1、助力式下肢外骨骼機器人的結構設計與分析作 者 姓 名： 指 導 教 師： 單 位 名 稱： 專 業 名 稱： Structural design and analysis of the lower limb exoskeleton robot 設計任務書設計題目：助力式下肢外骨骼機器人的結構設計與分析基本內容：1. 針對設計內容，查閱相關參考文獻30篇以上，其中外文文獻不少于30%；2. 設計內容主要包括：機器人整體外形設計；各機構的連接固定；減速器和電機的選用及計算；3. 用繪圖軟件SolidWorks繪制三維模型，用CAXA繪制裝配圖、部裝圖和零件圖合A0圖紙4張以上，要求設計的內容合理，

2、圖紙規范；4. 翻譯1篇與設計課題相關的英文文獻；5. 撰寫設計說明書1份。設計專題部分：題目： 基本內容：學生接受設計題目日期第1周指導教師簽字： 年 月 日ii 摘要摘 要隨著科學技術的發展，下肢外骨骼機器人作為一種典型的人機一體化助力裝置，在軍事領域和生物醫學等領域得到了越來越多的重視，是智能機器人的又一重大突破。該研究融合了機器人學、機構學、人機工程、控制理論以及福祉工程學等學科。外骨骼通過提取人的運動信息控制機器腿，通過機器腿來完成依靠人的自身能力無法完成的負重、遠行等任務。此外，下肢外骨骼機器人也可以用來檢測人體的運動信息，通過深度學習輔助殘患人士行走，以達到康復治療的目的。本文查

3、閱了國內外相關研究的文獻資料，了解了國內、外相關研究的背景、研究進展和未來的總體發展方向，總結了人體下肢骨骼模型和下肢骨骼的運動機構特征、步行運動的序列、步行過程中的關節功能等，建立了下肢外骨骼三維模型，并對外骨骼的髖關節、膝關節和踝關節等重點關節結構進行了詳細設計。外骨骼機器人在運動過程中需要與人體正常運動保持高度的一致性，因此考慮穿戴者的舒適性以及人機工程學設計了各關節的自由度以及桿長可調機制。通過介紹不同驅動方式的優缺點最終確定電機以及減速器方案并通過分析所得驅動力矩和功率完成電機以及減速器的選型。為適應不同的路況，在足底設計了緩沖避震裝置，以保證穿戴者在行走過程中的舒適性和平穩性。關鍵

4、詞：下肢外骨骼；結構設計；步態規劃；緩沖避震iii AbstractAbstractWith the continuous development of science and technology, lower extremity exoskeleton robot as a typical man-machine integrated power plant, in the biomedical and military fields have been more and more attention, is a major breakthrough in intelligent robo

5、ts.The study incorporates disciplines such as mechanics, ergonomics, robotics, control theory, and welfare engineering. This kind of exoskeleton relies on human motion information to control the robot, through the robot to complete the ability to rely on their own can not be done alone load, travel

6、and other tasks. In addition, exoskeleton robots can also be used to detect the movement information of the body, through the depth of learning to assist disabled people walking to achieve the purpose of rehabilitation.This paper reviews the literatures of relevant research at home and abroad, inves

7、tigates the background, research progress and future development of domestic and foreign research. It summarizes the characteristics of the movement of the lower limb and the movement of the lower limb, the sequence of walking, The joint function of the process, the establishment of the lower limb s

8、keleton three-dimensional model, and the exoskeleton of the hip, knee and ankle joint structure such as the focus of the design. The skeletal robots need to maintain a high degree of consistency with the normal movement of the human body during exercise. Therefore, considering the comfort of the wea

9、rer and the interpersonal engineering, the freedom of each joint and the mechanism of adjusting the length of the joints are designed. Through the introduction of the advantages and disadvantages of different drive methods to determine the final motor and reducer program and through the analysis of

10、the drive torque and power to complete the motor and reducer selection. In order to adapt to different road conditions, in the foot of the design of the cushioning device to ensure that the wearer in the process of walking comfort and stability.Key words：Lower extremity exoskeleton；Structural design

11、；Gait planning；Buffer shociv 目錄目錄設計任務書i摘 要iAbstracti第1章 緒論11.1選題背景與研究意義11.2 國內外研究現狀及發展動態21.2.1 國外研究現狀及發展動態21.2.2 國內研究現狀及發展動態41.3 本課題的提出及論文結構51.3.1 主要內容51.3.2 論文結構6第2章 人體下肢運動機理分析72.1 人體下肢解剖學概述72.1.1 名詞術語解釋72.1.2 下肢各關節運動特點分析82.1.3 步態周期時相分析112.2 負重行走對步態的影響112.3 下肢外骨骼設計要求12第3章 外骨骼結構設計與三維建模133.1 零件的三維模型1

12、53.2 下肢外骨骼裝配183.3 各個關節設計203.3.1 髖關節設計20v3.3.2 膝關節設計213.3.3 踝關節設計223.3.4 限位裝置設計243.4 腿桿設計243.5 背部承物架設計253.6 緩沖足底設計263.6.1 概述263.6.2 緩沖足底三維模型273.6.3 腳跟設計283.6.4 腳趾設計293.7 外骨骼三維模型30第4章 減速器和電機的選擇314.1 驅動系統的確定314.2 驅動電機、減速器的選擇計算32第5章 關鍵零部件的計算與校核355.1 直齒圓錐齒輪的計算與校核355.2 軸的計算與校核385.3 軸承的校核405.4 腿桿的校核42第6章 環

