ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ宣ｉｉｉ宣ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ宣ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ第２章Ｆ肢外骨骼助力机器人整体方案设计本系统的设计采用模块化设计思想，根据自下而上的设计思路，将系统的各模块分开设计，模块之间通过本身的接口连接，进而组合成一个典型的位置闭环伺服控制系统。上位机主要负责完成人机交互界面，通过ＭＡＴＬＡＢ程序和控制算法运算后将指令通过ＣＡＮ总线发送给下位机，同时通过编码器接受下位机反馈的位置信号，并且通过Ｉ／Ｏ接口检测接近开关状态。下位机主要负责接收上位机的位置控制指令，得到不同的ＰＷＭ信号，经过驱动模块和功率放大电路，驱动直流伺服电动机完成各关节运动。２．６本章小结本章首先介绍了人体基本运动系和人体步态分析，并且根据人体下肢各关节特征和运动特点，选择了合理的驱动方式和驱动元件，验证了机器人的工作范围符合设计要求；对仿生膝关节进行了杆长优化设计和瞬心轨迹的计算，并在Ｐｒｏ／Ｅ中对四杆膝关节瞬心轨迹进行了运动学分析，结果符合仿生要求，从而确定了下肢外骨骼助力机器人的整体结构形式。根据结构形式特点，选择了高效稳定的控制策略，给出了控制系统整体结构原理图，为后续的工作做好了充足的准备。２３哈尔滨工程大学硕士学位论文第３章人体下肢肌肉模型及仿真分析３．１引言动刀学研究的是机器人运动和受力之间的关系。动力学问题可分为动力学正问题和动力学逆问题，其中正问题是根据关节驱动力或力矩，分析关节的运动（关节位移、关节角度、关节速度关节角加速度等）；逆问题是已知关节运动，反求驱动关节所需要的力或力矩。这就要求在了解人体下肢运动机理的前提下，研究下肢骨骼和和肌肉结构特点，进ｉ可进行动力学分析，为后续的样机双腿步态控制实验提供一定的理论依据和参：考。随着科学技术，尤其是计算机技术的发展，面向实体模型的运动学／动力学技：术也日益成熟。常用的机构实体模型分析计算机软件包括：ＡＮＳＹＳ、ＡＤＡＭＳ、ＭＡＴＬＡＢ等，本文在研究了人体下肢运动机理及下肢参数测量和计算方法的基础上，选择了ＭＡＴＬＡＢ工具箱中的ＳｉｍＭｅｃｈａｎｉｃｓ对下肢外骨骼助力机器人进行动力学逆分析。３．２人体下肢运动机理３．２．１人体下肢骨骼和骨骼肌结构人体下肢是重要的运动部分，下肢骨骼主要由髋骨、股骨、髌骨、胫骨腓骨：和趾骨组成１４５，４６］，其解剖结构图如图３．１所示。全身的骨骼构成人体的支架，附于骨骼上的肌肉称为骨骼肌，人的大脑发出运动指令，通过神经传递到关节肌肉上，通过关节两侧与韧带连接的肌肉收缩运动来提供主动力，驱动关节转动。在运动过程中，骨骼肌相当于能够实现收缩运动的单向活塞致动筒，骨相当于连杆机构，腱相当于接头，关节相当于铰链旋转副。骨骼肌力学模型如图３．２所示。图３．１人体下肢骨骼结构图图３．２骨骼肌力学模型２４第３章人体下肢肌肉模型及仿真分析３．２．２人体下肢肌肉结构特点分析根据人体生物学和解剖学，人体的运动主动力是来源于肌肉，大脑发出指令，通过神经传递给肌肉，使肌肉收缩，进而产生主动运动［４７，４８】。人体肌肉组织是由具有收缩功能的肌细胞组成的，根据位置和功能的不同，分为骨骼肌、心肌和平滑肌。后两者不受意识所支配，因此称为不随意肌。骨骼肌附着于骨，可接受大脑指令进行收缩运动，’进而驱动关节运动，又称为随意肌。驱动下肢各关节运动的骨骼肌主要分为盆带肌、大腿肌、小腿肌和足肌，其机构图如图３．