本科毕业论文---下肢助力外骨骼机构设计与研究.doc

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硕士学位论文下肢助力外骨骼机构设计与研究 RESEARCH AND MECHANISM DESIGN OF LOWER LIMB POWER EXOSKELETONS （全日制工程型）国内图书分类号：TP242.6 学校代码：10213 国际图书分类号：621 密级：公开工程硕士学位论文下肢助力外骨骼机构设计与研究 Classified Index: TP242.6 U.D.C: 621 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH AND MECHANISM DESIGN OF LOWER LIMB POWER EXOSKELETONS 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 0 要外骨骼研究已成为国内外机器人技术领域研究的热点。外骨骼机器人能够有效结合人类的智慧和机器人的强壮，让复杂环境下的负重难题不复存在。随着单兵作战装备重量的提高，一款适用于士兵穿戴，能有效提高士兵负重能力，且适用于各种复杂环境的外骨骼机器人具有极大的应用前景。本论文围绕下肢助力外骨骼的机械驱动系统设计、运动学和动力学分析、传感系统设计及仿真和实验等关键问题进行了深入的研究。在对人体下肢运动机理进行仔细分析的基础上，本论文对下肢助力外骨骼的机械驱动系统进行了设计和研究。根据仿生设计的方法，对外骨骼的髋关节、膝关节和踝关节等结构进行了设计，并对髋关节、大腿连杆、小腿连杆等关键零部件进行了有限元力学分析；最后结合关节肌肉运动机理，对外骨骼液压驱动系统方案进行了设计。针对外骨骼机械结构，本论文对下肢助力外骨骼进行了运动学及动力学分析。对外骨骼机械腿进行 D-H 建模，求解运动学正解，采用微分变换法求雅克比矩阵。然后采用拉格朗日功能平衡法，对外骨骼进行动力学求解。根据外骨骼整体结构和控制策略，本论文对下肢助力外骨骼的传感系统进行了设计。通过分析人体足底压力分布信息，对压力传感器进行了选取和布位，并设计传感鞋，保证采集压力的可靠性和传感器的安全性。选取了合适的关节转动角度传感器，实现对外骨骼进行准确的控制。最后，本论文对下肢助力外骨骼进行了仿真分析及实验研究。仿真分析主要包括关节仿真和行走仿真；实验研究则包括穿戴舒适性试验、关节信息采集实验、步态信息采集实验和外骨骼关节驱动实验等。仿真与实验结果表明，下肢助力外骨骼机械结构设计合理可靠、穿戴舒适，能够满足外骨骼负重和灵活性要求。关键词：下肢助力；外骨骼机器人；结构设计；运动学与动力学 - I - 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 Abstract Research on exoskeleton has become hotspot of robotic technology at home and abroad. Exoskeleton robot can combine with the wisdom of human being and the strength of robot effectively, solving the problem on weight-bearing in the complex environments. With the weight improvement of individual combat equipment, Exoskeleton Robot that suits for the soldiers, has great potential applications, which is designed to improve the Weight capacity of soldiers in the various complex environment. The paper has a further study on t he design of mechanical drive system, analysis of kinematics and dynamics, design of sensing system, and the simulation and experiment of Lower Limb Power Exoskeleton. Based on the analysis of Human lower limb movement mechanism, the mechanical driving system of Lower Limb Power Exoskeleton is designed. According to the method of bionics design, we design the structure of mechanism, including the hip joint, knee and ankle and so on, and conduct the finite-element analysis for the key parts. Finally combining the mechanism of joint muscle motion, we design the exoskeleton hydraulic driving system. Aiming at the mechanical design of exoskeleton, the kinematics and dynamics of exoskeleton is analyzed. The paper models the Exoskeleton by using the D-H method, and solves the forward kinematics, and gots the Jacobian matrix by method of differential transformation; then solves the dynamics by Lagrange method. By research on the whole structure of exoskeleton and control strategies, the paper also designs its sensing system. By analyzing the information of the plantar pressure distribution, we