下肢健身外骨骼的设计

下肢健身外骨骼的设计,下肢,健身,骨骼,设计 毕业设计(论文)开题报告 题目：下肢健身外骨骼的设计与析 开题报告填写要求 1.开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成。 2.开题报告内容必须按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）填写并打印（禁止打印在其它纸上后剪贴），完成后应及时交给指导教师审阅。 3.开题报告字数应在1500字以上，参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册，其中外文文献至少3篇），文中引用参考文献处应标出文献序号，“参考文献”应按附件中《参考文献“注释格式”》的要求书写。 4.年、月、日的日期一律用阿拉伯数字书写，例：“2008年11月26日”。 5.开题报告增加封面，封面格式：题目：宋体，加粗，二号；系别等内容格式：宋体，四号，居中。 1.毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况） 1.1题目背景，研究意义： 能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。纵观人类社会发展的历史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。能源的开发利用极大地推进了世界经济和人类社会的发展。自2008年我国成功举办奥运会后健身在我国越来越流行健身房如雨后春笋般在我国发展，这是我国健身行业发展最强有力的后盾。根据测算每一个成年人锻炼一小时消耗能量0.2kw·h。那么如果一个健身房有30台这样的设备每台每天工作5小时，相当于为国家节约0.324吨标准煤。这对于有多个连锁分店的健身企业来说无疑是一个最为有效和最为简便的降低健身房的能源成本的方法。通过该设计旨在锻炼学生运用现代设计方法基本原理进行设计和工程分析，使学生受到机械工程师基本训练。 1.2人体下肢外骨骼国内外研究发展状况 人体下肢外骨骼是由20世纪60年代开始研制的全身外骨骼分支而来, 由于全身外骨骼研究的难度及上、下肢外骨骼在研究目的、技术上存在较大的差异, 外骨骼分支分为上肢外骨骼与下肢外骨骼两个研究方向。上肢外骨骼研究的进程较快,很快有了成型产品并得到了应用。 下肢外骨骼研究经过一段时间的沉寂之后, 于20世纪末也广泛地开展起来。比如密西根大学研制的用于辅助人行走的机器膝。Lokomat等人设计了用于病人腿部复原的下肢外骨骼; 美国犹他州Sacros公司研制的/ 外部骨架0等。由于技术等原因, 这些装置都没能被成功地应用于实践, 但他们提供的算法为外骨骼的进一步研究、积累经验和开拓思路做出了巨大贡献。21世纪, 下肢外骨骼又重新得到世界各国的关注, 美国、日本、俄罗斯、以色列、新加坡及中国都积极地投入到研究中,而且取得了一些成果。下面分别介绍一些在下肢外骨骼方面比较成熟的研究成果。 HAL(Hybrid Assistive Limb)系列产品(HAL,HAL-3)是日本筑波大学研制的外骨骼装置,HAL由外骨骼、驱动器、控制器和传感器等组成。它利用人在运动前肌肉会产生一种运动趋势(肌肉的收缩或扩张) 的原理,通过测量外骨骼穿着者肌肉的肌电图EMG(Myoelectricity)信号来获得人类运动趋势信息作为最初的命令信号, 信号经计算机处理, 使驱动器产生驱动力, 从而驱动外骨骼膝或踝关节运动。HAL的研制是适应日本社会老龄化的发展趋势, 主要是为老年人或行走失调者而制作的一个帮助他们站立、行走的下肢辅助外骨骼装置, 但它不能承受巨大载荷。 美国加州大学伯克利分校研制的人体下肢外骨骼(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton, BLEEX)由两条金属腿、计算机及能量控制单元, 以及后背架等组成。外骨骼上安装的40多个传感器不断地分析、测量负重和人的空间方位信息, 将测得的信号传给计算机, 经计算机处理后发出控制信号, 驱动液压传动装置使外骨骼与人同步行走并保持外骨骼与人体的平衡。士兵穿着它身负28 kg 的背囊可以像背2kg物体那样轻松。该装置研制的目的是既可用于战场的士兵背负重物行军, 又可用于其他的负重长途行走。与日本在下肢外骨骼研制方面不同的是, 它通过测量外骨骼本身的数据来控制下肢外骨骼而不是利用EMG信号。 新加坡南洋理工大学也致力于此方面的研究。他们设计的下肢外骨骼不能承受巨大载荷。韩国也在开发研制为老年人扩大活动范围和提高活动能力的下肢外骨骼。俄罗斯则将承载下肢外骨骼装置作为单兵系统的重要部分进行研究。 在下肢外骨骼的研究方面, 美国处于领先水平, 但仍处在实验室试验研究阶段。其中许多关键技术还处于探索与研究之中, 最终目的是使人体下肢外骨骼实现有效的控制, 实现快速行走、跑、跳、蹲、跨步, 能够人机有效的合一, 机器与人之间的柔顺和谐。如何使得外骨骼材料轻便, 驱动装置体积小、能量大且无冲击、让人的感觉更舒适等问题则仍旧是研究中需要攻克的难题。 2.本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施 2.1本课题研究的主要内容 题目内容主要包括三个方面，下肢健身外骨骼的设计与分析： A. 在设计方面要求依据设计参数，设计下肢健身外骨骼的方案，结构。 B. 在建模方面要求建立下肢健身外骨骼的实体装配模型。对实体装配模型进行工程简化。 C. 在工程分析方面要求合理确定约束条件，分析下肢健身外骨骼在运动中的变形量并对强度进行校核。 D. 下肢健身外骨骼总重：2.8kg；腿肢长度范围：965----1085 mm；腿肢髋关节摆动最大角度：40°；腿肢膝关节转动角度范围：20°----85°；腿肢踝关节摆动最大角度：40°；腿肢弹簧负载范围：-75N----+75N；腿肢弹簧可调力范围：0N----40N；适用身高范围：155----180cm。 2.2研究方案 外骨骼研究的关键性技术分析与研究 (1)步态分析 (2)步态稳定性控制 (3)驱动机构 (4)同步行走控制 2.3 研究方法或措施 研究运用需求和公共供求关系等基础理论，通过理论分析与实证分析，系统分析与对比分析，文献分析与数理统计等方法，对我国全民健身服务体系的基本理论进行了系统总结与现实考证。 