３所示。图３．３人体下肢肌肉结构图盆带肌可分为前、后两群。前群起自骨盆内面，后群起自骨盆外面。前群中阔筋膜张肌位于大腿前外侧，为梭形肌，主要作用是完成髋关节的前屈运动；后群包括臀大肌、臀中肌和臀小肌，主要完成髋关节的后伸、外展和外旋运动。大腿肌按照位置和功能分为前外侧群、内侧群和后群。前外侧群中包括全身最大的股四头肌和全身最长的缝匠肌。股四头肌位于大腿前面，为羽状肌，有股直肌、股中肌、股外肌和股内肌四个头，其主要作用是伸膝关节；缝匠肌位于大腿内侧浅层，肌纤维从大腿外上方向内下方，其主要作用屈髋关节和膝关节，并使已屈膝关节有内收的作用；内侧群包括趾骨肌、长收肌、股薄肌、短收肌和大收肌，主要作用是完成髋关节的内收２５哈尔滨工程大学硕士学位论文运动；后群包括股二头肌、半腱肌和半膜肌。股二头肌位于大腿后外侧浅层，为梭形肌，有长、：匾两个头，其主要作用是屈膝关节和伸髋关节，并完成膝关节微小的内旋和外旋运动。小褪肌分为前群、后群和外侧群。前群包括胫骨前肌、趾长伸肌和拇长伸肌：，主要作用是使踝关节实现背屈运动；外侧群包括腓骨长肌和腓骨短肌，主要作用是完成踝关节的跖屈运动；后群主要包括腓肠肌、三头肌和比目鱼肌，其主要作用是屈踝关：爷和屈膝关节。下吱外骨骼助力机器人主要设计思想是实现下肢髋关节的和膝关节的屈伸自由度，因此，戈们只研究和这两个运动有关的肌肉。综上所述，归纳出实现髋关节和膝关节屈伸运动及所对应的肌肉如表３．１所示。表３．１下肢关节屈伸运动对应肌肉关节动作起主要作用的肌肉伸髋股二头肌、半腱肌、半膜肌屈髋缝匠肌、阔筋膜张肌、股大肌伸膝股四头肌屈膝缝匠肌、股二头肌、半腱肌、半膜肌３．３一ＦＩｉｌＩＩ肉建模及摆角轨迹研究３．３．１下肢ｈｉｌｌ三元素肌肉模型由表３．１可以看出，缝匠肌是驱动下肢髋关节和膝关节的主要部分，因此，：本文对其作为研究对象，进行建模。Ｈｉｌｌ在１９３８年以青蛙的缝匠肌作为试验对象，给出了肌肉力与肌肉收缩速度的关系式（Ｆ＋日）（１，＋ｂ）＝（Ｆｏ＋口）６。其中，Ｒ为最大肌肉收缩力，则有Ｆ＜Ｆｏ，ａ和ｂ为力学常数。经过改进后，提出了著名的肌肉三元素模型［４９，５０】。其模型简图如图３．４所示。并联弹性元件厶，Ｋ，口（，）图３．４肌肉三元素模型图中Ｆ表示缝匠肌单元所受到的合力，设并联弹性元件＿Ｌｔｔ；Ｏ为Ｅ，串联弹性元件上的力为Ｅ，收缩单元上的力为巧，则有：１５，＝Ｅ（３．１）２６第３章人体下肢肌肉模型及仿真分析Ｆ＝Ｅ＋Ｅ（３．２）为了表达清晰和计算方便，令：Ｌ＝≥（３．３）矿：点‰‰ａ陋（ｆ）］（３－４）…。式中：厶一肌肉单元长度；厶一肌肉单元初始长度；Ｋ一肌肉单元收缩速度；‰一收缩单元最大卸载速度；ａ一收缩单元比例系数；以（ｆ）～肌肉单元刺激水平函数。对于串联弹性元件Ｅ，设其弹性模量为Ｅ，则有：悔尝‰Ｌ≤１，【Ｅ＝Ｅ（厶一厶），（≤）＠５，…。肌肉应变和应变率分别为：ｓ：掣：三一１（３－６）Ｌｏｙ＝Ｖ（３．７）对于收缩单元Ｅ的应力有：｛５６三。Ｅ’ｓ‘支喜呈）ｏ，Ｉ＝，ｐ＞ｏ）ｃ３．８，…。因此根据式（３－５）和（３．８）能够计算出肌肉单元所受的合理Ｆ，进而计算出机器人带动人体下肢运动时，肌肉应力作为机器人反向力矩对机器人驱动力或驱动力矩的影响，在下一节中会做详细介绍。人体下肢各环节转动惯量的计算，根据二元回归方程㈤：Ｊｘ＝Ｂｏ＋昼墨＋垦五（３—９）式中：五一体重（姆）；墨一身高（ｃｍ）；玩，尽，垦一二元回归方程系数。二元回归方程系数与各环节惯性指标对应值如表４．２所示。通过计算得到人体下肢
下肢外骨骼助力机器人系统研究
