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1、 下肢外骨骼助力系统设计及仿真优化分析 学位论文完成曰期 : 指导教师签字 : 答辩委员会成员签字 : 2015年 4月 20日 青岛科技大学研宄生学位论文 下肢外骨骼助力系统设计及仿真优化分析 摘要 下肢外骨骼助力系统是一套可穿戴式机器人，通过安装在人体运动节点的传 感器来检测人体运动信息，进而控制机器人的运动，使其能够协助无法顺利行走 的人恢复行走的能力。本课题所设计的机器人是一种模仿人体行走的仿生机器 人，在设计过程中通过拟人化思想能够使外骨骼机器人的下肢与人体下肢有机的 融合，使其拥有人体行走的特点和相的生理结构。 本研宄课题综合了国内外的研究背景及未来的发展方向，通过调研现有的几 款
2、下肢外骨豁机器人，进行综合比较分析，确立了该系统的设计方案，包括下肢 外骨骼的整体模型和控制方案。本课题所设计的两款外骨骼机器人，其中一款相 比较现有的具有助行减压的功能。另一款具备 结构简单，功能齐全，易于穿戴的 特点。两款外骨豁机器人在功能上都能满足设计要求。 论文首先分析和讨论了人体运动机理及外骨骼结构形态，结合机器人的设计 要求，确定外骨骼自由度以及其整体方案的构型。然后，确定外骨豁机器人的驱 动机构，以及驱动机构的布置，然后分析整体方案的可行性。 其次在三维建模软件 Pro/E中建立下肢外骨骼机器人零件的三维模型。然后 再导入仿真软件 ADAMS中建立下肢外骨骼机器人样机模型。利用仿
3、真软件对该 机构进行仿真，通过仿真可以得到相关节点的驱动力参数及运动轨迹。然后利用 Simulink软件分析外骨骼机器人的运动姿态继而提出控制方案。通过仿真分析结 果可以优化约束位置，最大限度的减少人机干涉和优化驱动机构的整体布置，为 下肢外骨豁机器人设计打下坚实的基础。 最后，将三维模型导入 ANSYS静力学分析软件，对整体外骨骼结构尺寸参 数进行优化，通过优化材料的选取，以及尺寸参数的优化，最大程度的减轻整体 重量。能够更好的使外骨骼与人体高效有机的融合，提高整体运动的协调性。也 为下一步对外骨骼机器人进行深入的研宄打下理论基础。 关键词：外骨骼步态分析结构设计仿真研宄参数优化 青岛科技大
4、学研究生学位论文 ANALYSIS AND DESIGN SIMULATION OF THE LOWER- LIMB EXOSKELTON ASSISTED ROBOT SYSTEM ABSTRACT Lower extremity exoskeleton power system is a wearable robot which can detect human motion information through the sensors installed in the human motion node to control robot. Therefore it can assist
5、 people who cannot walk smoothly. Lower extremity exoskeleton robot is a kind of imitation of human walking bionic robot. In the design process,we can make the organic combination between lower limbs with the human lower extremity exoskeleton robot by the personification thought. In this way the low
6、er extremity exoskeleton have the characteristics of human walking and similar physical structure. This research integrated the research background at home and abroad and the development direction in the future through the investigation of several existing lower limb exoskeleton robot. Then we condu
7、cted a comprehensive conparative analysis. Setting the design scheme of the system including the overall model and the control scheme. The design of the two paragraph of the exoskeleton robot. Compared with the existing one is helping decompression function and another has the advantages of simple s
