髋关节助力机器人外骨骼研究设计.docx

1、摘 要本文提出了一种新型的基于串联弹性执行器(Serial Elastic Actuator)的髋关节助力机器人外骨骼，主要用于辅助穿戴者行走，降低穿戴者的行走负担，提高其下肢运动能力和负重能力，同时尽可能的降低对穿戴者本身行走平衡的影响。首先，对人体行走的步态规律进行了探究，总结出正常步态周期内髋关节的生物特性和动作特点。在此基础上得到了髋关节辅助外骨骼需要具有的特征和要求。然后，对串联弹性执行器的结构模型进行了分析，通过其模型推导出传递函数，并据此对其性能进行了分析。接下来，设计出了符合需求的基于串联弹性执行器的髋关节助力机器人外骨骼，每个执行单元采用模块化设计和串联弹性执行器，使其具有较

2、高的扭矩重量比，同时降低对穿戴者本身行走平衡的影响。最后使用Creo建立三维结构模型，在Ansys中进行应力分析，验证了其承载能力符合要求。在Adams/View中进行了仿真，得到其动力学特征。关键词：串联弹性执行器；髋关节；外骨骼；动力学45ABSTRACTThis paper proposes a new type of hip-assisted robot exoskeleton based on Serial Elastic Actuator, which is mainly used to assist the wearer to walk, reduce the wearers w

3、alking burden, improve his lower limbs ability to exercise and load capacity. Minimize the impact on the wearers own walking balance.Firstly, the gait law of human walking is explored, and the biological characteristics and action characteristics of the hip joint in the normal gait cycle are summari

4、zed. On this basis, the characteristics and requirements of the hip joint assisted exoskeleton are obtained.Then, the structural model of the series elastic actuator is analyzed, and the transfer function is derived through its model, and its performance is analyzed accordingly.Next, the hip joint a

5、ssisted robot exoskeleton based on the series elastic actuator is designed according to the requirements. Each actuator adopts a modular design and a series of elastic actuators to make it have a high torque-to-weight ratio while reducing wear. The influence of the persons own walking balance.Finall

6、y, Creo was used to establish a three-dimensional structural model, and stress analysis was carried out in Ansys to verify that its carrying capacity meets the requirements. The simulation was carried out in Adams/View to obtain its dynamic characteristics.Key words: Series Elastic Actuator; Hip joi

7、nt; Exoskeleton; Dynamics目 录摘 要3ABSTRACT41绪论71.1研究的背景与意义71.2国内外的研究现状71.3本文主要研究的问题112人体行走时的髋关节步态规律特征122.1人体髋关节的结构模型122.2髋关节的正常生物特性132.3髋关节的运动学和动力学特征153串联弹性执行器的结构原理及特征173.1SEA概述173.2SEA模型推导183.3SEA模型分析194髋关节助力机器人外骨骼设计224.1髋关节外骨骼基本性能要求224.2髋关节外骨骼机械结构234.2.1串联弹性执行器244.2.2平衡稳定器274.2.3髋距调节器304.3髋关节外骨骼有限元分

8、析314.3.1弹性元件314.3.2扭力弹簧与谐波减速器之间的连杆344.3.3扭力弹簧与力矩传感器之间的连杆344.3.4壳体355髋关节外骨骼动力学仿真365.1仿真前期准备365.2仿真结果与分析386总结与展望406.1文章总结406.2后期展望41参考文献42致谢441 绪论1.1 研究的背景与意义随着老年人口比例的上升，社会问题日益严重。2015年世界人口在60岁以上的比例为12.3，但到2050年预计为21.5。人口老龄化将降低潜在支持率（PSR），潜在支持率指20 至64岁人口数量除以65岁及以上人口数量。到2050年，7个亚洲国家，24个欧洲国家和4个其他国家的PSR可能低

9、于2。由于缺乏年轻的劳动力，老年人口保持独立生活方式至关重要。然而，年老的肌肉力量，灵活性和平衡性都会降低。这些长久保持坐姿的生活方式和活动量少所导致的肌肉损伤极大的加剧了老年人腿部疾病的发生率。为了帮助老年人走得更远，从而使他们能够过上更自由和独立的生活，许多研究人员正在开发外骨骼型可穿戴设备。目前设计的外骨骼缺乏提供维持穿戴式外骨骼系统横向稳定性的功能。对于单自由度的外骨骼，当穿戴者行走时，其平衡维持需要借助拐杖或助行器，不适合仍具有一定运动能力的人使用。而多自由度的外骨骼由于增加了驱动数量也会存在体积和重量增大，为人们的正常行走带来较大负担。因此如何设计和控制一种能够有效支持穿戴者同时不

10、影响其行走稳定性的外骨骼系统，仍然是一个悬而未决的问题。1.2 国内外的研究现状Francesco Giovacchini等人于2015年研究了一种髋关节外骨骼辅助装置，该装置由一个水平的C形框架作为支架，围绕使用者的臀部和骨盆的后部，并通过三个矫形外壳（两个侧面和一个后面）与身体躯干连接; 支架承载两个驱动单元。如文献1所述，该结构采用两个2.5毫米厚的碳纤维横臂实现，通过后直杆连接。后方放置外部导向装置，其中两个内部杆可以滑动：然后可以调节杆的长度以匹配两个侧向外壳之间的距离，以确保支架在内-外侧方向上紧密地附接到上半身。两个滑动杆可以通过一个快速分离销锁定，并使用丝杠机构细微地调整。为了