13、保與經濟性分析45第7章 總結與展望467.1 總結467.2 展望46參考文獻47vi結束語49vii第1章 緒論第1章 緒論1.1選題背景與研究意義下肢骨骼是一種能夠對生物柔軟器官提供進行構型、建筑和保護的外部框架結構。下肢外骨骼機器人是一種可穿戴的仿生機器人，即穿戴在人身體外部的一種機械結構，它可以為穿戴者提供支撐、保護和運動增強的能力。傳統輪式交通工具是目前機器負重和遠行的主要方式，而且其對路面環境要求較高。在很多領域無法成功完成預定目標，例如在軍事行動、科學考察、消防營救等領域1。隨著研究的深入開展，人們發現受現有控制方法和環境感知的限制，類人型機器人有著嚴重的缺陷，包括決策和與人體

14、的高度結合的能力2。因而將人的智慧與機器所具備的強大機械能量結合起來，組合成為一個封閉體，將會帶來前所未有的變化，而外骨骼機器人正是這樣一種綜合體3。研發助力式外骨骼機器人為穿戴者提供強大的力量和耐力來加強長距離行走和負重能力，從而完成一些特殊任務。助力式下肢外骨骼機器人由于其自身的商業和軍事應用價值，近年來已成為國內外科學工作者的一個重點研究領域。在軍事上，單兵裝備越來越先進，隨之產生的問題就是裝備體積和負重的增加。通過穿戴外骨骼，士兵的裝備負重可以經過下肢外骨骼結構直接傳遞給地面，這讓士兵背負重物靈活行走成為現實。通過穿戴下肢外骨骼，士兵可毫不費力的完成裝填炮彈、運送傷員和長距離奔襲等緊急

15、任務，在這過程中基本不會消耗士兵體能，從而使士兵的戰斗力大量增加，真正成為戰場上斃敵制勝的核心力量。此外，隨著社會發展，我國已經成為世界上老年人口最多的國家。據聯合國統計，到本世紀中期我國超過60歲的人口有近5億，隨著年齡增長，老年人各種生理功能衰退和交通事故不斷增加，中風、偏癱、截癱等患者也不斷增加，致使這類人群下肢運動功能出現障礙，生活質量急劇下降，使家庭和社會的負擔越來越重。此時如果有下肢外骨骼機器人的輔助，幫助此類人群行走、上下樓梯和適當負重等，其一方面可以提高老年人的生活質量。另一方面可減少護理人員很大一部分工作量，從而緩解社會勞動力不足的壓力。因此本文設計的是一種可穿戴的助力式下肢

16、外骨骼仿生機械腿，它可以把人體下肢和機械腿有機的結合起來，以人為中心，根據穿戴者的意愿來控制機器的行走，同時提高穿戴者搬運重物和行走的能力。本文設計的外骨骼，可以根據使用者自身的身體情況進行調節。1.2 國內外研究現狀及發展動態1.2.1 國外研究現狀及發展動態下肢外骨骼機器人在歐美和日本等發達國家得到了醫療機構和科研工作者的高度重視，如：2002年，日本筑波大學Cybemics實驗室成功研制了HAL（Hybrid Assistive Limb）外骨骼機器人系統，HAL是一種混合輔助下肢體系列的可穿戴型外骨骼機器人系統，如圖1.1所示。HAL由腿部、背包、電池、一系列的傳感器和可攜帶的計算機共

17、同組成。這種裝置可以讓穿戴者以1.1m/s的速度行走，它集合了多種信號傳感器包括肌電信號傳感器、角度傳感器、地面接觸力傳感器等。HAL可以通過收集腿部肌肉的肌電信號來判斷穿戴者將要發生的運動。然后便攜計算機組對驅動系統發出指令使驅動電機產生相應的運動。此后筑波大學又相繼研制成功了各種HAL系列機器人。HAL-3可以輔助穿戴者完成生活中的基本動作，例如行走、爬坡等。2004年世界博覽會上筑波大學展出了HAL-4和HAL-5系列機器人，這些外骨骼機器人不僅能幫助穿戴者行走，而且機構的上半部分還可輔助穿戴者的手臂完成簡單動作。HAL-5幾乎可以幫助穿戴者完成生活中的一切活動。HAL-3的質量為22k

18、g，HAL-4的質量為17kg，HAL-5的質量為15kg4，5，此外HAL系列機器人的腳踝部分能夠吸收大部分的重量。圖1.1 HAL助力外骨骼美國國防部高級研究項目局（Defense Advanced Reserch Projects Agency，DARPA）在2000年投資5000萬美元用于資助對能夠增強人體體能的外骨骼（Exoskeleton for Human Performance Augmentation，EHPA）的研究與開發工作6，準備研制一款可穿戴的能與穿戴者相適應的下肢外骨骼系統。士兵在穿戴外骨骼后，可以背負約180kg的軍用裝備連續行走4個小時，且行軍速度有明顯提升。在