为了实现人的智能与机械的力量之间的结合, 使人具备机械的力量、速度和耐力, 正在设计用于实现负荷行走功能的下肢外骨骼。机械结构的设计是下肢外骨骼系统的关键技术之一。首先基于人体行走的生物学特征, 阐述了下肢外骨骼机械结构的设计方法。 3.本课题研究的重点及难点，前期已开展工作 本课题的重点是：了解人体下肢健身的全部肌肉群以及如何健身。 难点是：下肢外骨骼系统的关键技术是机械结构的设计。首先基于人体行走的生物学特征, 阐述了下肢外骨骼机械结构的设计方法。 前期已开展工作：了解下肢外骨骼是一种新型的具有可穿戴性能的机械装置。它设计的基本思想是结合人的智能与机械的力量, 强调人机之间的交互与配合；并为进一步周密的设计做好充分的准备。 4.完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）。 第1周：收集资料，借阅参考书，下载相关英文文献。 第2--6周：要求依据设计参数，设计方案，结构。 第6--11周：建立实体装配模型。对实体装配模型进行工程简化。 第11--13周：要求合理确定约束条件，分析变形量并对强度进行校核。 第13--15周：分析结论撰写论文。 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见） 指导教师： 年 月 日 所在系审查意见： 系主管领导： 年 月 日 参考文献 [1] 李宗述.当前全民健身存在主要问题及解决途径[J].成都体育学院学报, 2000, 26( 2) : 12-14. 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This paper researches on the modeling and finite element analysis in view of the exoskeleton. This paper conducted the following research. Lower limbs to the human body anatomy, lower limb joints to study the structure and motion analysis, clear vice structure and degree of freedom of human lower limb joint movement. On this basis, design a personification of the structure of the exoskeleton robot. After foreign bone important parts by finite element analysis software simulation analysis, optimization design, ensure its stress and strain in the permission scope. Key Words: exoskeleton; structure design; anthropomorphic; the finite element analysis 目 录 1绪论 1 1.1 本文研究背景、目的及意义 1 1.1.1 背景介绍 1 1.1.2 本文的研究目的及意义 3 1.2 国内外研究现状及发展趋势 3 1.2.1 国外研究现状 3 1.2.2 国内研究现状 11 1.3 本文研究内容 13 2 基于人体生物力学的下肢健身外骨骼设计 15 2.1 人体下肢解剖学概述 15 2.2 下肢关节运动机理研究 16 2.3 下肢健身外骨骼设计 19 2.3.1外骨骼机器人构型设计 20 2.3.2 外骨骼机器人各关节设计 21 2.3.3 外骨骼机器人其余部件设计 23 2.3.4 弹簧的选择及安装 26 2.4 本章小结 27 3 下肢健身外骨骼有限元分析 28 3.1 小腿重要零件的有限元分析 28 3.2 大腿重要零件的有限元分析 29 3.3 本章小结 31 4 基于ADAMS的外骨骼虚拟样机模型及仿真 32 4.1 利用ADAMS对外骨骼的模型进行仿真 32 5 结论 34 5.1 本文研究内容总结 34 5.2 工作展望 34 参考文献 35 致谢 38 毕业设计（论文）知识产权声明 39 毕业设计（论文）独创性声明 40 II 1 绪论 1.1 本文研究背景、目的及意义 1.1.1 背景介绍 21世纪是一个注重创新的世纪，更是一个绿色环保的世纪。能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础。纵观人类社会发展的历史，人类文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。能源的开发利用极大地推进了世界经济和人类社会的发展。自2008年我国在北京成功举办奥运会之后,人们越来越注重身体锻炼,越来越注重健身。因此，健身房如雨后春笋般在我国各地迅速发展壮大。而据统计计算一个正常的成年人健身一小时消耗的能量为0.2kw。那么一个健身房如果存在30台这样的设备且每天工作五个小时，那就需要消耗大约0.324吨标准煤来产生设备需要的能量。如果我们采用一种不需要能量驱动同时又能起到锻炼作用的设备，那么每天我们就可以节约0.324吨标准煤。这不仅可以为健身房降低运营成本也可以为国家减少能源浪费，减少环境污染。 传统的健身设备例如跑步机等，都需要电能来进行驱动。人在健身的同时也是在消耗电能。随着健身的人群越来越壮大，对能源的消耗也变得越来越大。这对环境的破坏和影响也越来越大。因此，设计一种不需要能源驱动，同时又能起到健身作用的健身设备是十分必要的。 本论文就是在这种背景条件下展开的。通过查阅相关文资料，并对健身器材的研究分析，设计一款不需要能源驱动，适宜人体穿戴的下肢健身外骨骼机器设备。 外骨骼技术来源于生物学中外骨骼。在生物学中，外骨骼是一种能够为生物内部柔软器官进行构型、建筑和保护的坚硬外部结构，例如虾、蟹、昆虫等节肢动物体表坚韧的几丁质骨骼，主要起到保护和支持等作用。古代人类在战争中使用的盔甲是最早应用的外骨骼技术。外骨骼对生物体具有非常重要的作用。首先它起到支撑生物身体的作用，其坚硬的外骨骼具有一定的机械承载能力，并且能够在生物各种活动中如捕食承受剧烈运动的冲击和负载等危害；其次外骨骼还有保护生物内部重要器官的功能。