select and distribute the pressure sensor, design the sensing shoes and insure the reliability of collecting pressure and the safety of the sensors. Then we choose the proper joint rotation sensor, realize the control of exoskeleton accurately. Finally, some simulations and experiments is done. Simulation analysis includes joint simulation and walk simulation; while experiments include wear comfortable test, Joint follow-up experiment, gait information collecting experiment, and Exoskeletons drive experiment. The results demonstrate that - II - 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 lower limb power exoskeleton is well designed and suitable for wear, and can satisfy the requirement of loading and flexibility. Keywords：Lower Limb Power; exoskeleton robot; structural design; kinematics and dynamics - III - 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文目录摘要 ................................................................................................................. I ABSTRACT ...................................................................................................... II 第 1 章绪论 .................................................................................................. 1 1.1 课题研究的目的和意义 .......................................................................... 1 1.2 下肢助力外骨骼研究现状 ...................................................................... 2 1.2.1 国外下肢助力外骨骼研究现状 ....................................................... 2 1.2.2 国内下肢助力外骨骼研究现状 ....................................................... 8 1.3 课题的主要研究内容 .............................................................................. 9 第 2 章下肢助力外骨骼机械驱动系统设计 ................................................... 10 2.1 引言 ....................................................................................................... 10 2.2 人体下肢运动机理研究 ........................................................................ 10 2.3 拟人结构设计要求 ................................................................................ 13 2.4 外骨骼机械结构设计 ............................................................................ 13 2.4.1 自由度分配及关节设计 .................................................................. 13 2.4.2 各自由度运动范围设计 .................................................................. 15 2.4.3 外骨骼连杆机构设计 ...................................................................... 16 2.5 静力学分析与强度校核 ........................................................................ 18 2.5.1 机构受力分析 ................................................................................. 18 2.5.2 关键零部件强度分析 ...................................................................... 19 2.6 驱动系统设计 ........................................................................................ 20 2.6.1 驱动关节设置 ................................................................................. 