19、戰爭中下肢外骨骼可以大大增強士兵的作戰能力，同時能在士兵受傷情況下幫助士兵以正常速度行走。有研究表明，士兵穿戴重量為45kg的外骨骼，同時負重35kg的重物行走，穿戴者感覺到的重量只有3kg。美國國防部高級研究項目局共資助了多家科研機構，其中四家研究機構負責設計完整的外骨骼系統，這四家機構分別是Millennium Jet公司、橡樹嶺國家實驗室（ORNL）、SARCOS機器人公司和加州大學伯克利分校的人體工程實驗室（HEL），其他一些研究機構主要負責研究開發適應外骨骼的動力驅動系統和供電設備。加州大學伯克利分校首先在2004年推出了BLEEX（Berkeley Lower Extremity

20、Exoskeleton）下肢外骨骼系統7，如圖1.2所示。該外骨骼系統包括兩條外骨骼仿生機械腿、一個動力驅動系統和用于負重的背包等。BLEEX使用混合動力，即電池組對隨身攜帶的控制組件供能，同時液壓缸驅動雙腿行走。整個外骨骼系統上配備有40多個傳感器和4個液壓驅動裝置，這些共同構成了一個封閉體系，傳感器向計算機控制組件提供信息，控制器則根據這些信息掌握穿戴者當前的狀態，并進行實時調整。圖1.2 BLEEX下肢外骨骼機器人1.2.2 國內研究現狀及發展動態國內對下肢外骨骼機器人的研究起步較晚，科研機構有限，相對于國外而言，在這方面仍處于初期階段。近年來，隨著科學技術的發展和市場需求的增加，下肢外

21、骨骼機器人的研究在國內也得到了越來越廣泛的重視，如中國科技大學、哈爾濱工程大學、浙江大學等，并取得了一些有價值的科研成果。中國科學院合肥智能機械研究所于2004年開始了對下肢外骨骼機器人的研究開發工作8，9，現今已研制出了外骨骼樣機。該外骨骼結構共設計了12個自由度，其中單腿髖關節有3個自由度，膝關節1有個自由度，踝關節有1個自由度以及足底關節1有個自由度。在髖關節和膝關節屈伸運動處添加了電機驅動裝置，這樣整個外骨骼系統由4個電機驅動。外骨骼系統的傳感系統主要由足底關節的3個一維傳感器、髖關節和膝關節處旋轉運動的光電編碼器以及2個肌電信號傳感器組成。其控制思想是傳感器通過把采集腳底壓力的信號傳

22、遞給控制器，控制器再結合外骨骼關節位姿信息判斷外骨骼當前位姿，對外骨骼進行實時控制。圖1.3 浙江大學下肢外骨骼行走機器人浙江大學所屬機電研究所開發的一款下肢外骨骼機器人，設計的目標人群是針對中風病人幫助其進行恢復治療，即可以預防病人的肌肉組織因長時間沒有鍛煉而造成肌肉萎縮，一定程度上讓患者具備重新行走的能力，還能減輕患者長時間訓練后帶來的肢體疲憊10，如圖1.3所示。動力源和傳動方式選用電機和滾珠絲杠副將兩者連接，把電機的轉動滾珠絲杠轉變成直線的形式，來推動肢體運動。該機構使用了減重吊架來實現減重的效果，整個機構包括髖關節和膝關節兩部分，未考慮踝關節部分。目前。這款設備已經可以很好地應用被動

23、控制模式，正在進行半被動控制法的研究開發工作。哈爾濱工業大學機器人技術與系統國家重點實驗室研發了一種外骨骼機器人樣機，如圖1.4所示。該樣機下肢機構通過仿生學分析方法設計，并采用直流無刷電機對髖關節和膝關節進行驅動11。控制方法基于下肢外骨骼動力學模型求逆的方法消除穿戴者對外骨骼人體的作用力；然后采用ADAMS對下肢行走過程做出仿真驗證。（a）輔助平臺 （b）機器人本體圖1.4 哈爾濱工業大學外骨骼機器人1.3 本課題的提出及論文結構1.3.1 主要內容下肢外骨骼機器人是控制工程、信號處理、信息理論、機器人學、人機工程學和仿生學等多學科交叉的綜合體現。本文的主要內容是一些基礎性和原理探索性的工

24、作。文章內容主要包括：（1） 人體行走步態分析。本課題在行走步態實驗的基礎上，對人體行走步態進行歸納分析；在人體下肢解剖學的基礎上分析行走過程中的運動學和生物學機理，并通過下肢各運動關節的運動范圍和結構特點，確定了下肢外骨骼在結構設計過程中應滿足的條件。（2） 下肢外骨骼機構的總體設計與三維建模。首先確定各關節的運動類型和自由度數，設定各關節安全運動范圍。繼而進行本體機構的構造設計，包括髖部機構設計，外掛膝關節副設計，可調性腿部連桿設計和腳踝關節結構設計。（3） 驅動系統的確定以及整體結構的計算與校核。通過分析比較各動力源的優缺點確定外骨骼的驅動系統，然后校核計算確定設計的可行性。1.3.2

25、論文結構本文以下肢外骨骼為研究對象，首先對人體行走運動機理分析，得出了人體髖關節、膝關節和踝關節的運動特點和關節運動范圍，實現了外骨骼機器人設計的理論基礎；其次在前文分析的基礎上對外骨骼進行了詳細設計，包括關節設定、腿桿和足底等，然后對其三維建模；最后對所設計的外骨骼進行了強度的校核。本文主要研究路線和內容如圖1.5所示。圖1.5 主要研究路線和內容- 51 -第2章 人體下肢運動機理分析第2章 人體下肢運動機理分析由于下肢外骨骼機器人為可穿戴式，工作時直接與穿戴者接觸，并與人體一起運動，因此設計時要考慮一定的柔性12。采用人性化的結構設計同時又必須反映出人體關節的運動特點，即仿生。因此在進行

