外骨骼技术产品方案设计报告.docx

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外骨骼技术产品方案设计报告

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外骨骼技术产品方案设计论证报告

单位

编写

校对

审核

批准

西安方元明科技发展有限公司

2013年12月26日

内容摘要：

本报告提出人体外骨骼的原理机的设计和试制，外骨骼技术产品组成原理、结构机械设计；本设计侧重于承重和运动，采用电动电液驱动，动力源采用锂电池。

外骨骼技术产品电子电气的设计、软件代码编写；通过人体的意念或运动意图来自动控制电机运动动作。

主题

题

词

人体外骨骼设计方案及论证报告

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更改办法

5、1外骨骼技术产品的总体设计……………………………………………………...5

5、2外骨骼技术产品需求分析…………………………………………………………6

6.1外骨骼技术产品的机械活动角度范围……………………………………………6

6.2行走助力外骨骼的机械结构组成………………………………………………12

6.3行走助力外骨骼的机械总体方案………………………………………………14

6.4外骨骼技术产品机械结构及驱动设计的基本要求……………………………………………………19

6.5下肢外骨骼液压驱动系统技术及碳纤维缠绕液压缸……………………23

8.1足底压力信息的获取……………………………………………………………..26

8.2传感器的选型与标定………………………………………………………………27

8.3信号调理电路的设计…………………………………………………………..28

8.4Flexiforce的布局…………………………………………………………………..29

8.5其他传感器的应用…………………………………………………………………30

10数据采集与处理软件--------------------------------------------------------------------------35

11.1、人体下肢运动周期……………………………………………………………….39

11.2、运动过程中各关节的相关运动大小…………………………………………….41

11.3、步态周期支撑期间地面反力对下肢关节的作用……………………………….42

11.4、步态周期的肌肉活动……………………………………………………………..42

11.5、常用步行参数……………………………………………………………………43

1概述

依据总经理布置，根据公司在自动化及军工领域的产业战略要求与市场需求，西安方元明公司对人体外骨骼及人体外骨骼技术在民用市场用途进行深入调研，书写详细的调研报告，并提出可供实际产品化的项目并项目方案论证及设计。

