穿戴式机械腿机构的设计
下肢可穿戴外骨骼机器人仿人机构设计与运动控制研究中期报告
下肢可穿戴外骨骼机器人仿人机构设计与运动控制
研究中期报告
该项目旨在设计并实现一种下肢可穿戴外骨骼机器人，以帮助身体机能受损者恢复日常活动功能。
本中期报告主要介绍了仿人机构设计和运动控制方案的研究进展。
1. 仿人机构设计
在设计仿人机构时，考虑到外骨骼需要具备与人体肢体相似的结构和运动自由度，我们选择了仿照人体肢体结构进行设计。
具体来说，我们将下肢分为大腿、小腿和足部三个部分，分别设计三段联动式机构，并将它们串联起来。
大腿段采用灵活的万向节结构，小腿段采用滑轨式机构，足部部分采用弹性连接的结构，这样可以实现足部在不同地面角度下的自适应。
2. 运动控制方案
在运动控制方案方面，我们提出了基于位置反馈的控制方法，即通过腿部关节传感器获取腿部的实际位置和姿态信息，然后控制电机使外骨骼机器人跟随人体肢体的运动。
这种控制方法可以较好地模拟人体肢体的运动，并且可以根据用户的需要进行调整和优化。
为了验证以上设计方案的有效性，我们进行了有限元仿真和实际机器人验证实验。
有限元仿真结果表明，设计的外骨骼机器人具有稳定的结构和运动性能。
实际机器人验证也表明，该外骨骼机器人可以实现与人体肢体相似的运动模式，并能够部分帮助身体机能受损者恢复下肢活动功能。
3. 难点和下一步工作
在实验过程中，我们发现外骨骼机器人的重量和动力系统的控制是目前的主要难点。
解决这些难点需要我们进一步优化设计并使用更加高效的控制算法。
下一步，我们将进行更加深入的仿真和实验，优化机器人的外形、重量和运动控制算法，以达到更好的恢复人体下肢活动功能的效果。
机械毕业设计472穿戴式机械腿机构设计论文正文
第一章绪论1.1研究背景我国已经进入老龄化社会，老龄化问题逐渐得到关注。
《2009年度中国老龄事业发展统计公报》称，2009年我国60岁及以上老年人口己达到1.6714亿，占总人口的12.5%;到2015年我国60岁及以上老年人口将达到2.16亿，约占总人口的16.7%。
在老龄人群中有大量的脑血管疾病或者神经系统疾病患者，其中以脑卒中患者居多，而这类患者多数会留下偏瘫等症状。
另外，近十年来我国各类交通运输工具的保有量迅速增长，因交通事故造成身体损伤的人数每年超过30万人。
据统计，我国目前有8296万残疾人，有康复需求的接近5000万，每年因车祸、疾病等原因新增的残疾人数量达100多万。
医学理论和临床医学证明，这类患者除了早期的手术治疗和必要的药物治疗外，正确的、科学的康复训练对于肢体运动功能的恢复和提高起到非常重要的作用。
由于脑的可塑性，医学上通常是通过重复的、特定任务的训练让患者进行足够的重复性活动，从而使重组中的大脑皮质通过深刻的体验来学习和储存正确的运动模式。
减重活动平板步行训练的治疗方法就是基于上述原理对患者进行训练并且取得了良好的临床效果，成为下肢康复医疗采用的主要方法。
训练采用悬吊式减重器和活动平板(医用跑步机)配合工作来协助患者完成步行动作。
其悬吊装置可以不同程度地减少患者上身体重对下肢的负荷，患者在康复治疗师的帮助下借助于运动平板进行康复训练。
训练过程中一般需要两名治疗师相互协调，一名治疗师在患者侧面帮助并促进患者侧下肢摆动，确定脚跟先着地，防止出现膝关节过伸，保证两腿站立时间与步长对称;另一名治疗师站在患者身后，促进重心转移至负重腿上，保证骸屈伸、骨盆旋转和躯干直立。
减重步行训练可以获得较为理想的肢体功能恢复效果，但是这种治疗师对患者“手把手”式的训练方式存在一些问题。
首先，一名患者需要两名治疗师进行运动训练，效率低下，并且由于治疗师自身的原因，可能无法保证患者得到足够的训练强度，而且治疗效果会受到治疗师自身经验和水平的影响。
一种新型穿戴式下肢外骨骼机器人的设计
Chinese Journal of R eh a b H i t at i o n Medicine. Mar. 2019. \01. 34. No.3•康复工程•-种新型穿戴式下肢外骨骼机器人的设计”魏小东2" 喻洪流宀 孟青云小'胡冰山小 孟巧玲⑴ 曹武警⑴脑卒中及脊髓损伤造成的偏瘫利截瘫患者逐年增加,偏瘫和截瘫患者只能长期卧床或者借助轮椅进行活动,给家庭 和社会带来巨大的负担融合机器人技术、传感器技术等前 沿科技，可辅助使用者进行日常活动的穿戴式下肢外骨骼机 器人逐渐成为研究的热点E国内外学者均对穿戴式下肢外骨骼机器人做过有益的探索日本筑波大学研发的下肢外骨骼机器人HAL 采用4 个电机岖动.通过采集皮肤的肌电信号(EMG)来判断人的 运动意图，从而驱动电机带动关节运动.总重12kg 12-'1以色列RcWalk Robotics 公司研发的下肢外骨骼机器人ReWalk 也采用4个电机驱动，附加一对拐杖来保持平衡，并通过佩戴在手腕匕的控制器来选择运动模式，总重23kgHT g-dego 是美国范德堡大学研制的下肢外骨骼机器人.采用模块化设计思想.包括1个髓关节模块,2个大腿模块.2个小腿模块.外加一对拐杖用来保持行走过程中的平衡，总重12kg ”T 浙江大学杨灿军教授团队研发了气动下肢外骨骼机器人.在髓关节和膝关节加有气体嗽动e 电子科技大学 机器智能研究所研发了 ALDER 下肢外骨骼机器人.髓关节 和膝关'P 采用电机驱动，以此来帮助使用者进行日常活动，总重约20kgM 综I:所述，当前穿戴式下肢外骨骼研究多以 ffi 膝关节外力驱动，虽然可保证足够的驱动自由度，但是也导致下肢外骨骼体积、重量过大,“能源使用时间难以满足日常生活需要：因此.本研究设计出一款双电机驱动髓关 节、膝关节无动力驱动的下肢外骨骼机器人结构，在保证其性能的前提下.减轻了下肢外骨骼机器人的重量：该研究在提出的新型下肢外骨骼机器人(即髓关节电机 驱动，膝关节采用四连杆机构,气弹簧只助力坐下——站V ：姿态变化.踝膝联动的下肢外骨骼机器人)基础上，通过MATLAB 和SolidWorks 仿真进行分析验证1机械系统的设计1.1自由度设计F 肢共包含14个自由度(单腿7个自由度).包括髓关节的屈曲伸展、内收外展和内旋外旋.膝关节的屈曲伸展，踝关节的跖屈背屈、内翻外翻和旋内旋外何。