当生物受到意外攻击或伤害时，其坚硬的外骨骼可以起到保护作用；最后外骨骼还起到感知外界环境的作用，其功能类似于传感器[1]。 生物外骨骼这些突出的特点，逐渐引起了学者们的关注。特别是二十世纪九十年 34 代以来，外骨骼技术发展迅猛，国内外许多大学和研究机构都在从事外骨骼技术的研究。外骨骼机器人是一种可穿戴式的机电智能系统，可以跟随穿戴者一起运动。它可以感知穿戴者的动作，从而获取运动信息，通过其自身的动力装置起到增强穿戴者身体机能的作用。外骨骼机器人技术可以应用在军事、医疗、民用等领域，具有广阔的应用前景和强劲的发展势头。 在军事方面，外骨骼机器人主要用来增强单兵负载能力。单兵在行军或者执行任务时需要背负大量的武器弹药、食品以及急救药品，而这些物品重约30公斤甚至更高。这就大大降低了单兵的机动性以及作战能力。而外骨骼机器人则大大增加了士兵的作战能力，使其成为超级士兵。它可以作为单兵行军或者攀爬复杂地形时的负重机构，使士兵在背部负载很重的情况下仍然能够完成快速行走，攀爬，跳跃等一系列动作。另外，对于机动车辆无法到达的复杂地形，通常需要士兵搬运物资，这往往消耗士兵大量体力。但是，穿戴外骨骼机器人之后，士兵不仅可以承受很大的负载而且还能够实现正常行走，奔跑等。这在很大程度上保存了士兵的体力，增加了士兵的机动性以及作战能力。 在医疗领域，下肢外骨骼机器人可以应用于脑中风患者的步态康复。每年全球有数以千万的人因为脑中风而无法正常行走，必须进行步态康复之后才能够正常行走。但是传统的步态修复装置需要耗费大量的时间而且必须在理疗师的全程监护下才能够进行使用。而下肢外骨骼机器人可以在不需要理疗师全程监护的情况下，辅助脑中风患者进行步态康复训练，并且按照提前规划好的健康步态引导脑中风患者进行步态康复训练[2]。此外，下肢瘫痪或者萎缩的病人也可以使用下肢外骨骼机器人进行康复训练，并且在拐杖的辅助下能够实现正常的行走，从而对轮椅说“再见”。 在民用领域，外骨骼机器人也有广阔应用前景。例如登山爱好者可以穿戴下肢外骨骼机器人来帮助承受背部负载，这样就可以携带更多的食物药品等。在事故发生现场，有些情况下，不便于机器进入救援。这时救援人员可以穿戴外骨骼机器人进入事故现场，进行紧急救援等。此外，装有特定背部机构的下肢外骨骼机器人能够轻松实现搬运物资，减轻人体背部实际负载，从而保护人体背部。我国每年有很多体力劳动者因为腰椎突出或者腰肌损伤等原因不能正常工作，这大多与他们背部长时间承受过重载荷或者由于工作时姿势不正确等原因造成的。而穿戴装有背部减力机构的外骨骼机器人可以很好的解决这类问题[3]。背部机构通过下肢外骨骼将加在人体背部的载荷传递到地面，减少了对人背部的压力，进而减少了对人体背部的损伤。 1.1.2 本文的研究目的及意义 本论文主要依据已知的设计参数完成下肢健身外骨骼的三维建模分析。该模型应当符合人机工程学原理,适宜人体在健身的情况下穿戴,并配合人体完成相应的健身动作,而不借助于任何能源。之后，利用有限元分析软件，对模型的主要部件进行分析，主要是强度分析和应变分析，确保主要部件应力低于材料的强度极限，形变在可接受范围内，保证人体穿戴下肢健身外骨骼健身时绝对安全。 本论文设计了一款不借助于任何能源的下肢健身外骨骼设备，并通过相应的机械限位以及有限元分析等方法，确保人体在穿戴下肢健身外骨骼设备时绝对安全。这种设备与一些传统健身设备例如跑步机等相比，不需要任何能源输入，只需要采用拉压弹簧，实现健身功能。。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 1.2.1 国外研究现状 国外下肢外骨骼机器人研究起步较早。早在20世纪60年代末期，美国和前南斯拉夫就开始进行外骨骼技术的研究。1960年至1971年，美国通用公司进行了Hardiman外骨骼系统的研制开发，并计划研制出一整套外骨骼装备。由于技术限制，最后只成功研制了一只手臂。1971年，前南斯拉夫Vukobratovic教授成功研制出了第一个应用于脊髓损伤患者的气缸驱动下肢外骨骼。之后一段时间，外骨骼机器人的研究趋于沉寂，关于这方面的报道也鲜有。直到20世纪九十年代末，关于外骨骼机器人的研究又一次兴起。 图1.1 通用公司设计的 Hardiman 目前世界上许多国家在从事外骨骼技术方面的研究，而研究相对成功的有美国、日本等国家。特别是美国，其研制的外骨骼机器人代表了外骨骼机器人技术的最高水平。因此，主要对美国和日本外骨骼机器人的研究现状和进展做了解。 1960年至1971年，通用公司最早开始了外骨骼机器人研究。它计划研制出一款可穿戴的单兵外骨骼装备Hardiman(Human Augmentation Research and Development Investigation)。该项目设计的初衷是为了缓解单兵长时间行军作战时引起的疲劳，以及在航空母舰上快速地完成搬运导弹等任务。但是，该项目由于伺服控制系统以及平衡等问题没有解决，最终只研究成功了一只手臂。 麻省理工学院于1978年开始进行穿戴式外骨骼机器人的研究，虽然进展相对缓慢，但是有一些值得借鉴的研究成果。2006年，MIT Media Lab's Biomechatronics Group研制的穿戴式下肢外骨骼机器人（如图1.2所示）能够帮助减轻背部背负重物的负载。它可以直接将背部负载的重量大部分传递到地面，有效减少人体背部实际负载。通过对原型机的实验测试表明，该外骨骼可以将80%-90%的负载重量直接传递到地面，当然具体传递的重量也与步态周期的不同阶段有关系。但是它存在一个问题，目前其选择的运动模式可能会干涉到人体正常运动步态[4]。虽然如此，其减轻负载重量的能力是非常值得学习和借鉴的。 图1.2 MIT的穿戴式外骨骼机器人 在2000年，美国国防高级研究计划局（DPRA）启动了“外骨骼增强人体体能表现”（Exoskeleton for Human Performance Augment）计划。该计划投资5000万美元，资助了多家单位进行外骨骼机器人的研究和开发。其中，雷神公司（Raytheon Company）收购的萨克斯(Sarcos)公司、加州大学伯克利分校(U.C Berkeley)、橡胶岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）以及千年禧飞行器（Millennium Jet）公司负责设计和研制整套的外骨骼系统，其他一些获得资助单位则主要负责外骨骼动力供应设备的开发研制[5]。