穿戴式机械腿机构设计-下肢康复机器人(编辑修改稿)

穿戴式机械腿机构设计-下肢康复机器人(编辑修改稿)内容摘要：

与优选。 (2)机构构型对人 机相容性的影响。 现有的下肢康复机器人机构的骸关节 多采用单自由度回转副或由 2 个回转副进行运动等效，膝关 节为单自由度回转副， 机构的尺度参数根据下肢骨胳的比例和长度确定。 优点是机器人机构的构型相对 简洁且机构的设计简便易行。 但机器人机构的关节数目少于下肢骨骼的关节数目， 而且对应关节的运动属性也有所不同，构型的选取会直接影响人 机之间的运动 穿戴式机械腿机构设计 12 相容性。 因此，在对人体下肢骨骼的生理结构、关节运动特性以及康复机器人机 构的外挂属性进行分析的基础上，结合人 机系统的自由度分析提出较好的机构 构型。 (3)机构参数优化对人 机相容性的影响。 由于下肢康复机器人机构与人体骨骼机构在关节数目、关节运动特性上的差异以及 机器人机构的外挂属性，若机器人机构参数或联接参数设计不够合理，也会导致人一机运动不相容，在联接部位发生运动干涉与冲突。 因此，在优选机构构型的基础上，需要进一步研究基于运动相容性的机构参数及联接参数优化方法，定义运动相容性评价指标，构造基于运动相容性的机构参数优化模型并进行参数的优化设计。 此外，机构设计中轻便、美观和机构杆长的可调性也是研究的关键问题。 课题意义及主要研究内容 穿戴式智能设备 ” 是应用穿戴式技术对日常穿戴进行智能化设计、开发出可以穿戴的设备的总称，如 图 114 Ekso Bionics机械腿， 鞋等。 机械腿的研究是步行机器人研究的核心内容。 步行机器人是一个交叉学科的研究，它涉及仿生学、机械学、控制学及信息处理技术等。 步行机器人在多个行业具有很多应用优势，逐渐成为国内外机器人研究领域的一个热点。 步行机器人与其他履带式、轮式机器人相比，具有以下的运动特性。 (1)步行机器人具有良好的地面自适应性 步行机器人可以在复杂的地形上利用离散的点来选择最优的地面支撑点，并且可以跨越一定的障碍物。 (2）步行机器人的腿部运动系统比较稳定 步行机器人的腿部运动 系统可以保证身体相对地面的稳定，因其腿部具有多个自由度，灵活性大，同时可以通过调节腿的伸展度来调整重心，因此不易翻倒，稳定性高。 仿人机器人作为步行机器人的一种形式，是提高机器人机动性和节省能源的一条重要途径。 仿人机器人是机器人研究领域最高研究成果的代表。 相对于其他机器人，仿人机器人具有人的外形，并具备良好的人机交互能力，所以在娱乐服务等领域，仿人机器人具有更明显的优势。 穿戴式机械腿机构设计 13 图 114 Ekso Bionics机械腿 第二章 穿戴式机械腿机构运动分析 引言 机械腿的结构设计 必然是一个挑战。 机械腿自身特点 穿戴性，决定了它需要更为合理的机构设计。 机构设计的优劣直接影响穿戴的舒适性。 机构的功能设计要反映下肢骨骼的运动特点。 人体生物骨骼的关节结构、运动形式和步行的运动特征都是外骨骼设计的基本依据。 通过分析人体骨骼模型和关节运动建立人体简化模型。 通过分析步行特征初步掌握关节运动协调规律。 采用简化模型分析人体运动学特性。 通过这些特征的研究，合理设计出穿戴舒适、运动灵活可靠的外骨骼机构，使其与人体运动达到协调统一。 无论机构如何进行空间构型设计，都必须要穿着于人体的框架 之上，并要求 保持机构结构与人体形态的相互统一，满足人体运动的空间需要。 因而机构构型 的空间设计首先必须满足人体骨骼的基本框架。 因为人体结构的主架是骨骼，骨 骼具有不可变性，所以机构在进行构型空间设计时，首先要考虑骨骼的形状和位 置，这些是机构构型空间设计的不变因素。 本章就以上问题进行了深入讨论。 人体下肢骨骼模型 骨骼最基本机能是支撑和运动，而关节是骨与骨间的连接部分，决定着骨骼 穿戴式机械腿机构设计 14 运动链的运动形式。 人体下肢的骨骼运动链是以旋转为主的串并联混合结构。 人 体下肢骨骼运动包含了丰富的机构运动学问题。 建立下肢随动外骨骼机构模型要 以生物骨骼运动模型为基础。 骨骼的运动与下肢关节 (1)下肢骨骼与关节 研究人体运动学，首先必须确立参考系。 通常临床医学、体育学及人体运动 学研究使用三维坐标系统如图 21 所示 :参考系包括三轴和三面 :矢状轴、冠状 轴 (额状轴 )、垂直轴。 矢状面、冠状面 (额状面 )和水平面 (横切面 )。 在该参考系下，通常把关节的基本运动形式分为屈曲 /伸展、内收 /外展、回旋和环转等。 