可穿戴式助残机械腿的结构设计与分析
0 引言
社会日益进步，科技造福人民的呼声也越来越高，对于助 残康复机械装置，国内外正在进行各层次的研究。据报道，美 国仿生学实验室研发的一款助残机械外骨骼，截瘫患者可在 它的帮助下独立活动4 h，行走速度可达1.1英里/h，售价为4万 美元。虽然助残康复机械价格已有下降，但高端产品的价格对 于普通残疾偏瘫患者来说依旧难以承担，而符合人们心理价 位的助残机械，大多数功能不够完善，自由度与舒适度也得不 到满足。鉴于此，我们在借鉴前人设计、吸取经验教训的基础 上进行改善，设计了一款可穿戴式助残康复机械腿。
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设计与分析◆Sheji yu Fenxi
前后两个传感器为基准，通过电机改变角度，并设置角度范 围，保证与平面的稳定接触。
助残机械腿具体结构如图2所示。
图4 踝关节路径对比图
图2 助残机械腿结构 1.3 机械腿材料选择
考虑到轻便美观以及价格与适配性，选择铝合金作为助 残康复机械腿的骨骼支架材料。铝合金质轻易加工，同时具备 一定的经济性。
Sheji yu Fenxi◆设计与分析
可穿戴式助残机械腿的结构设计与分析
孙 建 方绿茵 李 明 吴凯峰 （台州学院机械工程学院，浙江 台州 318000） 摘 要：主要对一款可穿戴式助残机械腿进行结构设计和分析。首先，通过上下楼时各关节的力矩分析以及大腿和支撑拐杖的轨迹 分析确定结构方案；然后，对各关节的能量消耗进行仿真分析；最后，通过对助残机械腿和健康腿各关节路径进行对比分析，并试制样 机，验证了结构的合理性。 关键词：可穿戴；助残；机械腿；结构设计；仿真分析
图3 各关节能量消耗图 由图3可知，各关节的消耗在行进过程中基本保持在较低 水平，结合实际可知该机械腿可以正常工作。 2.2 行进时助残机械腿的关节轨迹分析 在行进过程中助残机械腿与健康腿各个关节路径角度变 化对比如图4～图6所示。 分析图4～图6机械腿与健康腿各关节的仿真数据可知， 健康腿的行走姿势与助残机械腿不尽相同，所有数据变化有 时会 出 现 先后 顺 序 的波 动 ，但 在 行 进 过 程 中 起 末 位 置 即 功 能 要 求 该 助 残 机 械 腿 已 经 达 到，该 机 械 腿 的 行 走 路 径 不 会 对 人 体 产 生 不 利 影 响 ，与 人 体 的 适 应 性 较 好 ，可 达 到 实 际 的 使 用 要求。
穿戴式下肢复健辅助行走装置结构优化设计
133中国设备工程Engineer ing hina C P l ant中国设备工程 2020.04 （上）脑卒中偏瘫患者康复训练的主要目标是提升其步行能力。
步行功能障碍往往是降低脑卒中患者生活质量的主要因素。
因此，近年来，许多医疗设备研发机构对于如何开发能够提升脑卒中偏瘫患者步行能力的设备做了大量研究，并取得了一定的成果。
文献[7]针对下肢外骨骼的行走过程研究中，采用了摆动模式的动态识别装置。
在符合人体工学的基础上建立动力学模型，使脑卒中偏瘫患者不仅可获得行走辅助训练，还能让下肢肌肉在辅助行走的时候正确施力，避免脑卒中偏瘫因无法正确行走而导致肌肉畸态施力。
临床研究表明，异常的运动模式对于人体运动的稳定性、安全性都会造成不利的影响。
故有必要设计一种符合人机工程学的步行训练机构。
因此，本文结合文献[10]的研究结论，设计并优化了一种减重式辅助穿戴式下肢复健辅助行走装置助行机器：为确保患者使用时保持行走的正确姿势，在设计中运动过程的时候充分考虑患者使用产品时的安全性和舒适性，从而在运动康复训练中获得安全健康且舒适的效果，1 系统机械结构设计在不同的条件下，助力下肢外骨骼的运动学模型也是不相同的。
因此，为解决该问题，采取了穿戴式复健方法，通过固定于大腿外部的大腿外骨骼，固定于小腿外部上的小腿外骨骼两部分传动装置，在中控电机带动下，可通过护腰上的吊带支撑一部分身体重量，整体系统实现辅助患者安全的进行康复运动训练。
所设计的护腰通过束带安装在训练者腰部外侧，并且内径可调。
大腿通过安装腿部外骨骼的方式实现支撑受力，将连续圆周向上支撑力作用于大腿的外骨骼部分，达到在行走中实现抬腿运动的目的；膝弯处连接护膝，通过另一部伺服电机的控制抬动小腿向前或后的圆周摆动，进而使小腿外骨骼部分实现向前迈步功能；作为向前支撑人体行走时的动力来源，通过腰部护腰上伺服电机与大腿顶端梅花连轴器相连，并通过向上拉吊带支撑人体，向下作用于训练者肩点，再通过脚底踩压弹簧的设计，使整个机械结构克服了死点位置。
可穿戴辅助机械腿结构设计与分析论文设计
目录摘要 (1)ABSTRACT (2)1 绪论 (3)1.1 课题背景 (3)1.2 课题研究的目的及意义 (3)1.3 可穿戴辅助机械腿的国内外研究现状 (4)1.4 本课题的主要内容 (8)1.5 本课题的研究方法 (8)2 可穿戴辅助机械腿传动方案设计 (9)2.1传动方案的选择 (9)2.2 可穿戴辅助机械腿关节转矩的计算 (10)2.2.1 关节一 (10)2.2.2关节二 (11)2.2.3关节三 (11)2.2.4关节四 (11)2.2.5关节五 (11)2.2.6关节六 (11)2.3减速器选型 (12)2.4电机选型 (12)2.5电机发热校核 (13)2.6本章小结 (14)3 可穿戴辅助机械腿的结构设计 (14)3.1 人体腿部生物原型介绍 (14)3.1.1人体腿部运动原理 (14)3.1.2人体腿部尺寸结构 (15)3.1.3 人体下肢主要关节的运动特性 (16)3.2 可穿戴辅助机械腿模型的建立 (17)3.2.1 可穿戴辅助机械腿的结构特点 (17)3.2.2 可穿戴辅助机械腿的整体设计 (18)3.3 可穿戴辅助机械腿的结构分析 (19)3.3.1 