第２章下肢外骨骼助力机器人整体：方案设计ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ宣ｉ罱ｉｉｉｉ赢ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ；；ｉ；ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ宣ｉ——一２．３．１机器人关节运动范围根据下肢各关节的共同运动特征可知，步态规律主要是靠髋关节和膝关节的屈／伸运动完成，因此，我们主要考虑这两个自由度的设计。人体下肢平面运动坐标系如图２．７所示，其中仇为髋关节的屈／伸角度，仇为膝关节的屈／ｆＥ｝角度。系统初始位置在大腿最大转角，小腿最小转角处。结合下肢外骨骼助力机器人工作情况的需要，参考人体运动参数‘３７，３８】，设计髋关节和膝关节屈／伸角度范围为：晚＝－１５０￣＋３０。仇＝＋５０～＋５５ｏ●Ｉ髋关节｛姗刊≥小腿干／钆＼膝关节哇矽：｛足＜２．３．２驱动方式和驱动元件选择渤—一静蕊崆布图２．７下肢平面坐标系驱动方式的选择直接关系到系统是否能够按照要求快速完成预期的动作，不仅要有较快的响应速度，较好的动态性能，还有具有一定的灵敏度，这样便于集中控制。从机器人设计的结构紧凑，质量轻巧的原则上讲，还要求驱动系统具备效率高、体积小、质量轻、自控性强、可靠性高等特点。驱动方式一般可以分为液压驱动、气压驱动和电气驱动。下肢外骨骼助力机器人用于主要用于帮助有下肢运动功能障碍的进行康复训练，要１３；；ｉｉｉ赢宣ｉｉｉ昌ｉｉｉｉ宣皇罩ｉｉｉ皇置ｉｉｉｉｉ高霉ｉｉｉ；宣奄ｉｉＩ哈尔滨工程大学硕士学位论文。——ｉｉｉｉ；品墨ｉｉ罱罱筒；ｉｉｉ高求髋关节和膝关节在同一个平面内做屈／伸运动，通过对几种驱动方式的比较，选择电动缸作为驱动元件，如图２．８所示。它是一种将电机的转动转化为直线运功的装置．，具有结构简单，安装方便，控制精度高等优点。图２．１ｔ电动缸在机器人Ｊ豆／，ｉ＇Ｅｂ运动的两个极限位置如图２．９所示，这是机器人在模拟步态时的最大摆动鞋：围。在ＣＡＤ二维设计软件中测得大腿杆转动范围为４９．８。，小腿杆转动范围为５４．３０，均符合设计要求。图２．９机器人运动极限位置１４第２章下肢外骨骼助力机器人整体：方案设计ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ葺ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ２．３．３瞬心轨迹计算图２．１０瞬心轨迹分析如图２．１０所示，大腿连杆与ＡＤ杆固连，小腿连与ＢＣ杆固连。设ＡＢ＝ｔ，ｍｍ，ＢＣ＝Ｚ２ｍｎａ，ＣＤ＝１３ｍｌｎ，ＤＡ＝１４ｍｍ。初始角度分别有ＺＣ＝Ｏｒｌ，／Ｂ＝ａ：４，刨＝ａ３，ＺＤ＝Ｏｒ２，厶与水平方向夹角为臼，设机构瞬心坐标为只：（ｘ，Ｙ）。确定各点坐标为：Ａ［－Ｉ，ＣＯＳ（ａ。＋ａ：），‘ｓｉｎａ４］，Ｂ（１２一己ＣＯＳＯ［１，Ｏ），Ｃ（一１３ＣＯＳａｌ，Ｏ），Ｄ（０，１３ｓｉｎａｌｏ设ＣＤ杆转过任意角度０１后，ＡＢ杆转过角度为０：，瞬心位置为坐标为只２’（ｘ’，Ｙ’）Ｂ＇［２１１ｓｉｎ导ｓｉｎ（ｏｃ。一拿）＋ｆ：一ｆ３ＣＯＳＯｃｌ，２ｆ１ｓｉｎ拿ｃ。