8、tructure, complete function, easy to wear. The two paragraph of exoskeleton robot can meet the design requirements in function. This paper analyzed and discusses the human motion mechanism and external skeletal structure and combined with the requirements of the design of the robot. To determine the
9、 degree of freedom and the configuration of the exoskeletoa Then, to determine the driving mechanism of the exoskeleton robot. Analysis the feasibility of the approach. Secondly, we established the three-dimensional model of lower extremity exoskeleton robot parts in 3D modeling software Pro/E. Then
10、 imported into the simulation software ADAMS and establish a lower extremity exoskeleton robot prototype model. Through the simulation we can get the driving force and the motion parameters of relatin 下肢外骨豁助力系统设计及仿真优化分析 can make human body exoskeleton and efficient organic fosion better, improving t
11、he overall coordination of movement. KEY WORDS: Exoskeleton Gait analysis Structure design Simulation study Parameter optimization 青岛科技大学研宄生学位论文 目录 1雜 . 1 1.1课题背景及意义 . 1 1.1.1选题背景 . 1 1.1.2选题意义 . 2 1.2外骨骼助行机器人的研究现状 . 2 1.2.1外骨骼简介 . 2 1.2.2国内外有关外骨骼机器人的研宄现状 . 2 1.3外骨骼机器人发展遇到的技术瓶颈 . 9 1.4论文主要研宄内容 . 10
12、2人体运动学分析及下肢外骨骼助力系统动力学模型 . 12 2.1人体下肢运动规律及步态分析 . 12 2.1.1人体下肢结 构特点 . 12 2.1.2人体下肢运动规律及步态分析 . 13 2.1.3人体正常行走步行的可能形式 . 15 2.1.4步行运动参数 . 17 2.2外骨骼机器人运动学分析 . 18 2.2.1行走运动模型 . 18 2.2.2复杂状况下的运动模型 . 21 2.3外骨骼机器人动力学建模 . : . 22 2.3.1正向动力学问题 . 22 2.3.2逆向动力学问题 . 24 2.4外骨骼机器人稳定性分析 . 25 2.4.1基于 ZMP的稳定性 . 25 2.4.2
13、基于 FRI的稳定性 . 26 2.4.3基于 COP的稳定性 . 27 2.5机器人步行机构 . 29 2.5.1外骨骼机器人控制任务 . 30 2.6本章小结 . 31 3下肢外骨骼机器人整体方案及机构模型设计 . 32 3.1机械结构组成及设计要求 . 32 3.1.1下肢外骨骼机器人的结构设计要求及运动学建模 . 33 v _ 下肢外骨骼助力系统设计及仿真优化分析 _ 3.1.2下肢外骨骼机器人构成 . 34 3.1.3下肢外骨豁机器人下肢运动范围的确定 . 35 3.2外骨骼机器人驱动装置的确定 . 37 3.3外骨骼机器人整体方案设计 . 38 3.3.1机械结构设计 . 39 3
14、.3.2外骨骼工作原理 . 40 3.3.3外骨骼机器人三维建模 . 41 3.4下肢外骨骼机器人驱动装置的选择 . 46 3.5本章小结 . 46 4下肢外骨骼机器人控制系统的研究 . 47 4.1外骨路机器人控制系统的特点 . 47 4.2外骨骼机器人的控制方式 . 48 4.2.1几种常用的控制方式 . 48 4.3下肢外骨骼机器人控制系统的构成 . .49 4.4下肢外骨骼机器人控制动态特性 . 49 4.4J利用 Simulink进行仿真 . 50 4.5本章小结 . 53 5下肢外骨骼机器人系统机构仿真优化分析 . 54 5.1 弓 I 言 . 54 5.2利用 ADAMS对下肢外
15、骨豁机器人仿真步骤 . : . 54 5,2.1建立下肢外骨骼机器人虚拟样机 . 54 5.2.2为虚拟样机各个关节添加约束 . 55 5.2.3仿真结果分析 . 56 5.3基于 MATLAB的步行仿真 . 58 5.4基于 ANSYS的强度分析 . 61 5.4.1外骨骼机器人整体受力环境分析 . 62 5.4.2利用 ANSYS进行力学分析 . 62 6总结与展望 . 66 6.1本文研究内容总结 . 66 6.2本课题的创新点 . 67 6.3关于外骨骼机器人的发展展望 . 67 参考文献 . 68 m m . 7i VI _青岛科技大学研宄生学位论文 _ 攻读硕士期间的研宄成果 .