髋关节结构分析 (19)3.3.2 膝关节结构分析 (20)3.3.3踝关节结构分析 (20)3.3.4 大腿、小腿结构分析 (21)3.4 本章小结 (22)4 可穿戴辅助机械腿强度校核 (22)4.1 solidwork simulation插件的简单介绍 (22)4.2 髋关节冠状面旋转运动减速器壳体强度校核 (23)4.2.1模型 (23)4.2.2 材料设置 (24)4.2.3 夹具设置和载荷设置 (24)4.2.4 网格划分 (25)4.2.5 结果分析 (26)4.3 髋关节冠状面旋转运动减速器连接件强度校核 (26)4.3.1模型 (26)4.3.2 材料设置 (27)4.3.3 夹具设置和载荷设置 (27)4.3.4 网格划分 (28)4.3.5 结果分析 (29)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 (29)4.4.1模型 (29)4.4.2 材料设置 (30)4.4.3 夹具设置和载荷设置 (30)4.4.4 网格划分 (31)4.4.5 结果分析 (32)4.5 髋关节矢状面旋转运动减速器壳体强度校核 (33)4.5.1模型 (33)4.5.2 材料设置 (33)4.5.3 夹具设置和载荷设置 (33)4.5.4 网格划分 (34)4.5.5 结果分析 (35)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 (35)4.6.1模型 (35)4.6.2 材料设置 (36)4.6.3 夹具设置和载荷设置 (36)4.6.4 网格划分 (37)4.6.5 结果分析 (38)4.7 髋关节水平面旋转运动减速器壳体强度校核 (39)4.7.1模型 (39)4.7.2 材料设置 (39)4.7.3 夹具设置和载荷设置 (39)4.7.4 网格划分 (40)4.7.5 结果分析 (41)4.8 本章小结 (41)5 结论与展望 (42)5.1 作者的工作 (42)5.2 展望 (43)参考文献 (44)摘要目前，机器人技术已经是相对比较成熟的。
实习论文-穿戴式机械腿机构设计
实习论文3月11日，下午2点半，扬州大学广陵学院机械电子工程系组织一次参观实习活动，我们去的是扬州海昌粉末冶金有限公司。
扬州海昌成立于2001年1月，注册资本500万，厂房占地37亩,工厂建筑面积12000平方米。
2013年6月组建粉末注射(MIM)和齿轮箱事业部。
拥有多条标准的粉末冶金生产线，目前贵公司有国内先进的高精度机械式成形机和精整机60余台，连续式的烧结炉，高温烧结炉，蒸汽处理炉，渗碳炉，深冷设备10余台，丰富精密的检测设备：三次元，投影仪，粗糙度仪，轮廓度仪，金像分析仪等30余台。
“诚信经营，精良品质，卓越服务”是贵公司的的企业宗旨。
积极、高效、专业的人才是他们的成长基石，而同事间则是相互信任、尊重和坦诚的。
贵公司重视科技与人才，通过斥巨资购买国内外粉末冶金专业设备，同时培养吸纳一批粉末冶金的专业团队。
贵公司自成立以来，实行严密的检测手段和管理制度，于2004年1月通过ISO9001:2000认证，并在2011年10月获得了TS16949质量体系管理证书。
目前贵公司可依照 GB、 JIS 、 DIN 、 MPIF 标淮为世界500强的电动工具，汽车，家电企业配套，主要生产专业粉末冶金的各类铁基、铜基含油轴承、高强度齿轮件及各种结构等零件。
此次半天参观实习，和去年4月份去洛阳一拖实习性质差不多，我们坐校车去该贵公司，路途中，学校老师就跟我们介绍贵公司，我心中十分好奇，真想立马就到。
不到一小时，我们终于到了，迎面扑来的是高端大气上档次的厂房，我们能闻到机械原料味道和熟悉的机械工作声音，相当于导游一样的贵公司介绍人，开始带我们去参观实习。
贵公司介绍人主要带我们去看了PM生产设备，MIM生产设备，Gear-box生产设备，检测设备，Gear-box检测设备。
PM是预防维护和生产维护的总称，（1）清扫：不只是表面，要将犄角旮旯清扫干净，让设备、工装的磨损、噪音、松动、变形、渗漏等缺陷暴露出来，及时排除。
穿戴式下肢外骨骼机构分析与
7．康复机器人的设计指标、结构、零件选型2.1.2下肢康复研究进展比较有代表性的是1960 年该公司研制的“哈迪曼”，它是一款可佩戴的全身型单兵装备，其特点是使用液压驱动。
该公司第一个提出并开展的增强人体机能的主动增力型机器外骨骼研究。
由于其处于早期研究探索，这套外骨骼体积巨大且笨重，安全可靠性。
1978 年开始，麻省理工学院研究了“增强人体机能的外骨骼”，在负重方面有较大的改善，但其驱动能源及其便携性难以解决，研究进展缓慢，没有完整的成果。
1991 年，日本神奈川工科大学开发了一套独立的可穿戴助力外套使用微型气泵、便携式镍镉电池及嵌入式微处理器，系统轻巧，能提供足够助力。
2000 年，美国国防部高级研究项目局（DARPA）投资5000 万美元，计划研制一种基于外骨骼的单兵作战装置——“增强人体机能的外骨骼”(EHPA)。
从事外骨骼机器人研制项目的单位主要有加利福尼亚大学伯克利分校机器人和人体工程实验室、OakRidge 国家实验室、盐湖城人体机能研究所、SARCOS 公司、“千年喷气机”公司等共四家单位进行该项目的研究。
其中伯克利机器人和人体工程实验室研制的“伯克利下肢外骨BLEEX”(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton)最为成功。
其基本组成包括：背包式外架、助力腿、动力源、通讯与控制系统以及液压驱动装置。
图1-3 所示为装备了BLEEX外骨骼的士兵。
从结构特点来看，双下肢腿部各具有7DOF，其中髋关节3DOF，膝关节1DOF，踝关节3DOF，另外在腰带中部增加1DOF 以调整人体两下肢运动的协调，系统采用液压驱动。
目前研制的两代助力外骨骼分别为BLEEX_1 BLEEX_2。
