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變剛度下肢外骨骼機器人

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更新時間：2019-05-30
發布人：rongxinglu

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從 1960 年開始，外骨骼經過幾十年的研究，取得很大的進展。外骨骼技術把機器人技術和醫療技術結合起來，已經應用于殘障人士康復上。康復型外骨骼負載較小，所以一般采用電機驅動。但是，剛性電機驅動會限制人體的柔性，阻礙人機交互，產生沖擊，導致穿戴不適甚至傷害。因此，本文設計一種結構緊湊、輕捷方便的可穿戴變剛度柔性下肢外骨骼。相對于剛性驅動，變剛度驅動（VSA-Variable Stiffness Actuator）具有緩沖、抗沖擊、儲能、更加順應人體的優點，達到穿戴舒適、運動柔順的目的。
本文根據國內外研究現狀，根據人體運動規律，選擇合適的電機和諧波減速器器，設計剛度可調的膝關節和串聯彈性驅動（SEA-Serial Elastic Actuator）的髖關節，設計被動踝關節。同時，選取合適的傳感器、驅動器和編碼器，確保下一步的控制，考慮到重量和強度問題，本設計主要零件采用碳纖維板。最后，對關鍵零件進行強度校核，對整體樣機進行質量評估，繪制零件圖和裝配圖，外送加工。從 1960 年開始，外骨骼經過幾十年的研究，取得很大的進展。外骨骼技術把機器人技術和醫療技術結合起來，已經應用于殘障人士康復上。康復型外骨骼負載較小，所以一般采用電機驅動。但是，剛性電機驅動會限制人體的柔性，阻礙人機交互，產生沖擊，導致穿戴不適甚至傷害。因此，本文設計一種結構緊湊、輕捷方便的可穿戴變剛度柔性下肢外骨骼。相對于剛性驅動，變剛度驅動（VSA-Variable Stiffness Actuator）具有緩沖、抗沖擊、儲能、更加順應人體的優點，達到穿戴舒適、運動柔順的目的。
本文根據國內外研究現狀，根據人體運動規律，選擇合適的電機和諧波減速器器，設計剛度可調的膝關節和串聯彈性驅動（SEA-Serial Elastic Actuator）的髖關節，設計被動踝關節。同時，選取合適的傳感器、驅動器和編碼器，確保下一步的控制，考慮到重量和強度問題，本設計主要零件采用碳纖維板。最后，對關鍵零件進行強度校核，對整體樣機進行質量評估，繪制零件圖和裝配圖，外送加工。
關鍵詞：下肢外骨骼；柔性關節；變剛度驅動器；串聯彈性驅動

ABSTRACT

Since 1960, great progress has been made in the study of exoskeletons, which combine robotics with medical technology and have been used in patient rehabilitation. The convalescent exoskeleton has a small load, so it is generally driven by electric motors. However, rigid motor drive will limit the flexibility of the human body, hinder human- computer interaction, and generate impact, resulting in discomfort and even injury. Therefore, a compact, lightweight and convenient wearable flexible lower limb exoskeleton with variable stiffness is designed in this paper. Variable Stiffness, relative to the rigid driver drive (VSA - Variable Stiffness physical) with a buffer, impact resistant, energy storage, more to keep up with the advantages of the human body to wear comfortable, sport, silky purpose.
According to the research status at home and abroad, according to the laws of the human body movement, choose the appropriate harmonic reducer, motor and design Adjustable Stiffness (AwAS - Actuator with Adjustable Stiffness) of the knee joint, and rigidity regulation (SEA - Serial Elastic Actuator) of the hip, design of passive ankle. At the same time, the selection of appropriate sensors, drivers and encoders, to ensure the next step of control, considering the weight and strength issues, the design of the main parts using carbon fiber plate. Finally, the key parts of the strength check, the overall prototype quality assessment, drawing parts and assembly drawings.