16、72 独创性声明 . 73 关于论文使用授权的说明 . 73 VII 青岛科技大学研宄生学位论文 1绪论 1.1课题背景及意义 1.1.1选题背景 目前，世界上很多国家已进入老龄化社会，老龄化问题越来越严峻。据不完 全统计，当今世界年龄超过六十岁的人口总数己接近 7亿，我国老年人口数量已 超过总人口的 10%。老龄化带来的一系列社会问题越来越突出，由于老年人身体 机能衰退，日常活动受到极大限制，行走问题已成为老年人普遍的日常生活障碍。 此外，照顾行走不便的老年人给一个家庭乃至整个社会都带来巨大的压力和负 担。因此，研发一款可供老年人穿戴且能够辅助行走的外骨骼装置就显得尤为必 要。老年人穿戴上后
17、能够行走自如，节省体力，而且还能够保护老年人不容易摔 倒，不仅对穿戴者本身有益而且也会缓解一定的由于照顾老年人所带来的一系列 社会压力 1。 随着近年的自然灾害频发，例如汶川大地震等，会给很多受灾的人造成不同 程度的人身伤害，而人身伤害主要是四肢，下肢最容易受到损伤使患者失去 行走 的能力。还有交通事故率越来越高，关节病、偏瘫的患者也是持续增多，这同样 会给很多人造成下肢运动功能障碍的困扰。研发一款辅助肢体障碍患者行走的设 备，让患者重获行走的能力，具有重大的研宄价值和现实意义。 当今世界，医疗科技突飞猛进的发展给医疗辅助器械的设计生产提供了强有 力的保障，各种辅助医疗器械应运而生并且在康复医
18、疗领域大显神通。临床医学 实践数据表明，肢体障碍患者恢复运动能力的过程除了前期的医学治疗还包括后 期的康复锻炼。外骨骼辅助机器人能够为后期康复锻炼提供巨大帮助。外骨骼助 行机器人不仅在患者行 走时提供矫正功能，还能通过训练使患者康复后拥有更强 的肢体协调能力。 在军事领域，外骨骼辅助机器人也是拥有巨大的应用空间。外骨骼机器人可 以使士兵拥有更持久的耐力、更高的速度、更强劲的机动能力，增加士兵的负载 提高远程作战能力。不仅是军事，其他比如科考任务和消防营救等等，都要求人 员能够执行大负载，远程任务。而外骨骼机器人不仅可以帮助穿戴者能够远程行 走而且还能够背负更多的物资提高执行任务效率。 在生产车
19、间对于一线生产工人来说，一些特殊的生产线要求工人全天保持站 立的姿势，而且操纵重工车床，这样很容易引起工 人的疲劳，降低生产效率甚至 由于工人的疲劳产生生产事故。如果工人们能够穿戴上一套可以减轻他们站立时 下肢的压力，节省体力，这样工人们的生产效率必会大大提高。 1 1.1.2选题意义 下肢外骨骼助力系统设计及仿真优化分析 综上所述，无论是基于民用商业价值还是军事应用价值，外骨骼机器人都已 成为时代的宠儿。西方欧美国家尤其是美国，在军事上开发了多款外骨骼机器人 并且已经应用到部队。日本在民用医疗领域也是取得了巨大的进展，相继开发出 具备完善功能并且实用价值非常大的外骨骼机器人。外骨骼机器人归属
20、到仿生学 的范畴，是一款仿人的仿生机器人，人机协同一体化的体现。下肢外骨骼助行机 器人是一种可穿戴式机器人，能够给穿戴者提供助行、减压、保护等功能。而且 不与穿戴者产生阻力干涉，还可以拆卸，应用方便的特点。 随着仿生学、信号处理、控制工程理论等学科的快速发展，外骨骼机器人具 有强大的理论支撑得以快速的发展。中国近几年也是加大了这方面的投资，在 “ 十 一五 ” 国家科技支撑计划中提出康复机器人的研发，各大高校和科研院所也是极 为重视。 总之，外骨骼助行机 器人在各方面，各领域都表现出了巨大的应用前景，无 论是实用价值还是应用价值都是极大的，所以，外骨骼机器人技术的研宄已经成 为各个学科以及各领
21、域争相研究的热点。 1.2外骨骼助行机器人的研究现状 1.2.1外骨骼简介 何为外骨骼？外骨骼顾名思义就是围绕在身体之外的骨骼且能够起到保护内 部器官的作用，其质地坚硬能够抵御外细冲击等 2。而外骨骼机器人则是融合了 传感器技术、控制理论、信息传递、机电系统计算机控制等等的为穿戴者提供辅 助的机械机构综合技术。下肢外骨骼系统就是一种能够辅助人体行走的外骨骼机 器人。尽 管在几千年前就有外骨骼身影的出现，像古代士兵的盔甲。但外骨骼机 器人技术在现代看来仍然是一个新的概念。 1.2.2国内外有关外骨骼机器人的研究现状 西方国家像欧美国家起步较早，时至今日已经有多款外骨骼机器人诞生。而 且已经应用到