BLEEX_1 可以负重34 公斤，以 1.3 米/秒的速度平稳行走，穿戴者的负重感仅2 公斤左右。
而BLEEX_2 负重可达到45 公斤，速度2 米/秒。
2002 年，日本筑波大学Cybernics 实验室研制了HAL 系列穿戴型助力机器人系统。
穿戴式机械腿机构设计
中文摘要本论文研究穿戴式机械腿机构。
穿戴式机械腿是一种典型的人机一体化系统，该机构是一种穿戴于人体腿部帮助有下肢乏力的患者进行康复治疗的机械结构。
本文在人-机相容性方面做了详细的分析，使本机构在较好的穿戴位形下依靠人体的运动信息控制穿戴式机器人，在运动过程中提高人机步态的一致性，达到更好的康复治疗的目的。
论文分析了国内外研究现状，了解了国内外相关研究的背景情况、研究进展和未来的发展问题，总结了下肢康复机器人研究中还存在的问题，进而确定了本文的主要研究内容及所需解决的关键问题。
本文确定了下肢康复机器人机构的自由度，对机构进行了关节布位，通过自由度的分析对人-机联接模式和约束性质进行了研究，从而确定了骨骼-机构联体模型。
在人体骨骼模型的基础上，提出了一种机构构型方案。
对人-机相容性进行了定义，分析了人-机相容性的影响因素。
在此基础上分别对人体下肢骨骼模型和这种机构构型进行了三维模型设计。
关键词:康复机器人,人-机相容性,机构设计This study discusses lower extremity rehabilitative robot. The lower extremity rehabilitative robot is a typical man-machine integrated system; it is worn on the body of a limb to help patients with physical disabilities rehabilitation of mechanical devices. In this paper, man-machine compatibility has done more analysis and with well wearing this equipment to rely on the human body configuration under the control of lower extremity rehabilitative robot motion information. It improves the consistency rehabilitation of human gait in the course of the campaign to achieve better purposes.This paper analyzes the research situation and has a research about the background of relevant research at home and abroad, progress of research and future development. Lower extremity rehabilitation robot research summarized the problems still exist, and then this article determines the main contents, and the key issues need to be resolved. This paper has identified the DOF of lower extremity rehabilitative robot and the joint distribution of digital agencies. Through the analysisin freedom this article do the research on the human-machine connection mode and the nature binding. Two programs of mechanism are proposed based on the bone一body conjoined model. The study defines the compatibility of human-machine and analyzes the compatibility factors of human-machine. On this basis, the human skeleton model and the configuration of the two agencies are conducted by the three-dimensional model design respectively.Keywords: rehabilitative robotics, man-machine compatibility, mechanism design中文摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (1)1.1研究背景 (1)1.2下肢康复机器人概况 (2)1.2.1康复机器人研究历史 (2)1.2.2下肢康复机器人分类 (3)1.3下肢康复机器人的研究现状 (5)1.3.1国外研究现状 (5)1.3.2国内研究现状.................................................................................;.. (9)1.4下肢康复机器人研究存在的问题 (11)1.5课题意义及主要研究内容 (11)第二章穿戴式机械腿机构运动分析 (13)2.1 引言 (13)2.2人体下肢生物骨骼模型 (13)2.3骨骼的运动与下肢关节 (13)第三章穿戴式机械腿机构设计 (19)3.1穿戴式机械腿设计 (19)3.1.1三维模型设计 (19)3.1.2膝关节、踝关节及脚部设计 (21)3.1.3下肢连接器 (26)3.1.4大小腿弹簧助力器及保护 (26)3.1.5下肢骸部设计 (28)3.1.6 腿部固定 (30)第四章强度校核 (31)4.1关节旋转连接器受力分析 (31)设计总结 (34)参考文献 (36)致谢 (38)第一章绪论1.1研究背景我国已经进入老龄化社会，老龄化问题逐渐得到关注。