26、下肢外骨骼機械結構設計之前，應先對人體下肢生理結構和行走運動機理進行分析。2.1 人體下肢解剖學概述2.1.1 名詞術語解釋（1）為研究方便，在人體內構建基本平面和基本軸13。人體的基本平面和基本軸如圖2.1和2.2所示。圖2.1 人體基本平面 圖2.2 人體基本軸矢狀面：通過身體前后且與地面垂直的切面，此面將人體分為左右兩部分，沿正中線作的矢狀切面叫正中面。額狀面：通過身體左右徑且地面垂直的面，此面將人體分為前后兩個部分。水平面：通過人體直立身體且與地面平行的切面，此面將身體分為上下兩個部分。額狀軸：在額狀面內經過人體中心且垂直于矢狀面的軸。矢狀軸：在矢狀面內經過人體中心且垂直于額狀面的軸。

27、垂直軸：經過人體中心且垂直于水平面的軸。以上三個軸互相垂直。（2）關節的各種運動人體完成行走及轉彎等一系列運動主要由髖關節、膝關節和踝關節的配合運動來實現。解剖實驗研究表明，在髖關節和踝關節處有三個自由度，分別是屈與伸、旋內與旋外、外展與內收，在膝關節處有一個自由度，即屈伸自由度。屈/伸：關節在矢狀面內繞額狀軸的運動，定義腿向前運動為屈，向后運動為伸。外展與內收：指關節在額狀面內繞矢狀軸運動，遠離為外展，收縮為內收。旋內與旋外：指關節在水平面內繞其本身的垂直軸旋轉，向內為旋內，向外為旋外。環轉：指關節繞額狀軸、矢狀軸等連續運動。2.1.2 下肢各關節運動特點分析人體下肢的各部分骨骼結構分別通過

28、髖關節、膝關節和踝關節這三個關節的緊密連接而連接在一起，從而組成了人體的下肢骨架14，如圖2.3所示。圖2.3 人體下肢骨骼結構（1）髖關節 髖關節由髖臼和股骨頭組成，屬于杵臼關節，如圖2.4所示。從形態上看類似球窩環節，運動非常靈活。由于很大程度上它要支撐上身軀干的重量和保持平穩性，因此要求它的牢固性非常高。它的輔助結構還包括各個部分的結締組織，比如圖中骼股結締組織和恥骨韌帶，它們的作用首先是連接骨骼，其次是保證安全性和穩定性，用來限制運動幅度。限制的原理是借助于這些組織緊固堅韌的特性，加上凹陷程度較大的關節窩，這樣就可以直接影響每種形式的運動范圍。圖2.4 髖關節（2）膝關節 膝關節屬于人

29、體所有關節中結構最復雜的一類，類屬于滑車球狀關節15，如圖2.5所示。根據生物學的研究膝關節的結構組成分為4個部分，分別是股骨的腂關節面、股骨內側的腂關節面、髕面和髕骨后面。一般情況下，正常的行走過程中膝關節只有在屈膝狀態下才會產生微小的內外旋運動，不過由于旋轉角度很小可忽略不計，所以在外骨骼的研制過程中可不考慮膝關節的旋轉自由度。因此膝關節可以視為一個鉸關節，根據膝關節的結構其屈伸自由度的運動范圍可達到0°-150°。膝關節運動所需要的動力全部來自屈肌和伸肌的收縮。 圖2.5 膝關節（3）踝關節 踝關節是由內、外部踝關節面和脛骨的下關節面一起組成的“”形結構的關節窩，如圖

30、2.6所示。理論上踝關節只能繞一個軸轉動，即只能在矢狀面內屈伸（腳面朝下壓為“屈”，腳面朝上抬為“伸”），不過由于滑車關節面前后兩端的寬度差，當腳下壓時，關節面寬度尺寸較小的一端未能完全占據關節窩，因此踝關節也可在冠狀面內做一定幅度的內外翻。圖2.6 踝關節人體穿戴下肢外骨骼，下肢外骨骼跟隨人體一起運動，因此下肢外骨骼機器人的關節運動范圍由人體下肢關節的運動范圍決定。下肢外骨骼機器人的關節運動范圍至少要和人體運動時的關節范圍一致。不過為了安全，下肢外骨骼機器人的關節運動范圍一般要小于人體關節運動范圍的極限值16。綜上所述，下肢各關節自由度運動范圍設計如表2.1所示。表2.1 人體下肢各關節自由

31、度運動范圍關節運動特征人體下肢各自由度運動范圍人體下肢各自由度行走運動范圍髖關節屈/伸-120° - 65°-27° - 21°髖關節內收/外展-35° - 40°微小髖關節旋內/旋外-30°- 60°-20° - 45°膝關節屈/伸-160° - 0°-48° - 0°踝關節屈/伸-20° - 50°-7° - 25°踝關節旋內/旋外-35° - 50°基本為0°踝關節內收/外展-35