22、军事或民用领域，并且取得了很好的效果。人体外骨骼的最初设想 可以追溯到 1966年哈德曼机器人，是美国通用电气公司为美国军方研发的一款 可穿戴的单兵辅助机械装备。该机器人的设计思想是能够帮助士兵携带更多的武 器弹药，但是该项目研究进展缓慢，直到现在仍然处在研发当中 3。 2009年 2月，美国洛克希德 马丁公司 （ Lockheed Martin)公布了其开发的 动力外骨豁机器人 -Human Universal Load Carrier简称 HULC， 如图 1-1所示。这 款称为 HULC的外骨骼机器人可以让士兵在携带卯公斤重的武器弹药的情况下 2 青岛科技大学研究生学位论文 以 16公里
23、每小时的速度行走。 HULC是一款先进的外骨骼机器人，它主要由蓄 电池提供电力，下肢结构是它的主要组成部分。在关键部位比如膝关节和髋关节 都安装有液压驱动元件，利用外骨骼自身的结构特点，将穿戴者的负重均量的散 布在外骨骼上，然后再将重量输送到地面上，不需要穿戴者承担。而且 ， HULC 可以收缩在一个体积很小的旅行箱里，不但实用而且方便。通过试验得知，士兵 在穿戴上 HULC后，行走时本身的耗氧量减少 15%相比平时不穿，而且士兵不容 易感到疲劳，战斗力明显得到加强。 HULC使用的蓄电池在充满电后可以满足士 兵全战斗负荷的情况下行进一个半小时，士兵还可以在穿戴 HULC的情况下完成 一系列的
24、战术动作，比如深蹲、匍匐前进、卧倒等而且不会收到 HULC的阻力 干 涉。 此外，洛克希德 马丁公司表示，基于 HULC的承载能力之大，他们将会以 其为蓝本，开发出加有护甲和各类传感器等的一款以复杂地形为主的新型未来单 兵装备 4。 图卜 1动力外骨骼机器人 Fig.1-1 Human Universal Load Carrier 作为世界上头号军火巨头的洛克希德马丁公司在去年为美国特种部队量身 定做了一种称为 FortisExoskeleton的外骨骼机器人。这套外骨骼机器人最大的特 点是没有动力源及不需要外部提供动力即可达到辅助战士的功能。在战场上，如 果士兵穿戴上这副外骨骼机器人，就可以
25、毫不费力的举起各种重型武器。不需要 外部提供动力归功于它完美而又精确的结构设计分析，以及人机一体化的融合。 3 下肢外骨骼助力系统设计及仿真优化分析 它能够将士兵身上的载重经过外骨骼传导在地面上。以达到能够节省士兵体力的 目的。加强士兵的整体战斗力。经过实地检验获知，它起码能够帮助穿戴者承担 至少 10公斤的重物5。如图 1-2所示。 图 1-2外骨骼机器人 Fig. 1-2 Fortis Exoskeleton 2009年 10月 27日，俄罗斯中央所所长弗拉基米尔 博伊科宣布，俄罗斯已 成功开发出勇士 -21” 可穿戴式外骨骼机械作战服，如图 1-3所示。如果穿戴上这 套外骨骼机器人，士兵
26、可以在载大量物资的情况下高速行走，而穿戴者的行走持 续时间也会大大延长。很明显，这套外骨骼机器人作战效应极其明显，战士的战 斗力也会跨越式的增长，并带来全新的作战理念。 “ 勇士 -21” 机器人外骨骼包括 可以绑缚在人体背上的支架、机械腿以及驱动部分 ，依靠外背背包里的液压系统 和一体式微型空速传感伩作为能源，从各个方面来提高士兵的各项战斗指标。根 据消息可知 “ 勇士 -21” 外骨骼机器人可以帮助士兵减轻大约 90%的载重，而且还 可以与战士身体有机融合，能够确保战士在各种复杂地面上行走自如。 “ 勇士 -21” 外骨骼机器人很快将能够快速而不受限制的奔跑，而且还具备跳跃和匍匐的能 力。