穿戴式下肢外骨骼康复机器人机械设计
穿戴式下肢外骨骼康复机器人机械设计作者：王志鹏郭险峰来源：《科技资讯》 2012年第33期王志鹏1 郭险峰2(1.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京 100191)(2.北京积水潭医院物理康复科北京 100035)摘要:本文设计了一种用于下肢功能障碍患者康复治疗的外骨骼机器人。
根据外骨骼机器人的功能与工作原理,分析了其结构组成与设计过程中的关键问题。
并从仿生学角度为外骨骼机器人配置自由度,设定关节活动范围及连杆尺寸,对机械结构进行了初步分析与优化设计。
为进一步的研究、分析、设计工作打下了基础。
关键词:外骨骼康复仿生机械结构中图分类号:TP242 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)11(c)-0005-03The Mechanical Design of Wearable Lower Extremity Exoskeleton Rehabilitation RobotWang Zhipeng1 Guo Xianfeng2(1.School of Automation Science and Electrical Engineering, Beijinghang University, Beijing 100191；2.Physical rehabilitation department, Beijing Jishuitan Hospital, Beijing 100035)Abstract:The exoskeleton robot, used for the lower extremity dysfunction in patients with rehabilitation, was designed. Based on its function and working principle, structure and composition and the key issues in design process were analyzed. And according to bionics, the degree of freedom, the range of motion and the link size were designed,the preliminary analysis and optimization design of mechanical structures were made. It is the foundation for research, the analysis, the design for the further.Key Words:Exoskeleton;Rehabilitation;Bionics;Mechanical structures穿戴式下肢外骨骼康复机器人是一种典型的外骨骼助力装置[1],穿戴在患者下肢外部,为患者提供诸如助力、保护、身体支撑等功能,同时又融合了传感、控制、信息获取、移动计算等机器人技术,使得该机器人能在操作者的无意识控制下完成助力行走等的功能和任务,是典型人机一体化系统[2]。
穿戴式下肢负重外骨骼机械人机构设计与动力学仿真_杨凯
图2
外骨骼自由度设计实体模型
3 步行质心轨迹生成
3.1 可变 ZMP 的三维倒立摆模型
利用 D－H(Denavit－Harenberg)建模方法及 4×4 齐次变换矩阵来描述外骨骼下肢各连杆 坐标和相对空间的几何关系[5]。为合理规划下肢外骨骼的步行关节轨迹，可以将其简化为一 个图 3 所示的三维倒立摆模型， 并且让 ZMP 点在脚底着地的稳定区域内按照某种规律合理地 ，则脚的踝关节到脚的边缘的 变化。其中，取踝关节所在的位置为基准坐标系 P0=（x0, y0, z0） 距离分别为 La、 Lb、 Lc、 Ld 。 质心的位置为 Pcog=[xcog , ycog , zcog]T, 零力矩点的位置为 Pzmp=[xzmp , yzmp , 0]T。下肢外骨骼机械人在步行周期内，假设其质心的高度位置始终为 Hc；质心在竖直
()
式中，k 为 ZMP 的可变系数，且满足 0 k 1 ，当 k =0 时，ZMP 的可变范围最小，固定在 脚底的中点位置；当 k =1 时，ZMP 的可变范围最大，可以在整个脚底范围内变化。由公式(1)、 (2)经积分得到单脚支撑期的质心运动轨迹公式为：
xc xc cos t t0 t t0 cTs sin x x zmp Ts Ts
X0
图 3 三维倒立摆模型
3.2 按照余弦规律变化的 ZMP 运动轨迹
以 C.Zhu 等人提出的 ZMP 倒立摆模型生成步行轨迹方法[6]。在此研究成果基础上提出按 照余弦规律变化的可变 ZMP 方法。定义可变 ZMP 的时间函数为：
L a Lb L Lb t k cos( ) a Ts 2 2 Lc Ld Lc Ld t y zmp ( t ) k cos( ) Ts 2 2 x zmp ( t )
可穿戴式上肢康复机器人结构设计
可穿戴式上肢康复机器人结构设计
首先，可穿戴式上肢康复机器人的结构设计需要考虑到机器人与人体上肢的接触和运动自由度。
通常情况下，机器人与人体上肢通过关节连接实现接触和协同运动。
因此，机器人的关节设计需要满足机械性能和可调节性的要求。