20 2.6.2 驱动器选择及布置 ......................................................................... 21 2.6.3 液压系统方案设计 ......................................................................... 22 2.7 本章小结 ............................................................................................... 23 第 3 章下肢助力外骨骼运动学及动力学分析 ............................................... 24 3.1 引言 ....................................................................................................... 24 3.2 下肢助力外骨骼运动学分析 ................................................................. 24 3.2.1 外骨骼位置分析 ............................................................................. 24 - IV - 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 3.2.2 外骨骼速度分析 ............................................................................. 27 3.2.3 外骨骼加速度分析 ......................................................................... 28 3.3 下肢助力外骨骼动力学分析 ................................................................. 29 3.4 本章小结 ............................................................................................... 32 第 4 章下肢助力外骨骼传感系统研究 ........................................................... 33 4.1 引言 ....................................................................................................... 33 4.2 传感系统整体方案 ................................................................................ 33 4.3 足底压力信息采集系统的设计 ............................................................. 34 4.3.1 人体行走步态分析 ......................................................................... 34 4.3.2 压力传感器的选型与压力鞋的设计 ............................................... 35 4.3.3 压力传感器的标定 ......................................................................... 37 4.4 下肢关节位置传感器设计 ..................................................................... 41 4.5 本章小结 ............................................................................................... 41 第 5 章下肢助力外骨骼仿真分析与实验研究 .................................................. 43 5.1 引言 ....................................................................................................... 43 5.2 下肢助力外骨骼仿真分析 .................................................................... 43 5.2.1 仿真模型的建立 ............................................................................. 43 5.2.2 外骨骼仿真分析 ............................................................................. 44 5.3 下肢助力外骨骼实验研究 .................................................................... 46 5.3.1 外骨骼穿戴运动及其舒适性实验 .................................................. 46 5.3.2 关节信息采集实验 ......................................................................... 48 5.3.3 步态信息采集实验 ......................................................................... 49 5.3.4 外骨骼驱动实验 ............................................................................. 