四家单位进行独立研制，分别设计出了自己的外骨骼机器人。 首先介绍一下萨克斯公司研制的“XOS”系列负重机器人，如图1.3所示。“XOS”外骨骼系统是Steve Jacobsen博士及其团队为了创造出超人士兵而研制的，并且由美国国防部高等研究计划局(DARPA)提供了1000万美元的军事研究预算，经过7年秘密研发，成功设计的一款全身外骨骼系统。它代表了机械外骨骼领域最尖端的技术。利用附在身体上的传感器，“XOS”可以毫不延迟地反应身体动作，输出强大力量。当穿上“XOS”，举起200磅（90.7kg）重物时，人体实际只承受了20磅（9.07kg）力，而且连续举50~500次没有问题。此外它的金属拳头，可以很轻松地穿透目标[6]。但“XOS”有一个重大缺陷，即它需要一根电缆来传输能量，利用自带的电池只能使用40分钟。如果解决了能源问题，相信“XOS”很快就可以实用化了。2010年，雷神公司推出了第二款“XOS”外骨骼系统—“XOS 2”。“XOS 2”在研制时注重减少系统能源消耗，其能源消耗仅相当于“XOS 1”的50%。“XOS 2”重约95kg，它采用高强度铝合金和钢材料，既满足了系统的力学性能要求，还减轻了系统的整体重量。 图1.3 “XOS” 外骨骼机器人 “XOS 2”可以使单兵工作速度加快，工作时间延长，工作能力提高了1到2倍。虽然目前的系统还需要缆绳供电，但无需缆绳的系统也已开始研制。“XOS 2”可以轻松完成踢足球和击打沙袋等灵巧动作，而且右手的吊钩可以击穿墙壁。目前“XOS”系列外骨骼机器人有两种型号，一种是后勤补给型的外骨骼机器人，它包括上肢和下肢以及背部机构，主要进行后勤补给,可以完成搬运物资和挂弹等一系列任务。日常任务中，士兵每天需要搬运的负载约16000磅左右。穿戴“XOS”之后，单兵可以轻松完成这些负载搬运工作且其完成的工作量与三个士兵相当。另一种是战斗型的外骨骼机器人，包括下肢及背部机构，主要为单兵作战时使用，用来协助单兵行军并承载背部负载。 “XOS”系列外骨骼机器人的控制策略为利用传感器检测系统信号，通过控制系统来判断人体下一个动作，然后再决定施加在外骨骼需要的力，再通过控制液压系统将需要的力传递给外骨骼系统。另外，系统通过采用结构传感器、传动器和控制器，可对使用者的行动做出响应，无需使用操纵杆进行控制。 加州大学伯克利分校在H.Kazerooni教授及其团队的努力下，也成功研制出了伯克利下肢外骨骼机器人（Berkeley Lower Extremity Exoskeleton 简称BLEEX）,如图1.4所示。BLEEX下肢外骨骼采用拟人化设计思想，它由两条拟人化的金属仿生腿、 图1.4 BLEEX 液压驱动单元、能源动力装置、控制装置以及一个背包组成。BLEEX通过自身的支撑，可以承受绝大部分的负载，减轻人体的负重，从而使人行走更加省力。为了保证外骨骼与人体的协同性，该下肢外骨骼系统包括40多个传感器元件和8个液压驱动器。其控制策略选用的是基于虚拟力矩的方法。通过利用外骨骼机器人的动力学方程来控制液压驱动系统[7]。通过布置在其特定位置的传感器感知装置的当前运动状态，反馈到中心控制电脑，中心控制电脑在分析处理反馈数据后发出控制指令，控制系统做出下一个相应的运动。通过实验表明，穿戴BLEEX后，人体可以在负载重量75kg的情况下以0.9m/s的速度行进，在无负载的情况下可以以1.3m/s的速度行走。而且，当穿戴者背负31.5kg的重物行走时，实际承受的重量只有2.5kg。除此之外，伯克利分校在BLEEX基础上进行改进，研制成功了BLEEX的改良版Exo-Hiker和Exo-Climber等。这两款下肢外骨骼机器人具有更加简洁的机械结构，穿戴、携带更加方便。 HULC是由伯克利分校与洛克希德马丁（Lockheed Martin）公司联合研制的一款外骨骼机器人，如图1.5所示。在穿戴HULC并且负重的情况下，单兵可在水平地面以4千米/小时的速度行进20千米，持续最大速度为11千米/小时，爆发时最大速度 图1.5 HULC 为16千米/小时。HULC也采用了拟人形设计，主要结构使用钛金属材料。系统采用电池供电，使用者可灵活地进行下蹲、匍伏以及上肢举重。HULC系统不带电池时重24公斤，可以携带91公斤的负载。其总体高度可以进行调节，适用于身高约为1.62米至1.87米的人穿戴。该外骨骼装备可通过系统内装的微型计算机进行控制，无需外部控制机制。HULC可通过这种微型计算机感知使用者的需求并作出相应的调整。HULC系统穿戴方便，在设计时考虑到意外情况下能够实现快速解脱逃跑，因此穿戴者可以很快完成穿戴并且可在30秒时间内脱下并打包。HULC系统具备可替换的模块化部件，便于更换和维修。HULC通过封闭空间内的柔性、可延伸单板微电子系统进行支持。驱动装置可吸收微型计算机和其它电子设备产生的热量，无需使用风扇。另外系统的高压液压系统使用的是标准液压油。此外，系统具有多种任务附件，可携带装甲、保暖、制冷和传感器等集成系统。2010年10月，洛克希德马丁公司在纳提克士兵中心对HULC进行实验室试验，包括生物机械试验、动态负重试验以及环境试验等。此外还通过沙尘、吹风、淋雨、温度、湿度等对系统的可维护性进行了一系列测试[8]。 在能源方面，HULC外骨骼装备最初使用的是锂聚合电池，工作时间比较短。在之后的设计中，整个外骨骼系统以节能省电为标准进行设计，以确保在电池电量低的情况下可以承受很大负重。此外，在2010年1月，洛克希德马丁公司与普罗通内克斯技术公司签订了合同，开始研制供HULC专门使用的燃料电池供电系统，计划将其单次供电时间增加到72小时。配备了可充电电池的HULC使士兵在长时间执行任务时携带的电池数量减少。 伯克利分校除了在单兵使用军用外骨骼研究成果显著外，在医疗领域使用的下肢外骨骼机器人研究方面同样成就斐然。伯克利分校仿生实验室在H.Kazerooni教授的带领下设计了一款适合下肢瘫痪或者需要进行步态矫正患者使用的外骨骼机器人——eLEGS（如图1.6所示）。eLEGS是以HULC外骨骼系统为原型，进行设计改造的。他们将HULC下肢外骨骼进行了相应改造设计，从而使eLEGS外骨骼穿戴使用更加方便。它由一个机械框架和拐杖组成，拐杖中有传感器可以对机械框架进行控制。当拐杖中的传感器感知到穿戴者向前移动右拐杖时，eLEGS左腿随之向前移动，以此来协助患者完成行走等基本动作。