常见的关节结构有旋转、球面和平行联动等。
在机器人与人体上肢之间设置柔性关节和弯曲传感器可以增加机器人与人体上肢的适应性和灵活性。
其次，可穿戴式上肢康复机器人的结构设计还需考虑到机器人与人体上肢的固定和稳定性。
为了保证机器人与人体上肢的接触稳定，机器人的固定结构可以采用腕带或手套等装置。
此外，机器人与人体上肢的运动稳定性也需要通过控制算法进行控制，以避免不必要的运动或碰撞。
最后，可穿戴式上肢康复机器人的结构设计还需要考虑到机器人的负载和能源供应。
机器人的负载是指机器人能够承受的最大重量，需要根据人体上肢的生理特征和康复需求进行合理设置。
机器人的能源供应可以采用电池或外部供电等方式，以确保机器人能够长时间工作而不中断。
综上所述，可穿戴式上肢康复机器人的结构设计需要兼顾机器人与人体上肢的接触和运动自由度、固定和稳定性，以及负载和能源供应等方面的要求。
通过合理设计和优化，可以实现机器人与人体上肢的协同运动，提高康复效果。
未来，随着科技的进步和创新，可穿戴式上肢康复机器人的结构设计还将不断发展和完善，为康复治疗提供更多可能性。
穿戴式下肢外骨骼机器人的结构设计与仿真_孙明艳
图 6 虚拟样机模型
表 1 髋、膝、踝关节输入输出角度 偏差函数的情况
关节
右髋关节 左髋关节 右膝关节 左膝关节 右踝关节 左踝关节
最大幅值 26.85 21.1 0.113 0.104 88.77 99.57
偏差函数 均值 -26.85 21.06 -0.031 -0.025 -88.77 -99.57
外骨骼机器人整体结构如图 1 所示，其中 腰带结构 1 用以模拟人体大腿与髋部的连接形 式，来满足人在运动过程中机械结构的自由度 要求；大腿杆 3 用以连接髋关节和膝关节；膝 关节 4 采用四杆机构替代传统的单自由度的转 动副结构；小腿杆 5 用以连接膝关节和踝关节。
其中膝关节设计采用四连杆结构，通过优 化可以使四杆机构的瞬心轨迹与人体膝关节瞬 心轨迹接近，从而达到外骨骼与人体协调性较 好的目的。许多文献都曾报道过四杆机构膝关 节的具体设计和优化，在此直接参考文献中的 具体尺寸，如图 2 所示，其中 LAB＝58.1，LBC ＝49.5，LCD＝50.2，LDA＝32.6，α＝25.52，θ4 ＝26[10]。
外骨骼机器人，是一种可供人体穿戴的人 机一体化的智能机械装置[1]。利用它不仅可以 增强士兵的负重能力、跑跳能力、肢体力量、 以及防护能力，从而全面提高士兵的野外作战 水平，还能使士兵在车辆不能到达的复杂地形 条件下完成长途跋涉和侦察工作，因而具有广
泛的军事应用前景[2]。近年来该领域的研究受 到了广泛的重视，许多国家着眼于未来战争的 需要，都在积极投入研制。目前，美国在这方 面的研究走在了世界前列。先后研制了针对单 兵使用的代号为 BLEEX、HULC、XOS、XOS2、 XOS3 等外骨骼机器人，其中 HULC 系统已经
状面内腿和脚的运动，其他不考虑。结果是： 髋关节，膝关节，踝关节各设置一个自由度， 可实现大腿、小腿和脚的屈伸。
可穿戴式康复助力机器人设计
（2）穿戴的方式及结构较为原始。从穿戴方式来看，大部分产品都还停留在简单的绑定上，穿戴起来极为的不便，很难与人体有一个良好的契合度。总体结构上也较为的原始，整体设计不尽人意。
（3）缺少产品语意。截止到目前，康复用外骨骼机器人从诞生到发展，已经过去了很长一段时间，期间有各种各样的产品崭露头角，然而，其中真正能够应用于临床之上的却很少。很多设计在原型机阶段就已经被搁浅。外观设计大多都维持了原型机的初始样式，没有体现出外观对产品的改变作用。
本文查阅了诸多国际上涉及到下肢外骨骼康复助力机器人的的相关前沿文献，旨在深入研究其工作原理和结构，从而对新型的下肢外骨骼康复助力机器人的研发工作提出可行性分析，希望能就上文中提到问题提出相应的解决方案。
关键词：外骨骼机器人；康复；人机工程；人类下肢结构
Abstract
With the development of humans’modern society,more and more people are disabled cause by aging,disease and accident.Many of them,therefore,lost parts of the individual walking ability.And with the unperfect later recovery,more and more of them totally lost the individual walking ability forever.The lower limbs recovery helps the disabled to regain the ability to take care of themself,but the traditional lower limbs recovery depends on medical staffs’manpower effort,which has poor efficiency,high cost and instablity.
可穿戴下肢外骨骼总体方案设计
人体在正常步态运动中两侧下肢为相对中心对称关系，所
以在分析时可以只考虑单侧下肢。本小节以右侧下肢为例，进 行运动轨迹方程求解。［１０］式中 ｌ３，ｌ４ 均为常值，θ１，θ２，θ３ 为旋转 角度，随着时间 ｔ变化而变化，ｃ代表 ｃｏｓ，ｓ均代表 ｓｉｎ，α、β、γ
分别代表对应 Ｘ、Ｙ、Ｚ轴的旋转角度。
下肢外骨骼总共有 ３个关节组件：髋关节、膝关节和踝关 节。每个关节的运动和受力情况都能对人体产生影响。本文
将针对人体下肢，进行外骨骼的整体方案设计。 人体步态分析