32、° - 20°-30° - 15°外骨骼結構中，只在髖關節和膝關節中有限位自由度，其余為冗余自由度。其中髖關節中屈/伸自由度的運動范圍為-25° 20°，膝關節中屈/伸自由度的運動范圍為-140° 0°。2.1.3 步態周期時相分析人體步態運動是一種周期運動，步行過程中雙腳與地面交替接觸與分離，并且腳與地面是一個滾動接觸過程。從雙腳分析步行運動，一個完整的步態周期如圖2.7所示，整個周期包括單足支撐相（Single Support Phase）和雙足支撐相（Double Support Phase）兩個階段。在單足

33、支撐期間，一只腳接觸地面并承擔身體重量，另一條腿處于擺動期。在雙足支撐相中，雙足著地，由雙足支撐身體重量，包括前足著地雙足支撐和后足著地雙足支撐兩個時期。對于指定的右腿，完整的步態周期分為支撐相和擺動相兩個階段，足趾離地進入擺動期（擺動期約占步態周期的40%），在擺動期間，腿總是先屈膝，然后向前擺動，直至大、小腿運動到一條直線上。腳跟著地進入支撐期（支撐期占步態周期的60%，其中單側肢體支撐期占40%，雙側肢體支撐期占20%），身體重心繼續向前運動，當腳趾再次離地時完成一個步態周期。圖2.7 人體步態周期2.2 負重行走對步態的影響人體的負重形式有很多種，由于下肢外骨骼的設計定位及結構限制，本

34、課題重點分析背部負重對于人體步態的影響，而且背部負重也是最常見的負重行走形式之一17。人體背部負重行走時，為了減少沖擊和保持平衡，行走姿態必然會做出相應調整。研究表明，不論輕或重的負載都會對行走步態特征產生影響18。背部負重不同時，髖關節、膝關節以及上軀干的步行姿態均有明顯變化，其變化趨勢相似，但幅值有明顯差異。隨負重的增加，髖關節和膝關節彎曲角位移會有所增加；踝關節角位移變化不明顯；上軀干向前傾角的角位移增大。人體背部負重后平均步速小于正常步速，相比而言步長的變化很小。可以看出，負重對于各個關節的運動范圍有一定的影響，而對于運動的步長，加速度等運動參數的影響則不明顯（步速除外）。另外，本課題

35、設計的外骨骼是期望穿戴外骨骼后，其能輔助人體負重讓人體的行走盡量接近正常步態，無明顯負重感。2.3 下肢外骨骼設計要求由以上內容分析可以得出：（1）助力式下肢外骨骼旨在輔助穿戴者負重行走，在保證負重助力的前提下，其自由度及關節設計要與人體關節結構類似，保證行走的可靠性和穩定性19。（2）外骨骼行走時由驅動系統助力，為保證行走的安全性，在外骨骼的驅動關節都應設計有限行程限位裝置。（3）設計外骨骼時，負重量的大小和外骨骼自身的重量與外骨骼驅動系統的功率、所用材料、結構設計以及電機的選取有關，需要對助行器連桿的承載能力、剛度等需要進行計算和校核，來保證外骨骼的行走助力功能。設計指標如下所示：最大負重

36、：25kg；外骨骼總重：不超過30kg；供電：電池組供電48V，持續工作4小時以上；行進速度：可以4km/h的速度在多種地形中行走；穿戴者身高范圍：1600-1850mm。第3章 外骨骼結構設計與三維建模第3章 外骨骼結構設計與三維建模在前面章節分析的基礎上，本課題設計了一款助力式下肢外骨骼，對外骨骼腿桿、關節、腰部、緩沖足底、背架以及關節限位裝置等進行了詳細設計。整個外骨骼結構設計簡潔，整體框架結構采用比較常用的7075鋁合金材料。7075鋁合金為高強度合金材料，可進行熱處理，具有極高的抗剝落腐蝕和抗應力腐蝕斷裂性能20。其力學性能見表3.1。其負重主要集中在腰部和大腿桿。在各關節處通過高副

37、低代轉化關節球副，并設計墊圈緩沖沖擊。表3.1 7075鋁合金力學性能抗拉強度（MPa）屈服強度（MPa）延伸率（1/16in）彈性模量（E/GPa）硬度（HB）泊松比密度（g/cm3）52445511711500.332.81確定了外骨骼的總體構型后，利用計算機輔助設計軟件SolidWorks完成了各部分零件的三維設計和總體裝配。SolidWorks是一款基于Windows操作系統下的三維設計軟件，其能夠在整個產品設計工作中自動捕捉設計意圖和任意設計修改。在裝配環境里，可以方便地設計和修改零部件。不論設計用“自頂向下”方法還是“自底而上”的方法進行裝配設計，都將大幅度提高設計效率。Solid

38、Works可以生成完整的、車間認可的詳細工程圖，當修改圖紙時，三維模型、各個視圖、裝配體都會自動更新。添加各種插件后可實現產品的運動仿真、有限元分析及加工工藝的制定，以保證產品從設計、工程分析、加工制造、制造過程中的數據一致性，從而真正實現產品的數字化設計和制造，大幅提高產品的設計效率和質量。本設計中主要用到SolidWorks的功能有：零件三維建模、裝配體設計和Motion動畫運動等。說明如下：打開SolidWorks后的界面會出現零件、裝配體和工程圖三個按鈕。選擇零件后單擊確定，進入零件建模環境，畫好草圖后可以運用拉伸、切除、旋轉等一系列的命令生成需要的三維零件模型，如圖3.1所示：圖3.