ｓ（ａ。一譬）】Ｃ，［一，３ｃｏｓ（０ｌ＋口１），如ｓｉｎａｌ一毛ｓｉｎ（０ｌ＋ａ１）］根据几何关系可得：塑鼍型＝ｔａｎ（０。蚂）（２．１）—坐警之之＝ｔａｎ（０２飞）”（２．２）一１４ＣＯＳ（ａｌ＋ａ２）一Ｘ７联立两式得：ｘｒ：！！！！呈竺！二！≥！！呈竺！±！§！竺！！竺！±竺２２（２．３）ｔａｎ（ａ１＋％）一ｔａｎ（０２一ａ４）ｉｉ；；；ｉ；ｉｉｉ；；高；ｉｉｉ；；；；；ｊｉｉ；；；；；；；ｉ；；；；ｉｉｉｉｉ；ｉ；；；ｉｉｉｉ；；；；ｉ；ｉ暑ｉ；；；；；ｉｉｉ；ｉｉ；；ｉｉｉｉｉ；；；ｉ；ｉｉ昌Ｙ７＝如ｓｉｎａｌ＋ｘ’ｔａｎ（Ｏｌ＋仅１）（２一?４）哈尔溟工程大学帧士字位论文由ｌＢｃ＝名ｃ，得：（％一％）２＋（虼一％）２＝（‰，一ＸＣ，）２＋（儿．一％，）２整理得：（２—５）ｉ磊石面甄匿淼刮呱旷％’厶ｓｉｎａｌ－毛ｓｉｎ（ａ。＋０１）一２ｌＩｓｉｎＯ＿１ｚｃ。ｓ（冬一ａ。）Ｑ石’最后解得Ｏｌ与色的关系式为：０２：２［－ａｒｃｃｏｔ』墅业２粤呐］１３（２－７）ｃｏｓ（０１＋仅１）＋１２一厶ＣＯＳａｌ’。２．３．４膝关节优化设计及分析正常人体下肢进行稳定步态运动的条件是膝关节中心能够达到下肢稳定区和弯膝区的共同区域一随控区内【３９１，这就要求髋关节提供一定的肌肉力矩。单轴膝关节机桩是一种简单的绕定轴转动的运动副，它只适用于下肢具有一定运动能：匀的人群。但正常人体步行过程中，膝关节屈曲运动实际上并不是一个简单的绕定轴转动的过程，其实际转动中心轨迹是一条曲线，当人正常行走时，人体膝关节瞬时旋转中心（ＩｎｓｔａｎｔＣｅｎｔｒｅｏｆＲｏｔａｔｉｏｎ，ＩＣＲ）的轨迹接近“Ｊ”形，如图２．１１所示。因此，在对债’生膝关节进行设计时，应通过合理的机构形式设计和正确的计算，确定结构方案，使其尽量与人体运动时的ＩＣＲ运动曲线拟合。ｌ２搭图２．１１人体膝关节运动轨迹１６暑ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ苗ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ宣ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ宣ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ第２苹Ｆ肢外骨骼助力机器人整体方案设计根据目前的研究状况，对多轴膝关节结构设计多采用四连杆机构。这种机构既能够模拟膝关节的基本功能，并且具有结构简单、制造容易和具有较长使用寿命等优点。相比与单轴膝关节，４．ｂａｒ膝关节能够在相同的膝关节屈曲角度时，具有更好的离地高度【４０。４２１，因此，４－ｂａｒ膝关节具有较好的越障能力，并能起到一定的缓冲作用。将其与单轴膝关节摆动时进行对比，如图２．１２所示。图２．１２摆动离地高度对比如图２．１３所示，大腿连杆与ＡＤ杆Ｎｋｇ，小腿连与ＢＣ杆固连。设ＡＢ：／ｌｍｍ，ＢＣ＝Ｚ２１Ｔｉｍ，ＣＤ＝Ｚ３ｍｌＴｌ，ＤＡ＝１４ｍｍ。ＤＡ杆与水平方向夹角为俄（已知），ＤＣ杆与水平方向夹角为ｐ。，ＡＢ杆与水平方向夹角为压，结构角ｙ为ＢＣ杆与水平方向夹角。ＣＸ图２．１３四杆机构坐标系１７
下肢外骨骼助力机器人系统研究 - 图文