我们通常把一个健康的成年人感觉最舒适、自如的行走姿 态叫做人体步态。他是成年人体最基本的运动状态。人体下 肢一侧的脚跟接触地面到同侧脚跟下一次接触地面之间的运 动时间叫做一个步态周期 。 ［４－５］ 步态运动的各个时期如图 １ 所示：我们把一侧脚跟接触地面到脚尖离开地面的过程叫做支 撑相，约占整个周期的 ３／５；把一侧脚尖离开地面到同侧脚跟 接触地面的过程叫做摆动项，约占整个周期的 ２／５［６］。
通常在进行人体各关节运动研究时，要对人体基本参考系 进行研究。在医学研究和体育学中常用的参考系如图 ２所示。 整个参考系由失状轴、冠状轴、垂直轴 ３个轴组成，同时具有冠 状面、矢状面和横断面 ３个平面。人体各个关节的运动形式， 可以大致分为屈伸运动、收展运动和旋转运动 ３种 。 ［７］
如图 ３所示，参与人体下肢运动的关节有很多，而且大多 数是多自由度关节。设计时下肢有些部位也存在一些少动或 不动关节，这些关节只具备少量的调节功能，所以在外骨骼简 化设计中只考虑髋关节、膝关节和踝关节。 ２．２ 人体下肢运动学分析
节中的的位置０１Ｐ＝［０ －ｌ００］Ｔ，所以小腿连杆对应膝关节中心 的位置为：
技术与市场 ２０２０年 第２７卷 第２期
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题目申报表4、为结合学科竞赛；5、模拟仿真；6、其它题目来源－－A.指导教师出题； B.学生自定、自拟；任务书开题报告Ekso Bionics，是一款可穿戴的、通过电池供电的仿生机械腿，将之穿在身上后，它可以提供必要的支撑力，让人重新站立。
而且整套系统还采用了仿生设计，以内置电动马达为动力，当人们把它穿在身上，就能重新获得行走的能力！Ekso Bionics图2.国内研究现状在下肢机器人方面，国内研究起步较晚，取得的成果也不多。
目前的研究机构主要有上海大学、浙江大学、哈尔滨工业大学和哈尔滨工程大学等。
具有代表性的是:哈尔滨工程大学开发的辅助型下肢康复训练机器人和浙江大学开发的可穿戴式的下肢步行外骨骼。
从2004年，中科院合肥智能机械研究所也开始从事相关的研究工作。
2002年，哈尔滨工程大学机电一体化研究所研制出了一种下肢康复训练机器人样，如图1-16所示，该机器人由三自由度步态机构、姿态机构和重心平衡机构等组成。
其优点是可实现脚的姿态调整，在机器人的远程控制技术、虚拟现实技术及减重控制策略方面进行了实验或仿真研究，后续研制并开发了可与该机器人配合使用的四自由度绳索牵引骨盆运动并联康复机器人。
2006年，上海大学机电工程与自动化学院也研究了一套可穿戴式助力机械腿，如图1-17所示。
单侧下肢有两个自由度，分别为骸关节屈/伸和膝关节屈/伸。
2007年，哈尔滨工程大学机电一体化实验室的研究小组研制了被动式步态康复训练器。
2009年，该研究小组又提出了步态训练机器，机器人可控制双足矢状面内六自由度的运动，具有承载能力强，步幅、步态、足底姿态可灵活调整等优点。
通过不同的轨迹规划，机器人能够模拟上、下楼梯，平地行走等步态动作。
利用柔顺控制等多种控制策略，可模拟沙地、草地等多种路况的行走。
实验研究表明，该机器人可实现多种步态的控制，且具有较好的训练效果。
三.发展的趋势2006年《中国人口老龄化发展趋势预测研究报告》表明，到2023年，我国老年人口将达到2.7亿，与0-14岁少儿人口数量相等。
而到2051年，中国老年人口规模将达到峰值4.37亿，约为少儿人口数量的2倍。
针对我国人口老龄化的口益严重、脑卒中患者数量多、治疗医师资源缺乏的情况，开发一种可以为偏瘫、截瘫等肢体残疾人员及体弱老年人提供康复训练和助行服务的机器人，对降低老年人跌倒的比例、帮助偏瘫患者树立重新行走的信心、提高老年人独立生活的质量减轻社会负担具有重要的研究意义。
同时，机器人辅助设备可以极大的降低康复师的工作量，促进患者的主动参与，可以客观的评价康复训练的强度、时间和效果，使康复治疗更加系统化和规范化。
穿戴式机械腿应用于医疗上越来越多，帮助残疾人站起来。
尽管目前己经开发出了多种助行康复机器人，但机器人在机械结构精巧、人机协调、自动适应用户的行为、工作延续性、提高用户的舒适度等方面还远远达不到实际应用的要求。
同时，由于目前的康复训练机器人运用于临床康复的图1（2）穿戴式机械腿设计方案1.基于机械腿的参数优化结果，同时考虑加工与装配工艺性，给出一种拟人机械腿的设计方案，如图2(a)所示，这种拟人机械腿与球而三自由度并联机构(作为拟人骸关节机构原型)串联在一起，构成拟人下肢的设计方案，如图2(b)所示。
这种拟人机械腿机构的膝关节和踝关节采用4- DOF欠驱动机构为机构原型，通过三个电机实现膝关节和踝关节的运动方式，电机等固定件靠近腰部附近，减小电机等固定件产生的力矩，增加腿部的承载能力，减小运动惯性，发挥并联机构的优点，同时，这种新型拟人下肢可实现任何步态状况，具有主动控制步态的优点。
因此，这种新型拟人下肢具有结构简单、承载能力强、运动惯性小、运动稳定等优点。
图2（a）图2（b）（3）机械腿结构的优化按照机构原理图的设计图想，其中较难设计的部分为膝关节所在支链的平面四杆机构而如果完全按原理图的设计，将转动副F.通过个单独的杆件与基座固连，那么机械腿显得不够紧凑和灵巧。
在传动副F点的固定问题上可以去掉杆件IF,将传动副F直接表示图3图4图5 为机架固连，图3，那么再设计传动副F只要固连任何与机架相连的地方即可，图3为了使机械腿的结构史紧凑，将图3中的AIFJ支链翻转180度.再将点J上的杆件固连到点E 上，如图4所示，这样I改动不改变原有的工作原理。
移动副采用滚珠丝杆实现，根据改进的机构简图，设计了如图5所小的膝关口听在支链结构设计，扣将转动副F固定丝杠导轨的基座上，而该基座与机械腿的静平台基座固连，这样使得拟人机械腿结构紧凑，同时减轻重量。
（4）加入胡克铰结构胡克铰（图6）在并联机构中使用倾率很高，而该结构的设计直接彩响了整个并联机构的性能。
因为在研究机构的工作空间时，在考虑约束的影响中，胡克铰两个方向的转动范围是一个重要因素。
对这个拟人机械腿机构，没有杆件之间的干涉，胡克铰的性能对这个机构性能(工作空间)起了决定性的作用。
