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1、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 (全口制工程型） 蒋靖 哈尔滨工业大学 2012年 7月 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 国内图书分类号： TP242.6 国际图书分类号： 621 学校代码： 10213 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 硕士研究生 ：蒋靖 导 师 ：付宜利教授 申请学
2、位：全 日制工程硕士 学科：机械工程 所 在 单 位 ： 机电工程学院 答辩日期 ： 2012年 7月 授予学位单位：哈 尔滨工业大学 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ Classified Index: TP242.6 U.D.C: 621 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH AND MECHANISM DESIGN OF LOWER LIMB POWER EXOSK
3、ELETONS Candidate: Jiang Jing Supervisor: Prof. Fu Yili Academic Degree Applied for: Master of Engineering Speciality: Mechatronics Engineering Affiliation: School of Mechatronics Engineering Date of Defence:July, 2012 Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology 1994-2014 China Aca
4、demic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 摘要 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
5、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。然后采用拉格朗口功能平衡法，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
6、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 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All
7、rights reserved, http:/ 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.
8、 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 the design of mechanical dri
9、ve 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 metho
10、d 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 mechanica
11、l 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 researc
12、h 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 t
13、he 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 follo
14、w-up experiment, gait information collecting experiment, and Exoskeletons drive experiment. The results demonstrate that 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 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
15、can satisfy the requirement of loading and flexibility. Keywords： Lower Limb Power; exoskeleton robot; structural design; kinematics and dynamics 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 目录 W . I ABSTRACT .II 第 1 章绪论 . 1 1.1课题研究的目的和意义
16、. 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 弓 . 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
17、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 弓 . 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- 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ _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
18、. 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 弓丨 W . 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 弓 . 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
19、. 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 会吉 . 54 参考文献 . 55 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 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第 1 章 绪 论 1.1课题研究的目的
20、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 Y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
21、目的是为了増强拓展人类的能力。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 及重量的増大。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
22、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，从而成倍地増强士兵的战斗力。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 肢助力外骨路方面的研究还相对较少。在国内外骨路领域的研究中，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
23、快 对 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 该技术的研究很有必要。 哈尔滨工业大学工程硕上学位论文 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 Hardiman2，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
24、。 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。 图 1-1 Hardiman外骨豁 从 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 “ 増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 战能力増强，防卫水平也能得到提高。很多研究机构同时得到 EHP
25、A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 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 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
26、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-
27、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増强 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 3A5,6，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
28、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， 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 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
29、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
30、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
31、续支撑行走 21小时。 ExoClimber和 ExoHiker 样，拥有 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 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 (
32、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代外骨路 - “ 人类负重外骨路 ” （ 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
33、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， 1994-2014 China
34、Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 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 3 6.7kg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 耗量増大，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
35、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 RoboKneem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
36、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 1() 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
37、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，就容易移动或掉下，穿戴者大量运动后就会出汗，这也会影响肌 电传感器的工作。另外，肌电信号中一般含有强烈的噪音，须经过大量的去 噪处理才 能使用；每次使用外骨骼，都要把肌电传感器贴到人体皮肤表面， 使用起来很不方便。肌电传感器的这些特点也决定了 HAL适用场合的局
38、限 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 性，以及运动的相对低速。实验表明， HAL能够在穿戴者以每小时 4公里的 速度行走时保持稳定运行。 驻波大学经过后续研究，相继推出了 HAL系列产品。 HAL-3只有下肢 结构，如图 1-5 a)所示，该外骨骼专门用于帮助下肢无力者，像下肢残疾人、 老人等，使其能自主地完成日常生活中的基本动作，例如走路、上下楼梯等。 而 HAL-4和HAL-5不仅能够帮助穿戴者完成下肢动作，还设计
39、有能辅助穿 戴者上肢运动的外骨骼手臂，穿戴上该装置，使用者能够轻松地抬起比 HAL-3 负重大 40kg的物体。另外， HAL-4将微型计算机和 无线信息传输网络装置 设计的尽量小和紧凑，能够装进外骨骼的腰带中，这就不必再使用背包。如 图 1-5 b)所示， HAL-5设计有很小的马达，这样就能够让外骨骼髋关节和膝 关节的结构尺寸很小，使外骨骼活动起来更加灵活。在结构本体的重量方面， 每次新一代的外骨骼都很更轻。 HAL-3大约重为 22kg， HAL-4则为 17kg， 而 HAL-5最轻，仅仅重 15kg， 但是穿戴者基本感受不到这个负重，因为外 骨骼的硬质脚跟部分会将这些重量直接传递到地
40、面。 a) HAL-3 系统 b) HAL-5 系统 图 1-5 HAL助力外骨骼 另外，日本著名大学东北大学在 2004年开发出一套穿戴助力装置 12， 其结构非常简单，质量分布类似于人体，控制中，该外骨骼就可以根据人体 的近似模型，估算下肢各关节运动所需的驱动力矩，这样就不需要人体任何 生物信息。 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 1.2.2国内下肢助力外骨骼研究现状 国内从事下肢助力外骨骼机器人研究的院 所还不是太多，主要有中国科 学院、浙江大学、华中科技大学、中国科技大学、哈尔滨工程大学等，基本 都处于外骨骼机理研究阶段，有部分研究机构制造出了实验样机。 从 2004年起，中国科学院合肥智能机械所开始进行下肢助力外骨骼的研 发13， 14，现今已研制出外骨骼样机，如图 1-6所示。该外骨骼单腿设计 6个 自由度，分别是髋关节 3个，