Key words: Lower Extremity Exoskeleton; Flexible Joint; Variable Stiffness Actuator; Serial Elastic Actuator

目錄

摘要 I
ABSTRACT II
第 1 章緒論 1
1.1研究背景及意義 1
1.2國內外研究現狀 2
1.2.1國外發展狀況 2
1.2.2國內發展狀況 4
1.2.3柔性驅動器的發展狀況 5
1.3本論文的主要設計內容和工作 7
第 2 章下肢外骨骼機器人總體方案 8
2.1人體運動機理簡述 8
2.1.1人體基本面與軸 8
2.1.2人體下肢運動原理 9
2.1.3人體下肢運動規律 9
2.2設計準則 10
2.3總體方案 10
2.3.1整體方案 10
2.3.2整體尺寸和重量 11
2.4本章小結 13
第 3 章下肢外骨骼結構設計 14
3.1柔順驅動器以及硬件選擇 14
3.2腰桿、背板和髖關節 16
3.2.1腰桿和背板 16
3.2.2髖關節 17
3.3大腿和膝關節 19
3.4小腿和踝關節 22
3.5腳板部分 23
3.6本章小結 23
第 4 章關鍵零部件靜力學分析 25
4.1螺紋連接強度校核 25
4.1.1背板和腰桿的連接 25
4.1.2腰桿和髖連接板的連接 26
4.2關鍵軸的校核 27
4.2.1髖關節轉軸 27
4.2.2膝關節轉軸 28
4.2.3踝關節轉軸 29
4.3ANSYS 分析 30
4.3.1軸的 ANSYS 分析 30
4.3.2髖連接板的 ANSYS 的分析 32
4.3.3大腿的 ANSYS 分析 33
4.4本章小結 34
第 5 章總結與展望 35
5.1 總結 35
5.2 展望 35
致謝 39

第 1 章緒論
1.1研究背景及意義
外骨骼 (Exoskeleton)的提出源于生物學中昆蟲和有殼類動物的堅硬外殼, 有殼類生物利用外骨骼支撐身體，防衛天敵，增強自身的運動能力，外骨骼對于這類生物來說是不可或缺的 [1]。人們基于這一概念，結合機器人技術發展了可穿戴外骨骼機器人。外骨骼機器人的作用是巨大的，比如說醫用康復外骨骼機器人可用于運動機能受損的病人的康復訓練;助力外骨骼可用于幫助老人或者運動能力較弱的人群進行正常的工作；軍用外骨骼可用于提高士兵的作戰能力，這對于打造超級戰士來說是一種可靠的方法。可見，助力外骨骼機器人、醫療康復機器人、軍用外骨骼機器人等各種類型、功能的外骨骼機器人將在未來社會發揮重要作用[2]。
在我國，社會老齡化的問題越來越嚴重、殘疾人比例逐年上升，下肢康復機器人成為社會關注的一個熱點[3]。現在康復外骨骼一般為通過設置正常的步態，對病人進行步態模擬訓練，讓病人進行接近正常人的活動以刺激神經系統，從而幫助下肢運動障礙患者恢復和重建行走能力[4]。研究表明，下肢康復外骨骼可以有效地提高康復效果，節省康復醫師工作負擔[5]。
然而，對于如今的大部分外骨骼機器人來說，驅動關節一般都是剛性的。而仿生學研究表明，生物關節的剛度都是隨著不同的運動需要進行改變的，比如說人在劇烈運動的時候，為了減少對骨骼或肌肉的損害，膝關節處的剛度會變得較小，以便對沖擊進行緩沖；而在休閑運動比如說行走時候則需要較大的剛度，以便進行實時的反應，改變行走方向或速度等[6]。此外，剛性結構不具備緩沖的功能，在外部沖擊下容易導致外骨骼損壞甚至對人體造成傷害。由此可知，變剛度的外骨骼才能更好的適合于穿戴和提供助力，才能更好地實現協調的人機交互，使人們有更好的體驗。
因此，本文通過了解國內外變剛度驅動器的研究現狀，學習比較變剛度結構，優化運動關節結構、優化連接方式和連接件的尺寸形狀使結構緊湊、選擇合適的材料減少整體重量；在采用柔性機構進行剛度控制的基礎上，選擇更加合適的驅動器、諧波減速器以及傳動結構以達到性能要求；最后綜合設計一款變剛度下肢外骨骼機器人，優化細節連接，設計好內襯綁帶，保證人機交互過程中的安全性、功能性、

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