整套外骨骼重量为45磅（约20公斤）。另外，该外骨骼系统自带电池，电池使用寿命超过6小时。 图1.6 eLEGS 日本在机器人研制方面具有强大优势，近年来他们对外骨骼机器人也进行了很多研究。日本神奈川工科大学K.Yamamoto教授研制的“动力辅助服”PAS（如图1.7所示）能够使人体多承受0.5~1倍自身体重的重量。他们于1990年开始设计可穿戴式助力服，在1991年完成了手臂设计，1994年开发出了配套使用的供电模块、腰部结构以及下肢供电的腿部结构，最终于2002年完成了整个系统设计工作。PAS是专门为医院护士研制的，用来帮助他们照料无法行走的病人或者体重比较大的病人。它由便携式镍镉电池、微型气泵、嵌入式微处理器以及许多传感器组成。它使用肌肉压力传感器来分析穿戴者当前的状态，进而控制气压传动装置来增加人的力量。每个关节都有双轴线，从而可以使得手臂、腰部、腿能够弯曲。肘、腰和膝盖的关节都是利用新开发的直流驱动执行器。而执行器是由镍镉电池驱动的微型空气泵来驱动的。它的控制单元安装在背部，与电池进行连接。PAS由铝合金制作而成，整个系统重量大约为30公斤[9]。 日本筑波大学也成功研制了类似于“XOS”的全身外骨骼机器人。筑波大学的山海嘉之教授研制的混合负重肢体外骨骼机器人——HAL（Hybrid Assistive Limb）。 图1.8 HAL-5 图1.7 PAS外骨骼服 现在已经发展到第五代——HAL-5(如图1.8所示)，并且从2008年10月开始量产，年产量五百套左右。穿戴HAL时，HAL被绑在使用者身上，但是人体不会感到沉。另外肩部、肘、髋部和膝盖等部位安装有一些小型的直流电动马达，这些马达可以充当外骨骼服的肌肉，为穿戴者的运动提供动力支持。HAL主要采用航空飞机机翼使用的硬铝合金材料，重约23公斤。穿戴HAL-5以后，可以帮助人体增加40kg左右的负重能力。 HAL传感器主要分为三部分，能够检测到外骨骼服和穿戴者的情况：一部分是安装在各关节的传感器，能够提供各关节的角度；另一部分是安装在脚底的传感器，能够检测穿戴者在行走过程中与地面的相互作用力；最后一部分是紧贴在穿戴者皮肤上的生物电流感应器，它被安装在肩、肘、髋、膝盖等部位。生物电流感应器主要利用了人体在行走时，大脑会向相应肌肉发电脉冲，当电脉冲沿着肌肉纤维运动时相应的肌肤表面就会产生微弱的生物电信号。当生物电流感应器感应到这些电信号后，就可以通过控制器判断人体的运动意图。因此，HAL-5采用了两种不同的控制策略。第一种类似于PAS，但与PAS又不完全相同。它靠贴附在人体皮肤表面的电机检测微弱的生物电流来判断穿戴着想要的出力方式。第二种控制策略是靠控制系统记忆穿戴者的动作特点，比如如果某条腿比较无力，HAL就会自动调节更加密切的配合使用者[5]。 图1.9 Lokomat 另外，韩国、新加坡、瑞士、德国、法国等国家也在进行外骨骼机器人研究。韩国西江大学研制的外骨骼机器人EXPOS，主要用来帮助行走不方便的老人，增加他们的活动能力以及运动范围。新加坡南洋理工大学Low Kin-Huat教授也在研究和开发一种可以增强人体速度、力量和耐力的下肢增力型柔性外骨骼系统。瑞士Hocoma AG公司和德国的神经康复中心分别研制了卒中、截肢患者下肢康复训练外骨骼系统Lokomat(如图1.9所示)和Hapticwalker。 在主动医疗康复下肢外骨骼机器人系统中性能最好的当属Lokomat，而且现在它已经实现了产业化。现在，世界上许多治疗脑中风的研究机构已经开始使用该设备。Lokomat每条腿只有髋关节屈伸和踝关节屈伸两个自由度，分别有驱动器控制直流伺服电机运动。通过传感器测量关节角度、电机输出力矩以及患者与外骨骼之间的接触力等，传输给控制系统，控制系统分析后发出控制命令控制装置运动。如图所示， Lokomat系统通过平行四边形连杆机构与下面的跑步机以及悬挂系统相连接，整个系统十分稳固。 1.2.2 国内研究现状 目前国内许多大学以及研究机构都在从事外骨骼机器人的研究，如浙江大学、上海大学、北京林业大学、中科院合肥研究所、华东理工大学、南京理工大学、中国科学技术大学等。其中研究助力型下肢外骨骼的主要有华东理工大学、中科院合肥研究所、南京理工大学等，而浙江大学主要从事助力型外骨骼机器人以及步态修复型外骨骼机器人领域的研究并取得了一些阶段性成果。 图1.11 髋关节反力矩装置 图1.10 ELEBOT 目前华东理工大学已经研制出第三代ELEBOT型下肢外骨骼机器人，如图1.10所示，并且ELEBOT机械结构平台已经搭建完成，控制系统以及驱动系统也已搭建完成。通过相关调试和测试，ELEBOT型下肢外骨骼机器人具有一定的负重助力功能。 ELEBOT包括两条仿生金属腿、脚底以及背部机构三部分。髋关节处有三个自由度，膝关节有一个自由度，踝关节处有两个自由度。驱动采用液压驱动，但是每条腿只有膝关节处采用了一个液压缸来支撑，在髋关节处采用了一个气动弹簧反力矩装置来抵消或者减少重物产生的力矩，如图1.11所示。气弹簧的主要作用如下为：当人双腿支撑站立状态时，气弹簧能够在一定程度上限制外骨骼下肢的屈、伸自由度，使其无法向后伸展。当下肢向后伸展时，气弹簧的反力矩机构阻止了外骨骼下肢的运动，同时向后运动的趋势将腰部向上顶起，从而将将负载和背架支撑起来，从而使人在双腿支撑站立状态时，减小了负载对人产生的作用力，使人穿戴起来更舒适[10]。 哈尔滨工业大学研制的外骨骼机器人主用于下肢康复性训练，属于主动的下肢康复医疗装置。严格意义上讲，它不属于外骨骼的范畴。它主要是通过模拟正常人行走的步态和踝关节运动的姿态带动患者按照正常步态行走，同时依靠装置的重心控制系统来模拟控制正常人行走时的运动规律。该装置主要采用的是被动的控制策略，带动患者进行被动的步态训练最终达到康复的目的。 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室也一直从事下肢外骨骼机器人的研究， 图1.12 浙江大学研制的下肢康复训练外骨骼系统 图1.13 中科院助力机器人原型 并且分别在2005和2009年成功研制出气动下肢步行柔性外骨骼系统和脑中风患者下肢运动康复训练柔性下肢外骨骼系统（如图1.12所示）。其中脑中风患者柔性下肢外骨骼系统具有四个自由度，每个关节由液压线性执行器驱动，它可以根据患者的病情进行调节，带动患者进行主动、半主动、被动等多种康复训练[1]。 自2004年起，中科院合肥智能所机器人传感实验室致力于开展可穿戴智能助力机器人的研究。