图 21 人体基本平面及轴线 图 22 人体下肢骨骼与关节 如图 22 所示，决定下肢运动状况的主要关节包括 :骸关节、膝关节和踝关节，均属于活动关节。 其次，脚部和踝部还包括一些不动和少动关节，也具有一定的调节功能。 为简化起见，外骨骼的设计不考虑这些关节。 骸关节是由一个球形股骨头与凹形的骸臼组成的杆臼 (球窝 )式滑膜关节，是典型的三轴关节或称多轴关节，具有 3DOF，即可在三个相互垂直的运动轴上做屈伸、收展、旋转等多方向的运动，是全身位置最深的关节，构造既坚 固又灵活，将躯干的重量传达至下肢，具有重要的负重和活动功能。 伸屈活动时，股骨头沿横轴在骸臼内旋转，但大腿内外旋转时，是以股骨头中心至股骨踝间凹连线作为其活动的轴心。 因此，股骨头在骸臼内还有极为微小的滑行。 骸关节的活动受到肌肉韧带限制，其运动范围如下 :前屈 130 度到 150 度。 后伸 10 度到 15 度。 内收20 度 30 度。 外展 30 度 45 度。 外旋 40 度到 50 度。 内旋屈骸时为 40 度到 45 度。 膝关节由股骨下端、胫骨上端和骸骨构成，是人体最大最复杂的关节，属滑 穿戴式机械腿机构设计 15 车球状关节，能做屈伸运动，屈可达 130 度，伸不超过 10 度。 在屈膝状态下又可作屈位微小的旋内、旋外运动。 在正常步行中，由于屈膝幅度不会很大，屈位微小，在一般的建模中，均忽略旋内、旋外的微量运动以简化设计。 由于膝关节受到内外交叉韧带和胫侧、胖侧副韧带的限制，不能外展、内收。 因此，膝关节简化为单轴关节，具有 1DOF，绕额状轴在矢状面上屈伸。 膝关节的生理结构也是球状关节，严格上属于球副，只是由于膝关节韧带绷 紧的原因，只能在矢状面运动，如图 23 所示。 严格的实验表明，膝关节运动是 矢状面内的旋转与滑移的复合。 但由于滑移量非常小，因此不予考虑。 图 23膝关 节结构 踝关节由胫骨远侧端关节面，胖骨远侧端关节面和距骨滑车关节面构成，为 屈戌关节，运动轴在横贯距骨体的横轴上。 踩关节运动的方式是由距骨体滑车关 节面的形状所决定的，活动范围较小，能做足背屈、足庶屈和内翻、外翻运动。 在矢状面背屈 10 度到 20 度，蹈屈 25 度 30 度。 蹈屈时还可有轻微的旋转、内收、 外展与侧方运动。 踝关节在矢状面的屈伸运动轴由内上向外下微倾，踝背伸时足 外旋，蹈屈时，足内旋。 旋转范围 13 度 25 度，踝关节运动保证了足底支撑力向 腿部骨骼的传递，在行走、上下楼梯、登山及跳跃时均有重要作用。 值得注意的是，上述这些关节发生在任何一个平面内的运动都必然伴随着其 他两个平面的运动，形成所谓的步行复合运动，这也是步行运动复杂性的体现， 是仿生下肢设计的难点问题。 (2)步行运动序列 一个完整的行走循环周期即为一个跨步，一个跨步包括了两个步长。 如图 穿戴式机械腿机构设计 16 24 所示，步行的一个跨步分为单相支撑期和双相支撑期两个阶段。 单腿支撑相 期间表现为一条腿接触地面，另一条腿处于摆动中，因此这一时期又被称为某条 腿的摆动相。 它从一只脚离开地面开始到同只脚与地面发生碰撞结束。 在人的步 行运动中，单腿支 撑相占跨步时间的 80%90%。 双腿支撑相是两条腿同时接触 地面的时期，在人的步行运动中，这一状态只占跨步周期的 10%20%。 由图 24 可见，单相支撑期长而双相支撑期较短。 就单下肢腿而言，又分为支撑相和摆动 相，如上所述，在单相支撑期，有一条腿占用一部分跨步时间和地面接触，即为 支撑相，该腿为支撑腿，可以支撑身体以及改变前进速度。 同样，另一条腿占用 一定的跨步时间向前摆动，作为摆动相，处于摆动相的腿成为摆动腿，这期间摆 动腿离开地面向前摆动至下一个支撑相。 在一个跨步中左右腿均分别占有一个支撑相和一个摆动 相，但支撑相和摆动相的时间一般不相同。 因此两腿运动的相互 关系常常是定义运动模式的一个因素。 例如，跑动中左右腿的运动就是完全不同 步的，而跳跃中两腿的运动就完全是同步的。 图 24 单腿步行运动序列及状态划分 从力学特性来看，当人在行走时，通过后脚对地面的作用而获得地面对人的 推力，从而产生向前的加速度。 当人的前脚着地的时候，地面对人的作用是阻碍 其向前运动的，因此，会使人产生负的加速度，即人做减速运动。 人在不断地迈 步前进的过程中，推力在做周期性的变化，加速度也就做周期性的变化。 随着重心的前移 ，最终完成向前跨步动作。 步行中相关运动参考点的运动轨迹是描述步行运动的又一指标。 关节点的轨 迹曲线是行走的时。