2研制依据

按照国内外相关产品研究技术要求进行设计，仿洛可·马丁公司本外骨骼产品，特别是增强人体负重能力等方面的外骨骼进行课题设计，并制作初级阶段的原理样机。

特别是参照国外军品外骨骼产品。

3引用标准

GJB150-1986军用设备环境试验方法

GJB151A-1997军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求

GJB1406A-2005产品质量保证大纲要求

GJB450A-2004装备可靠性工作通用要求

GJB1032-1990电子产品环境应力筛选方法

4主要技术指标及产品功能

4.1技术指标及要求

最大负重：

100千克；

自重：

最大32千克；

液压驱动器；

供电：

锂电池供电48V、60V，持续工作10小时；

行进速度：

负重情况下可以达5千米/小时的速度在多种地形中行进。

机械结构件配合人体角度要求：

下肢关节

关节运动范围

屈/伸（髋）

（-121°）～（10°）

内收/外展（髋）

（-16°）～（16°）

旋内/旋外（髋）

（-35°）～（35°）

屈/伸（膝）

（-121°）～（0°）

旋内/旋外（踝）

—

背屈/屈（踝）

（-45°）～（45°）

内翻/外翻（踝）

（-20°）～（20°）

按照男性人体平均身高1.755m为基准，按照以下比例确定人体各肢体长度，结构部分可以依照相应的尺寸进行尺寸设计。

人体体重按照平均成年人体重75KG设计，动力助力按照60%—75%来进行

4.2产品功能

外骨骼技术产品能使普通人力量（负重）、速度等都会有大幅度的提高，帮助瘫痪病人直立行走。

5外骨骼技术产品的总体设计

5.1外骨骼技术产品的总体设计

5.1.1实现运动平台的连续运动，伴随人体两腿走路、坐立、跑步等。

设计出在不同状态下行动时机能够和人体运动一致械装置系统。

5.1.2能够通过机械将重力传递到地上。

结构机械部分能够很好和人体协调配合（仿国外外骨骼）。

5.1.3通过采集人体肌电达到获得人体的运动意图并自动控制电机配合动作。

5.2外骨骼技术产品需求分析

5.2.1外骨骼技术产品的功能要求

1）.外骨骼技术产品组成原理、结构机械设计；本设计侧重于承重和运动，采用电动电液驱动。

动力源采用锂电池48V/60V，充满电之后要供10小时行走。

2）外骨骼技术产品电子电气的设计、软件代码编写。

通过人体肌电反应出运动意图并和传感器系统一起完成控制功能。

5.2.2外骨骼技术产品的性能指标

高强度钢铝合金结构材料；

电液缸伺服驱动器;

人体肌电达到获得人体的意念;

阿尔泰ART2953高分辨率多通道模拟104接口的数据采集卡

多个传感器控制系统

阿尔泰EPC-9351X86嵌入式主板控制软硬件平台（WindowsXP,2.5GHZ处理器）

多轴电机控制板卡（4/6轴运动控制卡）

6外骨骼技术产品的机械机构

6.1外骨骼技术产品的机械活动角度范围

6.1.1人体解剖学下肢骨骼构型和关节活动角度范围

人体下肢骨骼组成如下：

盆带骨（髋骨）

盆骨髋关节

大腿骨股骨

人体下肢骨骼膝关节

小腿骨踝关节

足骨腓骨

胫骨

外骨骼产品需要与人体紧密配合的，人的运动构架和骨骼构架是设计外骨骼产品的基础。

肌肉通过肌键与骨骼相连,人体运动时神经系统对肌肉发出指令进行肌肉的收缩与舒展运动,肌健将肌肉运动产生的力传递到骨骼,使骨骼进行摆动与旋转。

另外,肌键与关节上复杂的互相交叉的韧带组织还能限制关节与骨骼的运动,防止人体骨骼与肌肉受到伤害。

髋关节由一个球形股骨头和盆骨的髋臼组成,是个典型的球窝关节,具有三个自由度,可完成屈/伸，外展/内收，旋转及环转等多个运动。

人体下肢承担了大部分载重,其关节本身要有一定的强度和稳定性;另外髋关节运动范围大,关节窝很深关节囊也很紧,同时具备牢固性和灵活性。

髋关节做屈/伸运动时,股骨头沿冠状轴在髋臼内旋转;外展/内收运动时,是以股骨头中心至股骨颈中线为轴线旋转的。

髋关节的运动范围受到本身关节结构和肌肉韧带的限制。

膝关节主要包括股骨内，外侧踝,胫骨内，外侧踝和髌骨,属于滑车球状关节,具有一个自由度,能完成屈/伸运动。

膝关节关节囊内部有多条韧带:

前交叉韧带限制胫骨前移,后交叉韧带限制胫骨后移。

在膝关节屈曲后,一般认为膝关节仅具有屈/伸自由度,可视为一个铰链关节。

人体下肢骨骼结构图

踝关节主要由胫、腓骨下关节面,内外踝关节面和距骨上方的滑车关节面组成,有三个自由度,可完成背屈/跎屈、内翻/外翻、旋内/旋外等运动。

踝关节运动的方式主要取决于距骨上方的滑车关节面的形状,其活动范围较小。

以横贯距骨的水平轴为转轴,踝关节做背屈/跎屈;在跎屈时有轻微的内翻/外翻和旋内/旋外运动。

足骨将人体负载所有的力传递到地面,其结构由跗骨、跎骨和趾骨三部分组成。

下肢助力外骨骼的研究中一般采取了两个自由度,即背屈/跎屈和旋内/旋外自由度。

将三个关节共7个自由度的运动范围列表如下，外骨骼产品结构必须结合人体骨骼的角度范围来参考:

下肢关节

关节运动范围

屈/伸（髋）

（-120°）～（65°）

内收/外展（髋）

（-30°）～（40°）

旋内/旋外（髋）

（-15°）～（60°）

屈/伸（膝）

（-120°）～（0°）

旋内/旋外（踝）

（-15°）～（50°）

背屈/屈（踝）

（-20°）～（50°）

内翻/外翻（踝）

（-30°）～（20°）

6.1.2行走助力外骨骼的关节自由度和运动角度技术要求

机械结构方面,本外骨骼有七个自由度,其中髋关节和踝关节各三个,膝关节有一个。

主要对髋关节、膝关节的屈/伸自由度作驱动,其他的一些自由度上安装了弹性阻尼装置来抵消部分的人体能耗,比如髋关节屈/伸自由度的反力矩机构,同时增加运动的舒适性。

下肢外骨骼的最主要功能是能跟随人体行走,这个动作主要是在矢状面上完成的,因此应该首先满足矢状面上自由度的匹配。

协行下肢外骨骼选择将髋关节的屈/伸自由度中心轴线与人体的相重合,确保外骨骼在矢状面上与人体匹配。

另外,在矢状面上还设计了一个反力矩机构。

当人双腿支撑站立状态时,机械腿系统屈/伸自由度被一定程度的限制,即无法向后再伸展。

向后伸展时,以气弹簧为主要弹性元件的反力矩机构阻止了机械腿的运动;同时向后运动的趋势将腰带向上顶起,即将背架和负载支撑起来,那么在人双腿支撑站立状态时,更减小了负载对人产生的作用力,使人穿戴起来更舒适。

（2）髋关节外展/内收自由度

下肢外骨骼外骨骼的髋关节在冠状面上与人体髋关节有一定偏差距离,因此在髋关节进行外展/内收时会产生如图所示的误差。

当人腿OA1和机械腿OA2外摆时,产生了CB2的误差。

本外骨骼将外展/内收旋转中心设置在了散关节机构后方,将该旋转中心移动到腰带上,使腰带与腿机构一起外展/内收,并保持了与人体髋关节旋转中心的匹配,消去了原来的误差。

将该自由度移动其中心轴线至腰带,在腰带上重新配置了该自由度,而本文研究的协行下肢外骨骼采用的是用多个外展/内收自由度来共同实现的方法所示为该自由度功能实现的简易机构图,以左腿为例:

人腿外摆时外骨骼月退跟随人体外摆,髓关节外展的同时腰带也外展,利用这两个外展自由度来完成外骨骼机械腿系统整体的外展;内收时外骨骼髓关节的内外摆部件被锁死,由腰带的内收自由度来完成外骨骼机械腿系统整体的内收。

这样,通过不定的多自由度相结合,利用腰带靛关节内外摆部件和腰带的外展/内收,来实现髓关节外展/内收自由度。

将外骨骼髓关节内收自由度锁死的这种设计有多个优点:

首先,外骨骼系统在冠状面的内外摆被强制地由不同关节的自由度来完成,机械腿外摆时由内外摆部件和腰带共同完成,在内收时则只能由腰带的内摆来完成;第二,当人在单腿站立状态时,人体向外侧倾斜,将内收自由度锁死,使腰带与整个机械腿连结成一个刚性系统,背架上的负载力传递效果更好;第三,限制内收可以防止机械腿内摆过量,机械腿不会与人体产生碰撞,提高了外骨骼使用安全性。

结构件链接关节

外骨骼结构运动范围

屈/伸（髋）

（-121°）～（10°）

内收/外展（髋）

（-16°）～（16°）

旋内/旋外（髋）

（-35°）～（35°）

屈/伸（膝）

（-121°）～（0°）

旋内/旋外（踝）

—

背屈/屈（踝）

（-45°）～（45°）

内翻/外翻（踝）

（-20°）～（20°）

（3）髋关节水平面环旋自由度

与髋关节的外展/内收自由度相同,由于空间位置上与人体髋关节的差异,