51 5.4 本章小结 ............................................................................................... 53 结论 ............................................................................................................... 54 参考文献 ........................................................................................................... 55 攻读学位期间发表的学术论文 .......................................................................... 58 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 .................................... 59 致谢 ............................................................................................................... 60 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 0 1 章绪论 1.1 课题研究的目的和意义近年来，关于仿人型机器人的科学研究已经成为机器人研究领域的热门方向，其研发水平取得很大的进步，研制了各式各样、不同用途的仿人型机器人，并已经将其应用到实际中。随着研究的更深入发展，人们发现，受现有控制方法和工程实现水平的局限，仿人型机器人有其严重的缺陷，如缺乏人的灵活性等，这就导致在很多环境和场合下仿人机器人无法完成任务。这样，人们就思考，假如将二者所拥有的优势进行结合，在完成一项任务时，人类提供智慧，机器人支持力量供给，这样会解决现有难题，更有效率地完成任务。因此科学界开始着力研制一款人机优势有效结合的外骨骼装置，这就是外骨骼机器人[1]。外骨骼机器人的开发与研究的目的是为了增强拓展人类的能力。就像汽车的出现是人类提高运动能力需求的结果，望远镜是对了提高人的视觉能力，计算机则提高了人类的计算分析能力，外骨骼机器人是为了提高人类的承载能力，使人能背负重物远程行走。在高山密林地势险峻地带，机械车辆不能运行，或者是不利于轮式装置的阶梯型地带，重物就需要人来背负。而穿上外骨骼机器人背负重物远行不再是不可解决的难题。在军事领域，士兵的装备越来越先进，随之而产生的问题就是装备体积及重量的增大。这样，士兵的负重能力已成为单兵装备发展的核心部分。所以适用于士兵穿戴的外骨骼机器人研究成为各种军方研究的重要部分。通过穿戴外骨骼，士兵的装备重量可以通过外骨骼结构直接传递到地面上，这就既保留了士兵的智慧，又减小了负重，让士兵背负重物灵活运动成为现实。借助外骨骼，士兵可轻松完成装填炮弹、运送伤员和长距离奔袭等任务，过程中不会大量消耗士兵体能，从而成倍地增强士兵的战斗力。为方便实现单兵装备，可以为士兵进行量身定做。目前世界上很多国家都在积极研制外骨骼装备，力争军事和技术上的制高点。从国内外研究的进展情况分析，现有的下肢助力外骨骼机器人多适用于在平整地面上提起重物，而关于适用于长距离负重行走的机动性比较好的下肢助力外骨骼方面的研究还相对较少。在国内外骨骼领域的研究中，各科研机构基本都处于基本样机的研发阶段，研究进展落后于国外很多年，加快对 - 1 - 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文该技术的研究很有必要。 1.2 下肢助力外骨骼研究现状 1.2.1 国外下肢助力外骨骼研究现状近年来，外骨骼机器人的研究得到很大的重视，很多国家的研究机构相继开始对其研究。主要研究有： 1960 年，一款可佩戴的单兵装备在通用电气公司被研制出来，这是最早的单兵助力外骨骼，该外骨骼被命名为 Hardiman[2]，如图 1-1 所示。该外骨骼的主要目的就是增强士兵的持重及负重能力。Hardiman 是全身型外骨骼机器人，采用主从控制模式，士兵操纵内侧的外骨骼，然后由液压驱动的外侧外骨骼对人提供助力。该机器人具有很大的缺点，体积大且笨重，重约 680 公斤，控制不稳定且不安全。 0 1-1 Hardiman 外骨骼 0 2000 年起，美国军方着力开发一款能提高士兵作战能力的助力外骨骼机器人，该项目被命名为“增强人体机能的外骨骼”（EHPA）项目。该外骨骼具备可穿戴性和自适应能力。士兵穿上外骨骼后，负重行军能力大幅提升，可以负重约 181 公斤的军用物资连续行军至少 4 个小时。在战争中，士兵作战能力增强，防卫水平也能得到提高。很多研究机构同时得到 EHPA 项目的资助，其中有 4 家研究机构负责进行助力外骨骼机器人整套系统的研制，它们分别是橡树岭国家实验室、加州大学伯克利分校、Millennium Jet 公司和 SARCOS 公司。美国 SARCOS 公司在 2007 年成功推出 XOS 外骨骼机器人系统，如图 1-2 a）所示，在当时代表了助力外骨骼领域的最尖端技术。XOS 外骨骼系统 - 2 - 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文重约 70 公斤，穿戴于士兵全身。XOS 的中央控制系统通过信息检测系统和处理系统判断穿戴者的运动趋势，决定施加给穿戴者一定的助力和速度，然后再通过外骨骼液压系统将助力传给外骨骼。 XOS 机器人系统比之前的外骨骼装备，力量增大很多并且动作也要敏捷很多。信息处理系统根据附在身体上的传感器传回的信息，可以实时地反应穿戴者身体的动作，输出对应的助力。穿上 XOS 后，穿戴者举起实际 90kg 的重量而只有 9kg 的重量，人体感受重量减少了近 10 倍。但 XOS 耗电较大，自带电池只能连续使用半小时左右，现在只能通过连接电线才能实现连续工作。 2010 年，美国雷神公司推出外骨骼 XOS Mark II，它是 XOS 的功能改进型，如图 1-2 b）所示。和 XOS 相比较，XOS II 基本只需要使用一半的电力，而且质量更轻，更加有力，结构也更加灵活。根据介绍，外骨骼 XOS II 最重要的设计目的就是降低士兵长距离负重行军的耗能。XOS II 能够灵活跟随穿戴者动作，并且感受人体平衡。力量上，最高可以把穿戴者的力量增强 17 倍。 