ｉｉ；；；ｉ；；；；ｉｉｉ；；；ｉ；；；；；；；ｉｉ；；；；罱ｉｉ；；ｉ；；；；ｉｉｉｉｉ；；；ｉｉｉｉｉｉｉ；；；；ｉｉ罱ｉｉｉｉｉ；；；ｉ；ｉｉｉｉｉ；（４）外骨骼机器人和操作者需要实现真正的人机一体化。外骨骼机器人的控制系统算法要能保证它可以和使用者能够保持协调一致的运动，进而降低二者之间互相干涉作用，并可以根据各种传感器反馈信息对机器人姿态进行调整，根据人的运动意图来适时提供助力。（５）驱动器的合理选择。基于外骨骼机器人结构简单、轻巧便携、动力稳定足够的思想，为机器人提供主动驱动力的装置在具有良好的稳定性的基础上，既要有较轻的重量和较小的体积，又必须具有足够的驱动力或驱动扭矩。哈尔滨工程大学硕士学位论文１．４论文的主要工作本课题的研究内容主要集中在下肢外骨骼助力机器人系统的整体结构设计、控制系统设计、动力学建模仿真分析、控制算法研究和仿真分析以及实验研究等。具体来说，主要有以下几个方面：１、参阅大量国内外关于外骨骼式机器人领域的研究状况和发展趋势的有关资料，分析了下肢外骨骼助力机器人的技术难点。２、基于拟人化思想设计机器人整体结构方案，并且根据人体生物学计算工作空间，完成四杆膝关节的结构设计，包括连杆的优化设计和瞬时转动中心的计算与运动仿真，并确定整体结构方案和控制方案。３、对人体下肢运动机理和摆角轨迹进行研究，通过ＭＡＴＬＡＢ中的ＳｉｍＭｅｅｈａｎｉｃｓ模块进行动力学仿真分析。４、通过拉格朗日法建立下肢动力学数学模型，对于机器人进行位置、速度双闭环模型研究和仿真分析，并且在机器人位置控制的基础上，进一步对阻抗控制原理和模型进行研究，通过仿真分析验证其正确性。５、基于ｄＳＰＡＣＥ进行半物理仿真实验平台，进行直流电机伺服控制实验、单腿空载和带负载的步态轨迹跟踪实验、单腿不同周期的步态轨迹实验、双腿协调步态轨迹实验和真人实验。第２章下肢外骨骼助力机器人整体方案设计ｉｉｉｉｉｉｉｉ宣ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ宣ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ眚ｉｉｉ宣ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ第２章下肢外骨骼助力机器人整体方案设计２．１引言在确定下肢外骨骼助力机器人整体机械结构方案时，要遵循拟人化思想，因此，要对人体基本运动系和下肢运动步态规律有所了解，根据人体下肢行走时各个关节的运动特征，选择合理的驱动方案和驱动元件，并且还要求机器人的工作空间要满足人体下肢运动范围。膝关节作为最复杂的运动关节，要尽量进行拟人化设计。目前四连杆机构不仅结构简单，而且具备了膝关节的运动特征，对其瞬心轨：迹进行计算和分析，能够很好的满足仿生要求。下肢外骨骼助力机器人主要针对下肢有运动功能障碍的人群，因此选择合理安全的控制策略，设计稳定高效的控制系统是机器人能否满足要求的重要因素。２．２人体步态分析２．２．１人体基本运动系为了更好的实现下肢外骨骼助力机器人的拟人化结构设计，首先必须根据人体运动生物学确立人体参考系。临床医学、体育学及人体运动学研究定义的三维参考系包括三个基本平面和三个基本轴ｔ３０，３ｕ，分别如图２．１和２．２所示。其中矢状面与地面垂直，经过人体中心将人体分为左右两部分；称为冠状面（又称额状面）与地面垂直，经过人体中心将人体分为前后两部分；水平面（又称横切面）与地面平行，经过人体中心将身体分为上下两部分。在额状面内且经过人体中心垂直于矢状面的轴，称为额状轴；在矢状面且经过人体中心垂直于额状面的轴，称为矢状轴；垂直通过水平面的轴，垂直于水平面且经过人体中心的轴称为垂直轴，它是冠状面和矢状面的交线。人体完成下肢步态轨迹运动主要依靠髋关节、膝关节和踝关节的运动实现，根据人体解剖学的研究表明，髋关节和踝关节具有３ＤＯＦ，分别为屈伸、回旋与环旋、外展与内收三个自由度，而膝关主要有１ＤＯＦ，即屈伸自由度。屈伸：指运动关节在矢状面内绕额状轴运动，定义大腿向前运动时为屈，向后运动为伸。外展与内收：指运动关节在额状面内绕矢状轴运动。回旋：指运动关节在水平面内绕其本身的垂直轴旋转。