27、穿戴上这套外骨豁机器人的士兵的行军速度可以达到 15公里 /小时。 “ 勇士 -21” 外骨胳机器人的机械材料采用了先进的纳米技术，所以在重量上大大减轻与上一 代外骨骼相比，它的整体重量减轻了 将近 15公斤，因此，极大的提高了士兵的 机动运行作战能力。根据推算，俄罗斯在 “ 勇士 -21” 外骨骼研制上投入了将近 4 青岛科技大学研宄生学位论文 5000万美元。作为未来单兵作战辅助系统， “ 勇士 -21” 机械外骨骼机器人被要求 必须能够穿戴在战士身上，这样士兵自己还要依靠自身的力量操纵机器人， “ 勇 士 -21” 外骨骼更多的是延长步兵的承载能力。从这方面看来， “ 勇士 -21” 系
28、统和 美国国防部及其谋求的纯粹外骨骼机器人（士兵靠大脑意识操纵，不需要肢体操 纵）还有相当的一段距离。 图 1-3勇士 -2外骨骼系统 Fig. 1-3 Warrior -21 exoskeleton system 日本 Cyberdyne公司研发出了一款人体机械外骨骼产品，被称为 “ 混合辅 助 肢体 ” （ HAL) 6如图 1-4所示。该外骨骼机器人可以帮助老年人或残疾人以及行 走不便的人恢复到正常人的行走速度并且更加方便安全。 HAL是世界上第一款可 以由人的意念控制行走的机械外骨骼。在人体打算行走时，大脑会产生一个电信 号通过神经系统传递给肌肉。而通过安装在外骨骼机器人身上的传感器会
29、检测到 这一个电信号，并把这一信号传递给外骨骼机器人的控制系统。 Cyberdyne表示， 穿戴者穿上这套外骨骼后会感觉轻便很多，完全感受不到附加在身上的重物。因 为外骨骼会帮助你承受这些重量。 HAL在设计结构时采用 非拟人设计手法即不需 要绑带束缚到人体下肢上，人体的重量将由HAL的基座来承担，驱动系统安装 在下肢的膝关节和髋关节。 HAL同样是一款可以根据人的自身重量来调节相应关 节处的驱动力。 这款外骨骼机器人也得到日本政府的重视而且将其作为指定产品用来以辅 5 下肢外骨豁助力系统设计及仿真优化分析 助老年人或者残疾人。从 2010年开始，日本大部分地区尤其东京的医院累计租 借了几百套
30、外骨骼机器人。每年的租借费约为 1950美元。可以看出外骨骼机器 人的研发制造成本都是相当高的，研制周期也是漫长的。 图 1-4助力器 Fig. 1-4 Hybrid Assistive Leg HAL的工作模式包含想 -传输 -读取 -移动 -反馈 7。如图 U5所示想即首先穿 戴着要想着 “ 我要行走 ” 。 当人需要移动身体的时候，首先大脑会先想接下来要做的动作，此时大脑会 将信号通过神经传输给肌肉。传输即接收到信号的肌肉会动起来，对于健康人的 身体而言，每一块肌肉都可以准确的接收到大脑传来的信号，并配合 .完成所需要 的动作，不论是慢走还是奔跑。读取 HAL读取信号大脑传输到肌肉的信号
31、可以 在皮肤表面呈现出非常微弱的生物电信号 （ BES)， HAL只能够通过收集穿戴者 皮肤表面的 BES读取信号，通过整合各种信息， HAL可以识别出穿戴者的意识。 移动即 HAL根据穿戴者的意愿移动 HAL配置的行为识别系统可以控制装置的两 个动力单元，此功能可以让穿戴者产生比他自身更加强大的力量。 人体在运动时不仅仅是肌肉在动，包括人体骨骼或各个运动关节，大脑需要 确认身体是如何随着信号的不同移动的。当穿上 HAL机械外骨骼后，随着穿戴 者与 HAL互相的适应，会向大脑反馈信息 “ 我可以走路了！ ” 。这样可以训练大 脑在需要走路的时候发出合适的信号。这对于下肢行动不便的人来说己经是很
32、大 的进步了。 6 青岛科技大学研究生学位论文 图 1-5 HAL的运动模式 Fig. 1-5 Motor pattern of HAL 国内相关外骨骼机器人的研究起步柏对较晚，总体来说仍处在起步阶段，由 于我国在机器人领域尤其这种外骨豁机器人缺乏相关的技术储备，所以研究往往 是从零开始，但是发展速度较快。很多高校和研究所都已完成外骨骼机器人的初 步设计，并取得一些极具研宄价值的成果，有的已经生产出实物并准备投放到市 场。 2004年，由中国中科院合肥智能机械研宄所研宄的下肢外骨骼机器人 8，如 图 1-6所示。该外骨骼机器人是由安装在膝关节和髋关节处的电机驱动，其中一 条外骨骼腿包含五个自由
