可穿戴辅助机械腿结构设计与分析.docx

1、可穿戴辅助机械腿结构设计与分析摘 要目前，机器人技术已经是相对比较成熟的。机器人是20世纪以来发展最快的行业。机器人的出现，解决了很多困扰世界的难题，同时也为人类生活经济发展提供了很大便利。本课题中研究的可穿戴辅助机械腿就是一种近年来新型的仿生学机械结构，通过模仿人的腿部行走模式和过程，给一些需要辅助行走的人群带来生活上的便利。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，得出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，以及结合关节转矩、减速器和电机的适配关系，通过计算确定电机型号。基于人体腿部生物原型并适当做一些简化，

2、进行了可穿戴辅助机械腿的结构设计，可穿戴辅助机械腿整体上采用以人体中心轴线对称设计，它的单条腿部结构是一个六自由度的结构，由六个转动关节组成，对应人体髋关节、膝关节、踝关节，其中髋关节有三个自由度，膝关节一个自由度，踝关节两个自由度。利用UG三维建模软件去建立可穿戴辅助机械腿的整体机械结构。完成机械结构方面的设计之后对可穿戴辅助机械腿的关键零件模型进行强度校核，从强度校核得到的数据，如零件静应力分析的应力图、位移图等各类数据中得出，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。关键词：拟人结构，六自由度，强度校核，有限元分析可穿戴辅助机械腿结构设计与分析1 绪论1.1 课题背景20

3、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

4、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，

5、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

6、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

7、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

8、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，

9、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70km12-13。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1.1 ExoHiker图1.2 ExoClimberHybrid Assistive Leg（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

10、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Rex Bionics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1.3 HAL图1.4 Rex2012年底，以色列ReWalk Ro

11、botics（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（Food and Drug Administration）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

12、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1.5 ReWalk图1.6 HUMA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

13、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

14、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

15、、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

16、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

17、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；

18、（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

19、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

20、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

21、,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.

22、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

23、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

24、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

25、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/Nm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（Nm）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-42N307414

26、06.3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/Nm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

27、/kW额定转矩/Nm最大转速/r/min转子转动惯量/10-4kg*m2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6MGMF092L1C50.855.4130006.184.62.5 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

28、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

29、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

30、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3.1 GB10000-88 18-60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G