）对可穿戴辅助机械腿的关键部件进行强度校核，根据强度校核所得出的数据可以看出，本次可穿戴辅助机械腿结构设计能满足设计要求。5.2展望我国在可穿戴辅助机械腿领域已经取得了很大的突破和成果，现有的康复医疗机器人技术也在不断地完善，但是我国的康复医疗机器人的研究和发展还有很长的路要走，为了更好地满足人们对可穿戴辅助机械腿的需求，未来发展的方向应该有以下几方面的突破。（1）高强度高弹性轻质材料。就像本次设