９哈尔滨工程大学硕士学位论文环转：指运动关节绕额状轴、矢状轴等连续运动。水平面圈图２．１人体基本平面图２．２人体基本轴２。２．２下肢各关节运动特点分析髋关节是人体重要的负重部分，它能够绕三个相互垂直的运动轴上做屈伸、外展与内收和环转等多种运动，作为全身位置最深的多轴运动关节，其生理结构相对比较稳固，但是灵活性很高，运动也是比较复杂的，其解剖图如图２．３所示。Ｈｌ出ｆ采ｔ簿受蔓眦ｄｔ坷０ｆＷ｜蛳Ｉ｛蝴ｌ｝ｂ潮ｃｆ】：｛Ｉ槲ｌｑ德‘删ｄ≈ｌＩ他舔ｊＭ埘ｌ｛■ｒｆ＊图２．３髋关节解剖图图２．４膝关节解剖图１０第２章下肢外骨骼助力机器人整体方案设计膝关节作为人体最大最复杂的关节，包括股骨下端、胫骨上端和髌骨【３２１。其主要运动是屈伸运动，其剖面图如图２．４所示。在屈膝运动时，膝关节会有微小的环旋运动，由于对正常步态运动影响不大，因此在机器人结构设计和建模中经常忽略此自由度。因此，膝关节可以简化为只具有一个屈伸自由度的单轴关节。踝关节也是人体下肢相对比较复杂的关节，包括胫骨远侧端关节面，腓骨远侧端关节面和距骨滑车关节面。具有３ＤＯＦ，可做足背屈、跖屈和内翻、外翻运动。跖屈时还会有微小的旋转、内收和外展运动。其结构图如图２．５所示。踝关节的运动对于使足底支撑力向腿部骨骼的传递和保证行走稳定性具有重要的意义【３３１。图２．５踝关节解剖图下肢关节各个自由度都有相应的运动范围，主要运动特征及运动角度参考值如表２．１所示，这为设计下肢外骨骼助力机器人的机械结构与合理的工作空间提供了重要参考［３４，３５］。表２．１下肢各关节活动范围运动特征角度变换范Ｉ围（。）共同特征屈１２０伸１５髋关节外展４５内收３０旋内４５旋外４５屈∥申屈１３０膝关节伸Ｏ背屈２０踝关节跖屈４５ｉｉｉｉｉ；；；；ｉｉｉｉｉｉｉ；ｉｉｉｉｉｉｉｉｉ；；；；宣ｉｉｉｉｉｉｉ宣宣ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ；；；；；ｉｉｉｉｉｉｉｉ高；；；；；ｉｉ高ｉｉ宣ｉ；；；；ｉ高ｉｉｉｉｉｉ哈尔滨工程大学硕士学位论文２．２．３步态周期时相分析步行运动是一种周期性运动，步行过程中双脚与地面交替接触和分离，并且脚与地面是一个滚动接触过程。从双腿分析步行运动，一个完整的步态周期如图２．６所：示。包单足支撑相（ｓｉｎｇｌｅｓｕｐｐｏｒｔｐｈａｓｅ）和双足支撑相（ｄｏｕｂｌｅｓｕｐｐｏｒｔｐｈａｓｅ）两个阶段。在单足支撑相期间，一条腿足底接触地面承担身体重量，另一条腿处于摆动期。在双足支撑相中，双足着地，由双足支撑身体重量。包括前足着地双足支撑和后足着地双足支撑两个时期，分别对应图２．６中的第一个双足支撑相和第二个双足支撑相。如图２．６所示，对于指定的右腿而言，完整的步态周期分为支撑相（ｓｔａｎｃｅｐｈａｓｅ，ＳＴＰ）和摆动相（ｓｗｉｎｇｐｈａｓｅ，ＳＳＰ）两个阶段，足趾离地进入摆动相（摆动相占步态周期的４０％），在摆动相期间，腿总是先屈膝，然后向前摆动，直至大小腿运动到一条直线。足跟着地即进入支撑相，身体重心连续向前运动，支撑相占步态周期的６０％（其中单侧肢体支撑期占４０％，双侧肢体支撑期占２０％）［３６】，当足趾再次离地时完成一个步态周期。卜—————————一支撑相——————————＋＿——————一摆动相———一卜鼍五努＋一单腿支撑—卜专虽努斗初始摆蚌中期摆动惭期摆动一～Ａ霎卜——斗——————————————————｝＿—————卜—————————————一÷釜ＡＡＡ八於ｌ０１２％５０％６２％１００％图２．６人体步态周期２．３机器人整体结构方案根据人体下肢生物学结构特征和步态规律，在设计机器人机械结构方案时，主要需要遵循以下几个原则：１）｝几械机构要具有人体下肢运动的主要自由度，以满足正常人步态规律的要求。２）驱动元件的选择要根据人体下肢的主要运动特征和工作空间确定，并且要充分考虑控钮系统的适用性。３）饥械结构各杆件在长度上要尽量可调，尽量减小人体与外骨骼的直接接触面和相互干扰，达到减小对人体限制的目的。４）在满足最大负载时强度和刚度的条件下，要保证机器人在结构设计上尽量简单紧凑，轻巧舒适。１２
下肢外骨骼助力机器人系统研究 - 图文