11、进一步使穿着过程更容易，结构也可以完全分成两部分（右和左）。 由于水平调节，人体和机器人髋关节屈伸轴和支架中心轴和导轨的垂直位置对其。此外，后方外壳固定在后杆上，并通过螺钉机构进行调节，以贴合人体腰部区域，正确传递辅助扭矩，外骨骼具有一个主动自由度，驱动单元为串联弹性执行器以获得较高的扭矩重量比，整个子系统总重量为0.8千克。在控制策略方面，上层采用了Ronsse等人在最近的工作中提出的一种无模型(它不需要任何关于步态动力学的先验知识)算法。该算法利用自适应振荡器(AOs)为LOPES外骨骼用户提供髋部屈伸辅助。底层则采用基于扭矩的PID闭环控制。图 1.1 髋关节外骨骼辅助装置三星高级技术研

12、究所开发了一种髋关节外骨骼，如图 1.1所示。它设计用于在髋关节的伸展和屈曲中提供辅助扭矩。它轻巧，纤薄，舒适且功能强大。外骨骼由一对驱动器组成，这些驱动器为左右髋关节产生辅助力，腰部有一个髋关节支撑，一对大腿支撑架将助力扭矩从执行器传递到大腿。背面包括电池和CPU 的电子组件。外骨骼的重量减少到2.8千克。两个70瓦BLDC电机安装在髋关节附近，以产生辅助扭矩，产生的扭矩通过75：1多级齿轮系统传递到每个关节，没有肌腱或弹性元件。每个关节在矢量平面上具有1个活动自由度（DOF），在活动DOF下方具有1个用于外展/内收的被动铰链。运动范围是45 /1200。臀部支架使用工程塑料制成，并涂有碳纤

13、维，结构灵活，当内带系统 固定时，它可以紧紧贴合骨盆。支架由多个部件组成，以便可以调节腰部和臀部周围的宽度以适合不同形状的个体。大腿框架由塑料制成，涂有碳纤维，采用特殊的双层机制，它只能沿纵向相互滑动。这种机构使得支架在被推入中间部分时能够弯曲并且当被推入远端部分时能够限位。因此，大腿支架可以将驱动器产生的扭矩集中在腿上。图 1.2 三星高级技术研究所开发的髋关节外骨骼Ting Zhang等人在2018年开发了一种具有平衡功能的髋关节外骨骼，如文献2所述。与以上两种相比较，它着重强调了在髋关节外骨骼开发过程中容易忽视的行走平衡性问题。由于大多数外骨骼的适用对象为下肢瘫痪的病人，因此他们着重于回

14、恢复患者的行动能力，其平衡功能依靠拐杖或助行器支持。由于其缺乏横向平衡功能，对于下肢具有一定能力的患者来说，并不适合使用以上两种髋关节外骨骼。如图所示，新开发的髋关节外骨骼具有两个主动自由度，包括动力髋关节外展/内收和髋关节屈伸关节。每个执行单元采用模块化和紧凑型串联弹性执行机构(SEA)，因此具有较高的扭矩重量比。它在外骨骼和穿戴者之间的界面提供了机械依从性，以确保穿戴者-外骨骼耦合系统的安全和自然步态。在控制策略方面提出了一种基于外推质心概念的新型步行稳定性平衡控制器。该控制器通过海洋串联弹性执行机构的被动弹性和基于自适应导纳控制的主动柔性控制相结合，对平衡中的扰动作出响应，产生顺应性的制

15、导力。髋关节外骨骼的作用不是凌驾于人的控制之上，而是让佩戴者参与运动控制，避免佩戴者与外骨骼发生冲突。图 1.3 具有平衡功能的髋关节外骨骼Hammad Munawar等人2015年开发了一种髋关节康复训练车，如文献3所述。这是一种主动型带有移动底座的辅助外骨骼，外骨骼模块包括两个三自由度的平面平行机构,而移动基座依靠弹性驱动和精确的控制机构来跟随患者移动并提供横向支持力。然而，这种早期的设计存在一些性能瓶颈，限制了设备的可用性。首先。由于串联弹性驱动的力控制带宽是有限的(由于使用了高度兼容的力传感元件)，早期设计的外骨骼性能也受到了与移动基座运动相关的自由度的限制。其次，在早期的设计中，盆腔侧移依赖于移动基座的运动。在整个步态治疗过程中，会产生基底部的持续横向运动。随后，在2016年，对这种外骨骼进行了改进，详细内容见文献4。首先，新型的外骨骼模块中添加了一个冗余的活动自由度，使骨盆侧移不需要移动基座的移动。其次，为移动平台实现了一种基于外骨骼模块测量骨盆姿态的工作空间定心运动控制器，这样在地面训练时不会达到外骨骼模块的工作空间限制。该控制器不仅为设备提供了几乎无限的工作空间，而且还将移动平台的动力学与外骨骼动力学解耦。因此，辅助步态的力呈现性能和输出阻抗仅由其外骨骼模块决定。图 1.4 髋关节康复训练车除了上文介绍的髋关节辅助