33、度，其中膝关节一个自由度，髋关节有三个自由度，踝 关节有一个自由度，通过安装在此处的电动机控制，利用传感器感应人体表皮机 电信号然后进行分析穿戴者的行走意图。外骨骼机器人是由安装在足底的压力传 感器来获知穿戴者的运动信息，然后中央控制器再根据反馈的信号来控制伺服电 动机，完成外骨骼的一次屈伸运动，带动人体下肢同步运动，节省体力，达到助 力行走的目的。该项目目前己和日本鹿儿岛大学建立联合研发的合作关系，并取 得很大的进步 d 7 下肢外骨骼助力系统设计及仿真优化分析 图 1-6中科院穿戴助力外骨骼 Fig. 1-6 Wearable Exoskeleton of Chinese Academy
34、of Sciences 在 2012年的年底，素有 “ 中国科技第一展 ” 之称的第十四届中国国际高新技术 成果交易会开幕 9。此次高交会中科院展区，深圳先进设备研宄院展示了多款智 能机器人，其中有一款能够 助人行走的下肢外骨豁机器人特别显眼。这款机器人 不仅可以辅助老年人行走，甚至残疾人或者类风湿类疾病患者等行走不便的人群 如图 1-7所示。这款下肢外骨骼机器人采用了人体工程力学的设计思想，通过分 析人体双腿的运动特点，可以和人体下肢有机融合，有效的可以帮助老年人等残 疾人行走，同时该外骨胳机器人还安装有具备多重防护功能的设备，大大提高了 安全性和舒适性。 深圳先进院的这款机器人同样是由安装
35、在外骨骼腿的膝关节和髋关节处的 电动机躯动，由于在膝关节和髋关节处有完成下肢屈伸运动的自由度，所以电机 可以控制外骨骼腿的 运动。下肢外骨骼腿膝关节、髋关节和足底安装有相应的传 感器来感知人体的运动信息并传给控制单元，控制单元根据信号做出相应的指令 控制执行机构执行动作。并且该外骨骼机器人整体结构简单、重量轻，穿戴者可 以毫不费力的完成站立、坐、行走、爬行等各种动作。 8 青岛科技大学研宄生学位论文 图 1-7外骨骼机器人 Fig. 1-7 Exoskeleton Robot 由于全世界各国都加大研究力度，所以外骨骼机器人技术得到蓬勃发展。无 论是起步较早的欧美、日本等国家，还是起步较晚但发展
36、迅速的中国，都研制出 了性能可靠的外骨骼机器人，技术也得到相应的提高，为未来更先进机器人技术 的研发打下了坚实的基础。 .1.3外骨骼机器人发展遇到的技术瓶颈 综合国内外的研宄现状，关于外骨骼机器人的研发都会碰到一些相似的技术 难点，比如整体设计上的优化、人体运动的复杂性、准确可靠的控制系统和较低 的制作成本等。主要包含起来有以下几点 (1) 整体外骨豁机器人的设计优化。虽然大部分的外骨骼机器人都是采取 拟人化设计的手法，但是如何能更好的与人体有机的结合仍然是一个难点。由于 人的肢体运动复杂，而外骨骼机器人只能局限于某几个固定的动作，比如下肢的 屈伸等，还不能完全的模仿人的全部动作，这样在穿戴
37、的过程中，外骨骼机器人 就有可能与穿戴者发生阻力干涉，不但起不到助力的作用，而且还有可能影响人 的正常行走。 (2) 运动信息的采集与分析。虽然现阶段有各种各样的传感器，比如压力 传感器、位置传感器等，有效信息的采集仍然是外骨骼机器人的设计过程中所遇 到的难题。因为如果采集不到人体运动的有效信息的话，控制系统就很难控制执 行机 构来完成相应的动作。因为安装在主要关节处的传感器的灵敏度会很容易受 到外界的干扰，造成采集到的信号可能有误。 9 下肢外骨骼助力系统设计及仿真优化分析 (3) 驱动系统的选择。目前国内外外骨骼机器人驱动系统主要分为液压驱 动、气压驱动、电动驱动。这三种驱动方式各有优缺点，例如液压驱动包含元件 多，结构复杂，液压油容易泄露体积也庞大，但是提供的动力大。气压驱动也是 存在密封不严会产生漏气现象，噪音极大，但是整体结构较简单。电动驱动主要 缺点是提供的驱动力不大，动力持续时间段 等弊端，但是电动驱动响应快速、准 确。所以，动力源的选择和确定也是研宄外骨豁机器人的关键点。 (4) 外骨骼机器人的安全性和经济性。外骨骼机器人被设计用来辅助穿戴 者行走，安全性是必须考虑的。如果设计不合理，驱动系统选择不恰当，很容易 给穿戴者造成伤害。外骨骼机器人