a) XOS I 系统 b）XOS II 系统图 1-2 XOS 外骨骼系统美国加州大学伯克利分校在 2004 年研制出一款助力机械服装，如图 1-3 所示。该外骨骼名为伯克利下肢外骨骼[3,4,5,6]，该项目已经基本成熟，穿戴该款外骨骼，可以使人搬运重物轻松长距离运动或上下坡路。士兵穿上该外骨骼，就可以长距离背负物资行军，还可以提高行军速度。外骨骼 BLEEX 由背架、金属腿及液压设备组成，重约 100 磅。机械腿采用仿人设计方法，设计了外骨骼的髋关节、膝关节和踝关节等，看上去就像人腿一样。外骨骼通过特制的传感靴和背心与穿戴者连接在一起。外骨骼金属腿跟随人腿运动， - 3 - 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文但不是精确配合。特制的厚纤维背心跟穿戴者躯干连接在一起，可以使穿戴者和外骨骼之间的力分散开，避免接触力大，划伤人体。每条 BLEEX 腿共有 7 个自由度，这包括髋部的 3 个，膝盖处的 1 个，脚踝处的 3 个。髋关节的屈伸和内收外展、膝关节的屈伸、踝关节的屈伸等 4 个自由度通过液压系统动力驱动，其余的 3 个自由度，即髋关节的转动、踝关节的转动和翻内翻外，不受动力驱动，但安装上由金属弹簧和弹性体组成的弹性阻尼系统。在外骨骼上安装有 40 来个传感器和液压驱动器，它们采集各类信号信息，并反馈给计算机，计算机根据这些反馈信息获取穿戴者当前状态，并根据这些对负载进行必要的调整。BLEEX 能够负载各种负荷，包括背部支架上的负重、外骨骼自身重量、液压系统重量以及穿戴者重量，在各种地形上，包括不平整的崎岖地面、坡路等，进行自如的长距离运行。根据最新实验数据显示，实验者穿戴着该外骨骼，背架上放有 70 磅的物资，其运动时所能感觉到的重量只有仅仅 5 磅。图 1-3 伯克利下肢外骨骼后来，伯克利仿生公司针对特殊用途对 BLEEX 进行了结构简化和改进，研发出第二代外骨骼产品 ExoHiker 和 ExoClimber。他们和 BLEEX 结构及控制思想基本相同，只是在驱动选择和具体控制方法上有所改变。ExoHiker 的改进目的是针对长时间携带重物行走的场合，不再连接电源线，直接在背部支架携带动力装置、蓄电池和计算机等，能够以 2.5 英里/小时的平均速度，一块蓄电池能够持续支撑行走 21 小时。ExoClimber 和 ExoHiker 一样，拥有 - 4 - 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文长时间负重行走的能力，但不仅如此，ExoClimber 提高了快速上下楼梯和坡路行走的能力。二者都携带太阳能电池板，可以做到延续性动力提供，这样就延长了系统运行时间和寿命。这两种外骨骼可以在很多场合得到应用，士兵、救灾人员、大火消防人员等等，都可以借助该外骨骼，提高工作能力。图 1-4 人类负重外骨骼(HALC) 综合 ExoHiker 和 ExoClimber 的技术性能，洛克希德·马丁公司在 2009 年推出该系列第 3 代外骨骼——“人类负重外骨骼”（Human Universal Load Carrier，简称 HULC），如图 1-4 所示。该款外骨骼拥有 ExoHiker 和 ExoClimber 的所有功能，旨在提高士兵在各种复杂环境的负重能力，能够通过提供外部助力来满足单兵对机动性和支撑性的需要。HULC 系统外骨骼的最大负重量为 90 千克。HULC 采用仿生设计，类似于人体腿部关节结构，配备液压驱动装置，是一种模仿人体结构特点设计的外穿型机械骨骼，该金属腿能够将穿戴者的负重直接转移到地面上，有效地减轻穿戴者所负重量。背部携带的便携式微型计算机可以使外骨骼机器人与士兵们保持运动协调一致。HULC 不仅能够在各种复杂环境中直立行进，还可以完成下蹲起立和匍匐前进等多种比较复杂的动作。不过，HULC 的控制模式并不复杂，通过传感鞋采集穿戴者步态信号，反馈给中央微处理计算机，进而控制外骨骼的运动，跟随穿戴者的运动。而且，HULC 穿戴起来也非常容易，脱下只需 30 秒左右的时间。经过试验表明，士兵穿戴上 HULC 后，负重远行一段时间，士兵对氧气的消耗量明显降低，这也就说明士兵身体的承载重量明显降低。据数据统计显示， - 5 - 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文在试验者穿上 HULC 并背负 36.7kg 重的装备以 3.2 公里/小时的平均速度行进时，他对氧气的消耗量比不穿 HULC 时减少大约 15％左右。人体对氧气的消耗量增大，就会比较容易导致疲劳。HULC 的电源为 2 块总重量为 3.6kg 的锂聚合物电池。在电池充满电后，HULC 可保证穿戴者背负 90kg 的重物，以每小时 4.8 公里的速度持续行进 1 个小时。而且穿着 HULC 的冲刺速度可达到每小时 16 公里。洛克希德·马丁公司目前仍在持续地改进 HULC 外骨骼系统，以期最终能够达到让美国士兵背负超过 100kg 的物资，轻松远距离行军，以期提高其完成任务的能力。美国 Yobotics 公司研制的一款名为 RoboKnee[7]的外骨骼是一款只对单个膝关节进行助力的机构。该机构对膝关节运动提供力矩，使穿戴者腿部膝关节驱动肌肉处于松弛的状态。一次充电可工作一小时左右。但是，由于自身机械结构的限制，使用者在穿戴 RoboKnee 的情况下，只能实现行走、上下楼梯等动作。在日本，外骨骼机器人技术的研究也得到各科研机构的重视，其技术水平在世界外骨骼领域也身处前列。这其中，日本筑波大学研制的机器人装混合助力腿系列很具代表性。 2002 年，日本筑波大学研制开发了一款外骨骼机器人，命名为机器人装混合助力腿[8,9,10,11] (hybrid assistive limb，简称 HAL)，目的在于帮助下肢行走障碍的病人进行正常行走，如图 1-5 所示。HAL 由外骨骼腿、背囊、便携式计算机和电池、以及一组感应控制器和 4 个航姿传感器(分别分布在髋关节和膝关节两侧)组成。HAL 外骨骼结构上没有过人之处，也是仿人型设计。其区别于其他外骨骼的不同之处在于通过使用肌电信号传感器来获取穿戴者运动趋势，进而进行控制。HAL 通过采集腿部肌电信号来辨识穿戴者腿部的运动趋势，结合人腿的粘弹性，采用阻抗控制方法，分析了 HAL 的控制，又通过对人体肌肉粘弹性特性进行分析，使得穿戴者能够非常舒适地穿戴该外骨骼并进行运动。信息处理系统根据肌电传感器采集的肌肉活动信息，就可以判断穿戴者运动趋势，然后对驱动电机发布指令，驱动电机运行提供力矩，以此来降低穿戴者肌肉的负荷。但是，肌电信号传感器在穿戴者运动幅度较大时，就容易移

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