39、1 三維零件建模將所有零件進行建模后，用SolidWorks裝配體的功能將各個零件通過重合、同軸心、平行、垂直等配合關系裝配成一個整體，如圖3.2所示。裝配完成后用干涉檢查功能檢查裝配體的零件之間是否有干涉關系并進行修改。圖3.2 裝配體完成下肢外骨骼的裝配后，導入人體三維模型，預覽人體穿上外骨骼后的效果圖，如圖3.3所示。圖3.3 人體穿戴外骨骼效果圖待裝配體完成后，運用SolidWorks中的Motion運動分析功能，模仿人體行走的運動特點，通過添加馬達將兩個機械腿運動起來，如圖3.4所示。圖3.4 Motion運動3.1 零件的三維模型裝配體是由數個零件構成的，而零件是由各種特征構成的，

40、特征是組成零件的重要部分。只有在輸入各個特征命令后才能生成符合要求的零件模型，下面對外骨骼結構的關鍵零件進行說明。圖3.5所示為髖關節外展內/收運動件，此零件既能實現髖關節的外展/內收，又是連接腰部和髖關節及以下部分的連接體，按普通成人的身高計算，外展內收運動件的長度約為132mm。其前端開有光孔用于實現髖關節的旋內/旋外運動。圖3.5 髖關節外展/內收運動件圖3.6所示為腰板，腰板的作用是將外骨骼的左腿和右腿連接起來，同時背部承物架也固連在腰板上。單個腰板的長度為為147mm，上面開有等距離的7個通孔，便于隨時調節連接長度。（a）左腰板 （b）右腰板圖3.6 腰板圖3.7所示為腿桿零件，腿桿

41、的作用是將髖關節和膝關節、膝關節和踝關節等關節連接起來，桿上開有6個等間距的通孔，便于根據使用情況調節機械腿腿的長度。腿桿的長度為280mm，寬度為30mm，高度為21mm，以確保滿足強度要求。圖3.7 腿桿圖3.8所示為為安置于踝關節上的彈簧架，其安裝形式為中間方形孔套于踝關節連接架上，通過兩個并排螺栓與之緊固。彈簧架兩側也開有方孔，目的是便于懸掛拉伸彈簧。彈簧架整體的長度為118mm，寬度為26mm，高度為14mm。圖3.8 彈簧架圖3.9所示為腳板零件，腳板的作用也有兩個，一是連接踝關節及以上部分和緩沖足底；另一個是負重人體。腳板上粘有塑膠鞋，人腳穿上塑膠鞋后可與外骨骼融為一體。腳板的長

42、度為280mm，寬度為120mm，厚度為11mm。圖3.9 腳板3.2 下肢外骨骼裝配此模型共有12個自由度，單下肢各6個，其中髖關節有收展、屈伸和旋轉運動3個自由度，膝關節有屈伸運動1個自由度，踝關節有屈伸、收展運動2個自由度。模型設計圖如圖3.10所示。此外骨骼設計時分為7個模塊，分別是背部承重模塊、髖關節模塊、驅動系統模塊、膝關節模塊、踝關節模塊和緩沖足底模塊。背部腰帶將背部承物架和下肢機構連一起，大腿桿將膝關節和髖關節連接一起，小腿桿將膝關節和踝關節連一起，驅動系統安放在腿桿上。連接件均用鉸制孔螺栓連接，連接牢固，可靠。圖3.10 下肢外骨骼機器人裝配圖人體穿上外骨骼機器人后的效果圖如

43、圖3.11所示。圖3.11 人體穿戴外骨骼機器人效果圖3.3 各個關節設計3.3.1 髖關節設計由前面章節分析可知人體髖關節是一個典型的球窩關節，承載全身重量最大的部位，也是全身最重要的關節。髖關節有兩大基本功能：首先，外骨骼關節要具有“邁步”功能；其次，外骨骼要具有保持平衡和改變行走方向的功能。在外骨骼設計時，為實現屈伸自由度的獨立運動，需要將髖關節球窩關節進行高副低代，即將3自由度的球副分解為3個單自由度的旋轉運動副21。因此，髖關節設計為3個自由度，即屈/伸、旋外/旋內、外展/內收三個自由度。其中屈/伸為主動自由度，其余為被動自由度。圖3.12所示為外骨骼髖關節結構設計爆炸圖。屈伸運動機

44、構參與行走的主要運動，為減小噪聲采用了軸承連接的方式，軸承用圓錐滾子軸承；內收/外展自由度設計在腰部，有效減少了外骨骼關節與人體關節空間位置的差異，該機構不受驅動，只跟隨身體來調節運動狀態，這里采用軸銷連接的方式來實現；旋內/旋外運動機構位于屈伸運動上方，其旋轉軸中心線與腿桿中心線重合，實現整個腿部的旋轉運動。 圖3.12 髖關節爆炸圖髖關節包括：腰帶連接件1、銷軸2、內收/外展運動件3、旋內/旋外運動件4，髖關節關節軸5、圓錐滾子軸承6、大腿桿7、屈/伸運動件8、調整墊片9、 軸承蓋10。 整個髖關節結構和腰帶通過連接件用兩個螺栓連接；腰帶連接件1和內收/外展運動件3通過銷軸連接，兩者可以發