采用理论研究、仿真分析、模型试验研究相结合的方法，对可穿戴步行助力机器人的构型、感知和控制方法等进行了分析，取得了一定的研究成果，并研制出一款可穿戴型步行助力机器人原型样机，可为使用者提供额外动力，帮助使用者增强其下肢运动能力，其原型机如图1.13。 1.3 本文研究内容 外骨骼机器人技术是一项高度集成的高科技技术，它的实现和突破离不开能源技术、材料技术、加工技术、驱动技术以及控制技术的支撑和推动。尽管目前国内下肢外骨骼技术研究取得了很大进步，但是距离实用阶段和市场推广阶段仍然有很长的路要走。本文旨在设计一款方便穿戴，与人体有良好适应性的下肢外骨骼机器人。因此，本文主要围绕下肢外骨骼机器人的结构设计和分析展开工作。具体工作如下： 1、采用proe建立下肢健身外骨骼机器人模型； 1)髋关节、膝关节、踝关节设计； 2)大腿、小腿长度调整机构； 3)弹簧选择； 2、采用有限元分析软件进行强度应力校核。 2 基于人体生物力学的下肢健身外骨骼设计 2.1 人体下肢解剖学概述 下肢外骨骼机器人是穿戴在人体上的，因此其与人体解剖学具有密切联系。 解剖学上定义了人体基本平面和基本轴。人体解剖学姿势均以身体直立，面向前方，两眼平视前方，两足并拢，足尖朝前，上肢下垂于躯干的两侧，掌心向前的姿势为标准[1]。为了方便，将人体分为矢状面、冠状面和水平面三个平面，而三个平面两两相交线又有三个基本轴即矢状轴、冠状轴、水平轴，如图2.1所示。 图2.1 人体的基本平面和基本轴 矢状面指向前后方向，将人体分为左、右两个部分的纵切面，此纵切面与地平面垂直。此外，经过人体正中的矢状面为正中面，它将人体分为左右对称相等的两个部分。冠状面又称为额状面沿着左右方向，将人体分为前后两部分的纵切面，它与水平面和矢状面相互垂直。水平面又称作横切面它将人体分为上、下两部分并与地面平行，与其余两个面两两垂直。 矢状轴是矢状面与水平面的交线，在矢状面内并且垂直于额状面；冠状轴又称为额状轴是冠状面与水平面的交线，在额状面内并且垂直于矢状面；垂直轴是额状面与 矢状面的交线，垂直于水平面[1]。 由于外骨骼是穿戴在人体上的，因此外骨骼运动形式与人体基本平面内关节运动形式也有密切关系。人体运动主要来自于关节，关节的运动形式和范围也相应决定了人体对应部位的运动形式和范围。人体下肢关节的运动主要为旋转运动，包括屈伸、外展内收、旋内旋外等方式。 屈伸运动是指在矢状面内，运动环节是相邻两关节中心之间的部分，绕着额状轴转动。一般来说，关节的屈指向腹侧面成角，伸则相反，如髋关节的屈伸运动。但是膝关节则刚好相反，当小腿向后贴近大腿侧时为膝关节的屈，反之为伸。在足部，足上抬，向小腿靠近时为踝关节的伸，又称作背屈；足尖下垂称作踝关节的屈，又称作跖屈。外展内收运动是指运动环节在额状面内绕矢状轴运动，接近正中面的为内收，远离正中面的为外展。旋内旋外运动是运动环节在水平面内绕垂直轴旋转，由前往后旋转为旋内运动，由后往前旋转为旋外运动。如图2.2所示。 图2.2 人体下肢关节运动形式 2.2 下肢关节运动机理研究 人体下肢包括骨带盆以及下肢骨，主要有髋关节、膝关节、踝关节等关节组成。人体下肢做出的各种运动，都是下肢各个关节之间相互运动产生的。图2.3为人体下肢关节图。 髋关节由髋骨的髋臼和股骨头组成，属于典型的球窝关节，如图2.4所示。在髋臼的边缘有关节盂附着，增加了关节窝的厚度。髋关节周围有很多韧带来限制髋关节运动范围。髂股韧带，呈人字形，长而坚韧，主要限制大腿过度后摆，对维持站立姿态具有非常重要的意义。耻骨韧带位于关节囊下部，起到限制大腿过度外展和旋外的作用。坐骨囊韧带位于关节囊后部，有限制大腿旋内的作用。髋关节为多轴性关节，能够完成旋内旋外、内收外展、屈伸等运动。但是由于股骨头深入髋臼较深，加 图2.3 人体下肢关节 之关节囊比较厚以及关节韧带的原因使得髋关节沿各个轴的运动受到一定限制[11]。 综上所述，髋关节具有三个自由度，分别是矢状面屈伸自由度、额状面外展内收自由度以及水平面旋内旋外自由度。 图2.4 髋关节解剖图 图2.5 膝关节剖面图 膝关节主要由股骨、胫骨以及髌骨之间的关节面构成，具体包括股骨内外侧的髁关节面、髌面、胫骨的内外侧髁关节面和髌骨的后面。膝关节的关节面为椭圆形，周围韧带多而强，特别是膝关节内交叉的两条韧带。前交叉韧带附着于胫骨髁间前窝，斜向后外上方，止于股骨外侧髁内面的后端，主要限制胫骨前移。后交叉韧带位于前交叉韧带的后内侧，较前交叉韧带短，起自胫骨髁间后窝及外侧半月板的后端，斜向前上内方，附于股骨内侧髁外面的前份，主要限制胫骨后移[11]。 因此，膝关节绕垂直轴运动范围很小，在伸直时，韧带拉得更紧，不能做任何旋转运动。所以通常情况下，一般认为膝关节仅具有屈伸自由度，可以将其看做一个铰关节。 图2.6 踝关节解剖图 踝关节主要由胫骨下关节面、内踝关节面与外踝关节面共同形成的一个叉状关节窝和以距骨上方的髁状关节面为管接头而连接形成的一个髁状关节，如图2.6所示。踝关节只有一个主要的运动轴，绕额状轴可做屈足背、屈跖等动作。同时，由于距骨的髁状关节面前宽后窄，当足屈时，髁状关节面较窄的部分未能填满关节窝，这使得踝关节可绕矢状轴做微小的外翻和内翻运动。此外，踝关节还可以做小幅度内收外展动作[11]。 因此，通常情况下，认为踝关节具有屈足背、屈跖以及外翻和内翻两个自由度。 综上所述，可以得知髋关节、膝关节、踝关节的自由度情况，见表2.1所示。 表2.1 人体下肢各关节自由度情况 参考面 关节 髋关节 膝关节 踝关节 矢状面 屈伸 屈伸 屈足背、屈跖 冠状面 外展内收 无 外翻和内翻 横截面 旋内旋外 无 无 接下来对人体下肢各关节运动角度作一下定义： 图2.7 关节角度定义 首先对人体下肢关节角度以及转矩的正负以及数值大小确定做如下说明。当人体双脚水平站立时，各关节角度为0。行走时，关节角度方向从主动近端关节到被动远 端关节逆时针方向为正，角度大小为主动近端关节与被动远端关节轴线之间夹角。力矩的定义相同，如图2.7所示。 2.3 下肢健身外骨骼设计 在完成对人体下肢关节运动机理研究之后，开始进行下肢健身外骨骼结构设计。下肢健身外骨骼与穿戴者组成一个人机耦合系统，因此在设计时应考虑如下因素：首先，下肢健身外骨骼在设计时应当考虑人机作用方式，即下肢健身外骨骼与穿戴者的作用方式。在充分考虑人机工程学以及仿生学的基础上，应该尽可能采用拟人化的设计方法。具体体现在，下肢健身外骨骼关节位置以及关节自由度需尽可能与人体匹配，以满足人体下肢关节运动范围的要求。