图6 （5）装配体结构对三条运动支链进行合理布局，避免杆件发生运动干涉，同时根据装配工艺要求设计运动支链与动、静平台的连接方一式。
拟人机械腿的装配体结构图如图7所示。
三条运动支链通过上、下平台连接在一起，并通过板件对其加固。
电机固定上平台上，上平台上与关节相连。
下平台设计为脚底板，直接与地面接触。
图7 （6）机械腿的方案最终实现简图图8实习报告3月11日，下午2点半，扬州大学广陵学院机械电子工程系组织一次参观实习活动，我们去的是扬州海昌粉末冶金有限公司。
扬州海昌成立于2001年1月，注册资本500万，厂房占地37亩,工厂建筑面积12000平方米。
2013年6月组建粉末注射(MIM)和齿轮箱事业部。
拥有多条标准的粉末冶金生产线，目前贵公司有国内先进的高精度机械式成形机和精整机60余台，连续式的烧结炉，高温烧结炉，蒸汽处理炉，渗碳炉，深冷设备10余台，丰富精密的检测设备：三次元，投影仪，粗糙度仪，轮廓度仪，金像分析仪等30余台。
“诚信经营，精良品质，卓越服务”是贵公司的的企业宗旨。
积极、高效、专业的人才是他们的成长基石，而同事间则是相互信任、尊重和坦诚的。
贵公司重视科技与人才，通过斥巨资购买国内外粉末冶金专业设备，同时培养吸纳一批粉末冶金的专业团队。
贵公司自成立以来，实行严密的检测手段和管理制度，于2004年1月通过ISO9001:2000认证，并在2011年10月获得了TS16949质量体系管理证书。
目前贵公司可依照 GB、 JIS 、 DIN 、 MPIF 标淮为世界500强的电动工具，汽车，家电企业配套，主要生产专业粉末冶金的各类铁基、铜基含油轴承、高强度齿轮件及各种结构等零件。
此次半天参观实习，和去年4月份去洛阳一拖实习性质差不多，我们坐校车去该贵公司，路途中，学校老师就跟我们介绍贵公司，我心中十分好奇，真想立马就到。
不到一小时，我们终于到了，迎面扑来的是高端大气上档次的厂房，我们能闻到机械原料味道和熟悉的机械工作声音，相当于导游一样的贵公司介绍人，开始带我们去参观实习。
贵公司介绍人主要带我们去看了PM生产设备，MIM生产设备，Gear-box生产设备，检测设备，Gear-box检测设备。
PM是预防维护和生产维护的总称，（1）清扫：不只是表面，要将犄角旮旯清扫干净，让设备、工装的磨损、噪音、松动、变形、渗漏等缺陷暴露出来，及时排除。
2）润滑：少油、缺脂造成润滑不良，使设备运转不正常，部分零件过度磨损、温度过高造成硬度、耐磨性减低、甚至形成热疲劳和晶粒粗大的损坏。
应定时、定量、定质、及时加油、加脂。
3）紧固：紧固螺栓、螺母，避免部件松动、振动、滑动、脱落而造成的故障。
4）堵漏：防止、堵塞润滑油脂、压缩空气、蒸汽、水、冷却介质、冷气、热量泄漏。
MIM技术作为一种制造高质量精密零件的近净成形技术，具有常规粉末冶金、机加工和精密铸造方法无法比拟的优势。
（1）能象生产塑料制品一样生产形状复杂的小型金属零件（0.1-500g）。
（2）制件各部分组织均匀、尺寸精度高、相对密度高（≥95%）。
（3）表面光洁度好。
（4）产品质量稳定，生产效率高，易于实现大批量、规模化生产。
MIM技术适合材料：铁基合金钢、不锈钢、镍基合金、钨合金、硬质合金、钛合金、磁性材料、Kovar合金、精细陶瓷等。
Gear-box是变速箱的意思。
我觉得主要应用在汽车上，因为学车时，老记得教练说变速箱的东西，变速箱主要指的是汽车的变速箱，它分为手动、自动两种，手动变速箱主要由齿轮和轴组成，通过不同的齿轮组合产生变速变矩；而自动变速箱AT是由液力变扭器、行星齿轮和液压操纵系统组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。
功能为：一、改变传动比；二、在发动机旋转方向不变情况下，使汽车能倒退行驶；三、利用空挡，中断动力传递，以发动机能够起动、怠速，并便于变速器换档或进行动力输出。
看到上面的图片，不由得想起了机械设计的原理，齿轮1传2,2传3，一直往下去，最终推动设备的运动，感觉书上学的，今天能派上用场，感觉好窃喜啊!检测设备有很多种类，工厂常用的检测设备有很多，包括测量设备卡尺、天平等，另外还有质量检测分析仪器，材质检测、包装检测设备等也是常见的检测设备。
在包装环节中比较常见的有包装材料检测仪、金属检测设备、非金属检测设备以及无损检测设备等。
之后，贵厂介绍人带我们去他们产品分类处，有专门的老师傅给我们介绍，还给我们自己去感受，他们产品主要分类是电动工具类，家电类和汽车类三大类。
汽车类，主要是变速箱，我重点看了家电类，因为这距离自己最短，最贴合实际，老师傅介绍最多的是螺纹，垫片和圆柱销。
螺纹：在圆柱或圆锥母体表面上制出的螺旋线形的、具有特定截面的连续凸起部分。
螺纹按其母体形状分为圆柱螺纹和圆锥螺纹；按其在母体所处位置分为外螺纹、内螺纹，按其截面形状（牙型）分为三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹及其他特殊形状螺纹。
考研那会，看了机械设计，什么外螺纹，内螺纹，对这个映像比较深刻，它的作用是（1）联结机件。
如：螺栓螺母。
（2）传递动力，并改变运动形式。
（将旋转变为直线）如：台虎钳，丝杠千斤顶，机床工作台的运动，外径千分尺等。
垫片（gasket）是两个物体之间的机械密封，通常用以防止两个物体之间受到压力、腐蚀、和管路自然地热胀冷缩泄漏。
由于机械加工表面不可能完美，使用垫片即可填补不规则性。
垫片通常由片状材料制成，如垫纸，橡胶，硅橡胶，金属，软木，毛毯，氯丁橡胶，，玻璃纤维或塑料聚合物（如聚四氟乙烯）。
特定应用的垫片可能含有石棉。
垫圈（washer）是薄板（通常圆型）的一个漏洞（通常在中间）通常是用于分配的负荷线程紧固件。
其他用途是作为间隔，弹簧（贝尔维尔垫片，波垫片），耐磨垫，预显示装置，锁装置。
橡胶垫圈也用在水龙头（阀门）以切断流动的液体或气体。