45、生相對轉動；內收/外展運動件3和旋內/旋外運動件4采用薄壁圓筒的方式連接，在4上車出一圓軸，下面放有潤滑墊片，上端用擋盤連接，防止脫落；屈/伸運動件8和關節軸之間套有圓錐滾子軸承，保證了轉動的靈活性；屈/伸運動件8和大腿桿7用連個螺栓連接，由于兩個屈/伸運動件只在下端連接，因此在8上開有锪平孔，用兩個螺栓連接；在大腿桿上放置驅動電機和減速器。3.3.2 膝關節設計膝關節是人體關節中比較重要的關節，既要承受上肢體的壓力，又要能傳遞載荷，即可運動又能緩解振動，是下肢活動的樞紐。膝關節具有兩大功能：首先，膝關節在承受體重和傳遞載荷時，在完成屈/伸運動時有很好地穩定性；其次，膝關節又要有很好的適應性，

46、在行走、跑步時，遇到路面不平整狀況，膝關節要求對這種隨機沖擊有一定的緩沖作用。在外骨骼膝關節設計中，僅設置一個與人體膝關節屈/伸自由度同軸的旋轉自由度來實現外骨骼膝關節的屈/伸運動，如圖3.13所示。旋轉運動副中添加圓錐滾子軸承，同樣為減少振動和噪聲。圖3.13 膝關節爆炸圖圖3.3中：1是大腿桿連接件；2是關節軸；3是軸承；4是屈/伸運動件；5是墊片；6是軸承蓋；7是小腿桿。3.3.3 踝關節設計人體踝關節具有三個自由度，人體下肢運動時，踝關節主要是完成屈/伸運動，外展/內收運動在路面不平或腳步受沖擊時，起調節平衡作用，內旋/外旋運動在調節人體下肢運動的前進方向起微小作用，主要由髖關節內旋/

47、外旋運動來調節，為減少整體結構復雜程度，外骨骼踝關節的內旋/外旋運動可忽略，不在設計范圍之內。如圖3.14和圖3.15所示。考慮到腳踝外側空間位置與腳踝的連接，盡量使設計緊湊、貼近人體，從而減少偏差。沿小腿桿方向從上到小依次為屈/伸運動副和外展/內收運動副，屈/伸關節軸線與骨骼踝關節軸線重合。踝關節不參與下肢行走的主運動，因此在此處沒有添加驅動。如果行走過快，則會出現重心不穩，因此在兩側添加了拉伸彈簧，有效的保證了行走時的穩定。圖3.14 踝關節爆炸圖 圖3.15 踝關節結構圖膝關節包括：固定彈簧的彈簧上架1、小腿桿連接件2、踝關節關節軸3、深溝球軸承4、屈/伸運動件5、調整墊片6、軸承蓋7、

48、拉伸彈簧8、銷軸9、腳板連接件10、外展/內收運動件11、腳板12。彈簧上架1通過兩個平行螺栓和小腿桿2連接；小腿桿連接件2和屈/伸運動件5用關節軸連接；屈/伸運動件5和外展/內收運動件用三個螺栓連接；腳板連接件10和外展內收運動件11用銷軸連接；在彈簧上架1和外展/內收運動件11上開有通過，用圓柱銷將兩個拉伸彈簧分別掛住，同時在小推桿連接件上加工出限位凸臺裝置，防止拉伸彈簧出現壓縮情況。3.3.4 限位裝置設計人體在行走過程中，各個關節的運動角度是在一定范圍內的。若是在外骨骼的關節處施加了驅動裝置，通過控制系統的控制策略（如位置控制等）就能夠實現關節在運動過程中的嚴格定位，即可以不設置限位裝

49、置22。然而，考慮到控制程序可能出錯或是遇到特殊情況，外骨骼的關節可能超出設計的運動范圍，因此，在添加驅動的關節處必須設置機械限位裝置，以防止因控制系統或電機出現故障而發生意外。如圖3.16所示為膝關節的關節限位裝置，限位裝置和屈伸運動件結合在一起，減少了機構的復雜程度。屈/伸運動件上加工有有一定角度的凸緣輪，在腿桿連接件上加工出相對應的凹圓輪，即屈/伸運動件的運動范圍為140°-0°。外骨骼中膝關節的設計和髖關節的設計幾乎一致，只是運動的極限位置不同，這樣減少了關節在加工制造過程中的復雜度。另外，外骨骼的控制策略為“人主機輔”控制，即主動控制，因此在其他輔助關節處不設限位

50、裝置，靠人體本身調節處理。圖3.16 關節限位裝置3.4 腿桿設計作為連接兩關節的腿部連桿機構既是傳動裝置又是驅動安放裝置。連桿的安裝精度要求較高，若腿桿長度與使用者腿部長度有差異，將會直接導致兩者在行走過程中出現運動干涉現象，當兩者偏差較大時，整個人-機封閉系統將會無法正常工作，還會給穿戴者帶來傷害。此外，穿戴者人體胖瘦、高度存在差異，為了外骨骼有更好的結構兼容性，將大腿桿、小腿桿和腰部設計成尺寸可調節結構。經過大量采樣并統計發現，人體各部位長度相對于人體身高的比例基本上都在一個固定的范圍內23。假設人體身高為H，則踝關節至地面的高度為0.039H，膝關節至地面的高度為0.246H+0.03