其次，下肢健身外骨骼应具有良好的适应性。由于不同人身高体重的不同，其下肢的几何尺寸也是不同的。因此，在设计时，下肢健身外骨骼系统结构尺寸应当在一定范围内可调节，以适应更多的人穿戴。这就需要参考人体相应的标准加以设计。然后，下肢健身外骨骼系统应当具有轻便、快速穿戴及解脱、便携、坚固耐用等特点。这就需要从材料选择、机构设计方面加以保证。最后，也是最重要的一点，就是下肢健身外骨骼系统必须足够安全，不管是在正常工作还是在故障条件下，系统都不会对人体造成伤害。这就要从可靠性以及控制等方面进行规划加以保证。此外，系统还应考虑的因素包括系统散热性能、噪音性能等。 2.3.1外骨骼机器人构型设计 以往外骨骼机器人的设计大致分为两类，一类是非拟人化设计如Hardiman，另一类为拟人化设计，最典型的为伯克利的BLEEX。下面分别介绍一下这两种方式的优缺点。 图2.8 外骨骼机器人结构图 非拟人化设计是比较常见的，它在设计时不以人体为基础，与人非同构性，不反映人体运动特征，只考虑如何实现设计目的，如自行车的设计。外骨骼机器人如果采用非拟人化设计的话，结构会相对简单，只需保证与人体不产生干涉就可以。由此带来的后果是系统所需空间大，比较笨重；不能保证人体的安全，在行走时可能会强制人体做出不需要的动作，从而对人体造成伤害；不能很好的跟随人体一起运动，对人体运动产生阻碍。 拟人化设计也分为两种：完全拟人化设计、半拟人化设计。完全拟人化设计要求系统与人体结构完全相同；半拟人化设计则要求系统关键部分与人体结构相同即可。人体下肢关节结构非常复杂，基于目前技术限制，完全模仿是不可能的，我们只能做到半拟人化设计。当我们采用半拟人化设计时，外骨骼机器人结构与人体下肢结构基本相同。系统模仿人体下肢主要关节，满足人体下肢各关节各自由度运动范围。基于拟人化设计的外骨骼系统，系统空间体积相对较小，能够很好地跟随人体运动；不容易与人体产生干涉；控制相对简单。 基于两种方法优缺点的综合考虑，我们选择拟人化设计,系统三维模型如图2.8所示。 2.3.2 外骨骼机器人各关节设计 采用拟人化设计方法设计的外骨骼机器人系统，包括背部机构和仿生腿，如图2.9所示。系统下肢各关节与人体下肢关节类似，具体设计如下。 通过上述分析，我们可知髋关节为球窝关节，具有三个自由度，分别是矢状面屈伸自由度、额状面外展内收自由度以及水平面旋内旋外自由度。从机械设计方面考虑，我们完全可以设计出类似的球窝关节，但是考虑到关节驱动问题，目前对球窝关节关节进行驱动还是比较困难的。因此在设计时，我们做了如下变通，在结构方面没有模仿人体髋关节结构，而是在功能上进行模仿即设计的外骨骼髋关节具有上述二个自由度，即屈伸自由度、旋内旋外自由度。 根据上述分析，设计的外骨骼髋关节如图2.9所示。 图2.9（b） 旋内旋外自由度实现 图2.9（a） 外骨骼机器人髋关节结构 图2.9(b)为髋关节旋内旋外自由度，转动角度为-40°-40°，可以外加机械限位机构进行限位用来保证人体安全。图2.9(b)为髋关节旋内旋外自由度，在设计时综合考虑了大腿长度调整方式。内套筒与大腿杆利用大腿杆上夹紧机构夹紧，可进行高度调整。转动件相对于大腿杆与内套筒可以自由转动，进而实现髋关节旋内旋外自由度设计。 人体膝关节结构也是很复杂的，其主要运动为矢状面内屈伸运动，除此之外还可以做小幅度转动。因此，在设计时，我们可以认为膝关节只有屈伸自由度，是一个铰关节。所以，在机械设计方面，我们可以用一个铰接转动副来代替膝关节。 图2.10 外骨骼机器人膝关节结构 图2.11 外骨骼踝关节结构 根据上述分析，设计的外骨骼膝关节如图2.10所示。在设计时考虑到人体膝关节运动范围为0~-65°，因此在机械结构方面，必须对膝关节的运动范围加以限制，否则可能因为故障对人体造成伤害。 人体踝关节结构更为复杂，完全模仿进行外骨骼踝关节设计非常困难。因此，我们同样只在功能上进行模仿。人体踝关节具有屈足背、屈跖、外翻和内翻以及内收外展三个自由度。由于其内收外展范围比较小，而且可以通过髋关节的内收外展来间接实现。因此，在设计时，外骨骼踝关节只要满足剩余两个即可。 根据上述分析，设计的外骨骼踝关节如图2.11所示。外骨骼踝关节采用杆端关节轴承来实现屈足背、屈跖、外翻和内翻两个自由度。其关节屈伸自由度转动角度为 -40°~40°。 除了上述三个主要关节外，人体足部还有脚趾跖趾关节。人体在行走时，脚底并不是一个平面，而是随着脚的起落，脚底面是会有屈曲。在设计时，外骨骼足部选用可变形的橡胶，与鞋子类似，能够跟随人体足部完成屈曲动作。 图2.12 人体各部分与身高比例 2.3.3 外骨骼机器人其余部件设计 外骨骼机器人要具有良好的适应性，因此其大腿、小腿以及髋部长度都是可以调整的。本文设计的外骨骼机器人也充分考虑到这一要求，在进行结构设计时参考了中国成年人人体尺寸国标（GB/T 10000-88）。它提供了七个类别共计47项人体尺寸数据，按照性别分别给出了人体主要尺寸、立姿人体尺寸、坐姿人体尺寸以及人体手部、足部尺寸等。该标准于1988年12月制定，在1989年7月实施，尺寸偏小。因此在设计时还参考了美国弗吉尼亚联邦大学测绘的人体各个部分相对于人体比例，如图2.12所示。 本文设计的外骨骼系统适于165cm~185cm成年人使用。按照图2.12所示人体各个部位相对于身高比例，我们可以大致计算出外骨骼系统各个部分尺寸范围，如表2.2所示。 表2.2 人体部分结构尺寸 人体身高 155cm（mm） 170cm（mm） 180cm（mm） 踝关节高度 60.45 66.3 70.2 小腿高度 381.3 418.2 442.8 大腿高度 379.75 416. 5 441 下肢总高度 821.5 901 954 腰部宽度 296.05 324.7 343.8 根据表2.2，我们可以看出，踝关节调节范围非常小，大约8mm。在设计时，可以将其高度定位72mm，再加上人体鞋子高度，总高度定为100mm即可。因此，不需要再设计高度调节机构，简化了系统复杂度。 人体小腿的长度范围为405.9mm~455.1mm，可调整高度大约为50mm。在实际设计中，我们将小腿长范围定为406mm~456mm，调整高度为50mm。本文我们采用如图2.13所示的结构。 图2.13 小腿长度调节机构 图中小腿杆为薄壁硬铝合金圆筒，长度调整杆也为薄壁硬铝合金圆筒。采用此结构有如下好处，既可以减轻系统总体重量，又可以走传感器连接线等。 人体大腿长度范围为404.25mm~453.25mm，长度调整范围为49mm。在实际设计中，我们将外骨骼大腿长度定为404mm~454mm，长度调整范围为50mm。本文设计的大腿长度调整机构如图2.14所示。 图2.14 外骨骼大腿长度调节机构 图中大腿杆以及长度调整杆采用的都是薄壁硬铝合金圆筒，同样起到减轻外骨骼系统重量以及走线的作用。 人体腰部长度范围为315.15mm~353.35mm，长度调整范围为38.2mm。在实际设计中，我们将腰部长度定为315mm~355mm，长度调整范围为40mm。本文设计的腰部调整机构如图2.15所示。 图2.15 外骨骼腰部长度调节机构 腰部结构在实际设计中考虑到人体身高以及胖瘦不同，在两个方向都可以进行长度调节，以适应更广泛的群体能够穿戴外骨骼机器人。 之后便是外骨骼足部的设计。足部于非常主要的位置。首先，外骨骼足部与穿戴者脚是固定在一起运动的。足部必须有一个自由度即脚趾跖趾关节屈曲自由度。因此，在设计中，采用的是可以产生弹性变形的橡胶作为主要材料。具体设计如图2.16所示。 图2.16 外骨骼足部结构 综上所述，下肢健身外骨骼的长度在965-1085mm范围内是可以进行调节的，符合设计要求。 2.3.4 弹簧的选择及安装 下肢健身外骨骼要求腿肢弹簧负载范围为-75N-+75N。因此参考机械设计标准，选择偏心圆钩类型的拉伸弹簧。其具体参数如下： 簧丝直径：2mm； 弹簧中径：28mm 弹簧刚度：7.20N/mm； 弹簧初始长度：100mm； 弹簧最大拉伸长度：130mm； 综上所述，可以得知弹簧的拉力可调值在0-216N，可以满足-75N-+75N的调节范围和要求。 2.4 本章小结 （1）对人体下肢解剖学及下肢关节结构进行了研究分析，得到了人体下肢关节的运动副结构特征及其自由度情况。 （2）采用拟人化设计方法，利用Proe设计了一款下肢健身外骨骼。 （3）选择了适合该下肢健身外骨骼的弹簧，以满足穿戴者的健身要求。 3 下肢健身外骨骼有限元分析 下肢健身外骨骼是穿戴在人体上的，随着人体一起进行运动。因此，必须要保证穿戴者的人身安全。本文除了在机械设计过程中采用相应的机械限位方式，保证穿戴者的安全之外，还必须通过工程计算分析，保证结构的强度和变形范围在可以接受的范围之内，且不至于过大，防止对人体产生不必要的伤害。因此，本章利用有限元分析软件对下肢健身外骨骼的重要零部件进行强度分析校核，进而优化设计。 有限元分析软件有很多，比如ANSYS、ABAQUS以及solidworks、catia、proe等软件自带的有限元分析软件等。鉴于本文模型的结构形式，本文选择catia自带的有限元分析软件进行重要零部件的强度分析和校核。 3.1 小腿重要零件的有限元分析 小腿部件主要包括小腿外杆和小腿内杆，但是最要承受力的是小腿外杆。因此，下面主要对进行小腿外杆进行有限元分析。 小腿外杆受力最大处在两个极限位置，即人体完全站立时以及膝关节屈曲最大处，这两处受力大小一致但方向相反。因此，我们可以只分析其中一种情况，即膝关节屈曲最大处时，小腿外杆的受力情况。 3.1 小腿外杆网格划分以及约束添加 图3.1所示为小腿杆网格划分以及约束添加情况，在连接弹簧处施加100N小腿杆轴向的向下的力，下端内壁采用固定的约束方式。分析结果如图3.2所示： 1 西安工业大学北方信息工程学院毕业（论文） 西安工业大学北方信息工程学院毕业（论文） 4 基于ADANS的外骨骼虚拟样机模型及仿真 图3.2（a）小腿外杆应力分析 图3.2（b）小腿外杆变形位移分析 分析结果如下： 最大应力为：5.31MP＜7075铝合金强度极限 最大变形位移：0.00271mm 综上可知，小腿外杆应力变形都较小，符合要求，是安全的。 3.2 大腿重要零件的有限元分析 西安工业大学北方信息工程学院毕业（论文） 大腿部件主要包括大腿外杆和大腿内杆，但是最要承受力的是大腿外杆。因此，下面主要对进行大腿外杆进行有限元分析。 大腿外杆受力最大处也在两个极限位置，即人体完全站立时以及膝关节屈曲最大处，这两处受力大小一致但方向相反。因此，我们可以只分析其中一种情况，即人体完全站立时，大腿外杆的受力情况。 图3.3 模型简化 在分析之前，为了方便网格划分，需要对其模型进行相应的简化处理，如图3.3所示。 图3.4所示为大腿杆网格划分以及约束添加情况，在连接弹簧处施加100N小腿杆轴向的向下的力，下端采用固定的约束方式。分析结果如图3.5所示： 图3.4 大腿杆网格划分以及约束添加 图3.5（a）大腿外杆应力图 图3.5（b）大腿外杆位移变形图 分析结果如下： 最大应力为：3.96MP＜7075铝合金强度极限 最大变形位移：0.0537mm 综上可知，大腿外杆应力变形都较小，符合要求，是安全的。 通过有限元分析，可以得知下肢健身外骨骼应力和变形都比较小，都在许可范围内，满足使用要求。 3.3 本章小结 本章利用有限元分析软件对下肢健身外骨骼进行有限元分析，分析结果表明外骨骼应力应变都较小，在许可范围内，满足使用要求。 4 基于ADAMS的外骨骼虚拟样机模型及仿真 4.1 利用ADAMS对外骨骼的模型进行仿真 一般利用ADAMS/View 提供的建模构件工具可以直接建立模型, 但对于复杂的机械模型, 一般采用的方法利用其它专业的CAD软件建立模型, 然后通过ADAMS提供的CAD模型数据接口导入CAD软件中的模型后进行仿真。具体仿真过程如下: 1)在CAD软件SolidWork中绘制外骨骼模型, 保存格式为Parasolid。 2)模型通过数据接口导入到ADAMS中, 首先编辑构件属性, 然后添加约束和驱动, 最后设置环境接触。 3)设置仿真参数, 仿真完毕进入后处理模块分析。外骨骼长度和质量参数设置如表1。 表1 外骨骼参数设置 躯干 大腿 小腿 足部 长度( m ) 0.46 0.42 0.34 0.26 质量( kg) 8.62 7.67 4.59 1.63 为降低仿真的复杂程度, 约束外骨骼在纵向平面内运动。根据外骨骼足部与地面的关系, 外骨骼行走过程分为几种不同的状态, 包括双支撑状态、单支撑状态、冗余单支撑状态等。图4.1为外骨骼从初始站立到一脚抬起, 再到右脚着地的仿真。从图中可以看出, 该结构与BLEEX 的液压驱动方式不同, 采用电机驱动方式, 利用髋、膝和踝关节安装的力矩电机为关节运动提供力矩。其中, 外骨骼的关节设定为旋转约束, 两个足底脚尖和脚跟分别安装传感器测量足底压力。 5 结论 图4.1