51、9H=0.285H，髖關節至地面的高度為0.245H+0.246H+0.039H=0.53H，人體兩條大腿之間的距離為0.191H。成年人體身高度普遍在1600mm-1850mm之間，結構的最大可調范圍設定為250mm，腰部寬度可調范圍為42mm。本設計中腿桿結構采用通過調節內外桿之間的固定位置來調整腿桿的長度，即大小腿的長度。上下腿桿用鉸制孔螺栓連接，鉸制孔螺栓主要承受橫向載荷，連接牢固，穩定可靠。如圖3.17和圖3.18所示。圖3.17 腿部可調節連桿圖3.18 腰部可調節連桿3.5 背部承物架設計下肢外骨骼系統包括動力驅動系統、控制系統、傳感系統和執行系統。動力源電池和控制系統設計在背部

52、背架上，背架上還設有一個負重平臺。圖3.19 背架結構圖如圖3.19所示。背架通過兩邊的連接件與腰帶用螺栓件相連，上面通過軟繩與人體肩部相連，將負重通過腿桿傳遞到地面，盡量減小對人體的彎矩。背架上專門設計了一個盒體用于放置電池和控制組件，以避免核心器件與外部負重直接接觸造成損壞。考慮到舒適性和減緩沖擊，在穿戴者與腰部直接接觸的支架板面粘接有柔軟結實的棉墊護具。針對不同使用人群，腰部也設計成可調節結構，由于此背架無調節結構和限位裝置，因此連接為過盈連接，防止出現橫向滑移。此背部承物架的尺寸為長161mm，寬220m，高207mm，要求能夠承受25kg的負重。3.6 緩沖足底設計3.6.1 概述下

53、肢外骨骼機器人的關鍵技術是行走機構，其行走的速度和穩定性直接影響其工作能力與效率。在行走過程中，當足部與地面接觸時會產生沖擊振動，沖擊會通過踝關節傳遞到外骨骼軀干，對其內部的減速機構、驅動系統等造成損傷，同時動態平衡受到干擾，導致步態的不穩定24；外骨骼軀干傳遞給人體，會給穿戴者造成疲勞和不適感。加上下肢行走方式是“腳跟著地-腳尖離地”的行走方式，因此設計足底緩沖裝置可很大限度減少對穿戴者的沖擊，也是本外骨骼的重點設計之一。本緩沖足底的緩沖主要由彈簧和柔順機構來實現。彈簧是一種彈性元件，在受到載荷時能夠產生比較大的彈性變形，可以把機械能或動能轉換為彈性勢能，當載荷消失后彈簧恢復原狀，變形消失，

54、將彈性勢能轉變成動能或機械功。本設計中用到的彈簧為壓縮彈簧和扭矩彈簧，其功能主要有：（1）控制機械運動，如內燃機中的閥門彈簧、離合器中的控制彈簧等；（2）用作測力元件，如彈簧秤中的測力器、彈簧等；（3）儲存于輸出能量，如鐘表彈簧、槍械中的彈簧等；（4）吸收沖擊能量與振動，如汽車下面的緩沖彈簧等。彈簧剛度是指是指載荷與變形之比，剛度越大表示彈簧越硬。3.6.2 緩沖足底三維模型如圖3.20所示，腳跟和腳趾設有一定的弧度25，其作用為：當控制存在誤差或者地面不平以及遇到障礙物時，可以減小踝關節所受的沖擊力，并能適應更多的步態，更好的實現“腳跟著地腳尖離地”的行走方式，保證在行走過程中更好的適應地面

55、26。接地板上面部分鏤空，在保證強度要求的前提下，可以減輕重量，減小擺動腿在擺動過程中產生的振動。圖3.20 足底緩沖裝置圖3.20中：1是壓縮彈簧；2是柔順機構；3是連接件；4是腳趾；5是腳跟；6是扭矩彈簧架；7扭矩彈簧；8是銜合架；9是接地板。連接件3的作用連接緩沖足底的下半部分和腳掌，同時在保證強度的條件下又具有一定的變形能力，如圖3.21所示。圖3.21 連接件變形示意圖當腳跟接地時，載荷一部分通過連接架傳遞給地面，一部分通過腳跟的扭矩彈簧儲存在彈簧中，當載荷繼續傳遞時，和連接架連在一起的腳掌連接板發生轉動，轉動一定角度后被銜合板擋住防止發生更大轉動，銜合架的作用是只允許腳掌連接板發生

56、很小的角度，約為3度，目的是防止產生更大的振動給人體造成不適。3.6.3 腳跟設計如圖3.22所示，扭矩彈簧通過安裝架與腳跟和接地板連接。當腳跟未受到地面作用力時，兩個安裝架之間處于接觸狀態，此種設計避免了足部離地后由于扭矩的回復力而致使腳趾板回到平衡位置后繼續偏轉的現象。當腳跟受到地面的作用力時，連接腳跟的安裝架通過扭矩彈簧繞連接接地板的安裝架轉動，將沖擊轉化為彈簧的勢能，有效減少振動。圖3.22 扭矩彈簧行走時，腳跟先接觸地面，由于腳跟設計成弧形，并且有一個被動自由度，當碰到障礙物時，腳跟受到地面的沖擊力后向上偏移，緩解地面的沖擊以適應地面。腳趾和接地板之間用柔順機構連接，可以吸收部分沖擊力，降低傳遞到踝關節的力與力矩，從而使行走更穩定。3.6.4 腳趾設計腳趾通過兩個并聯的柔順機構與接地板連接。當腳趾受力時，柔順機構吸收的沖擊以彈性勢能的方式儲存在柔順機構中27，當腳抬起時，柔順機構恢復