可穿戴輔助機械腿結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

可穿戴輔助機械腿結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析張啟0116162141緒論1.1課題背景20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，也是最有可能改變未來的機器人技術(shù)，20世紀(jì)60年代首次問世，經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，取得了巨大的進展。這是一門體現(xiàn)了機械工程，電子工程，計算機技術(shù)，人工智能和其他成果領(lǐng)域相結(jié)合的機電一體化學(xué)科，是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)開發(fā)的核心領(lǐng)域之一。目前機器人產(chǎn)業(yè)在農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療及其他領(lǐng)域被廣泛使用，機器人在復(fù)雜危險的環(huán)境中完成許多工作，為人們提供前所未有的便利及安全。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，機器人的應(yīng)用非常普遍；無論是醫(yī)學(xué)診療、康復(fù)等領(lǐng)域，都隨處可見它們的身影。然而，隨著社會老齡化加劇，很多老人面臨行動不便的困擾；更是有一些體育愛好者在傷病造成行動不便，那么對于這些由于行動障礙而要借助藥物得以恢復(fù)的人群來說，后期的康復(fù)訓(xùn)練也是一個很關(guān)鍵的部分。為了解決這一難題，康復(fù)機器人逐漸走入人們的視野，受到越來越多的人研究?？纱┐鬏o助機械腿是康復(fù)機器人領(lǐng)域的一個重要分支，它是一種可以幫助行動不便的老人或者殘疾人以及一些傷病的體育愛好者在無需人員參與的情況下自理日常生活，開創(chuàng)了行動不便人群居家自理生活的新方向。這樣可以大大減少行動不便的人的生活難題，具有廣泛的應(yīng)用前景。1.2課題研究的目的及意義社會越來越進步，越來越多地要求科學(xué)技術(shù)使人民受益，這增加了對殘疾人康復(fù)機械設(shè)備的需求。除了最初的康復(fù)之外，在以后的階段使用輔助醫(yī)療設(shè)備進行康復(fù)培訓(xùn)也非常重要。傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練是通過對單獨的護理人員進行身體接觸的培訓(xùn)，在護理人員的長期單調(diào)運動的患者的護理人員的協(xié)助下，交換和輔助藥物，永久性刺激患有中樞神經(jīng)系統(tǒng)病變的患者，逐漸恢復(fù)物理控制以進行治療。但是傳統(tǒng)的手動療法要求治療師具有很高的技能和工作強度，并且無效，昂貴且不適用于家庭?？紤]到機器人作為適應(yīng)長壽命和高重復(fù)性的機械系統(tǒng)，非常適合康復(fù)；助行器旨在幫助使用者克服自己的運動障礙，以執(zhí)行自己無法執(zhí)行的運動。外骨骼機器人用于各種行業(yè)，例如軍事領(lǐng)域，可以提高士兵的承載能力和耐用性。在工業(yè)領(lǐng)域中，在機械工程，生產(chǎn)和運輸，危險工作等方面的應(yīng)用；在民用領(lǐng)域中，它可以用于需要運輸重物和設(shè)備，但不能使用車輛的情況。本課題針對穿戴式機械腿的結(jié)構(gòu)布局特點，給出穿戴式機械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并對其關(guān)鍵部位進行強度校核，保證機械腿系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性。課題意義：隨著社會老齡化的惡化和殘疾人群體的擴大，許多患者患有身體和運動障礙，除了藥物治療援助外，進一步康復(fù)也必不可少。對于無法接受治療的患者，必須使用外力幫助患者恢復(fù)肢體功能。可以模仿生物學(xué)外骨骼的外骨骼機器人是一種新型的機電設(shè)備。它是一種結(jié)合了人類智能和機械能的人機集成便攜式設(shè)備，并且集成了多種機器人技術(shù)，例如檢測，控制，信息融合和移動計算。除了諸如保護和物理支持之類的功能外，某些功能和任務(wù)也可以在用戶控制下執(zhí)行?？纱┐鬏o助機械腿機器人將特別重要。1.3可穿戴輔助機械腿的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀外骨骼機器人是將人的智力和機械能力相結(jié)合的機器人設(shè)施，可穿戴輔助機械腿的機器人是一種外骨骼機器人，其主要功能是通過被動行走或手動康復(fù)訓(xùn)練來幫助患者。通過幫助患者再次站立或行走，讓患者恢復(fù)一定水平的自力更生[1]。輔助機器腿通過人機交互控制步態(tài)平衡，可以幫助人類行走并增強人們的體力[2]。外骨骼機器人的概念最早是由美國通用汽車公司在上世紀(jì)60年代提出的[14]，20世紀(jì)70年代，美國麻省理工大學(xué)也開始進行研究[15]。由于當(dāng)時科學(xué)技術(shù)有限，外骨骼機器人研究成果并不理想。到了21世紀(jì)，由于計算機、新材料、新能源和傳感等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，外骨骼機器人的研究重新開始，并慢慢進入廣泛研究時期[3]。外骨骼機器人最初的研究是在歐美、日本等發(fā)達國家完成的，主要用于軍事領(lǐng)域，提高了軍人的承載能力，提高了軍人的步行能力，提高了軍人的個別戰(zhàn)斗能力。由于科技和醫(yī)療水平的不斷提高，使外骨骼機器人與醫(yī)療領(lǐng)域結(jié)合起來，研究和設(shè)計出一種能夠支援步行功能障礙患者進行康復(fù)，即下肢外骨骼機器人。[1]。本世紀(jì)初，美國的伯克利公司研制了第二代軍人專用的外骨骼機器人ExoHiker（見圖1.1）和ExoClimber（見圖1.2）。ExoHiker是根據(jù)大負載、工作時間長的工作原則設(shè)計的，腳踝沒有使用驅(qū)動系統(tǒng)，兩條腿和腰部根據(jù)仿生學(xué)設(shè)計，很大程度上提高了該裝備的適穿性。ExoHiker自身重量為14kg，最大負載為68kg。ExoClimber除了大負載和工作時間長的特征以外，還能迅速的上下臺階和斜坡，自身重量為22kg，最大負載為68kg。兩者都佩帶1磅的電池，沒有負載的時候可以以4km/h的速度行走70km[12-13]。另外，它們結(jié)構(gòu)輕便靈活，穿戴有很好的舒適性，一次充完電后使用時間也得到了大幅提高[3]。圖1.1ExoHiker圖1.2ExoClimberHybridAssistiveLeg（HAL）（見圖1.3）是日本賽博公司開發(fā)的一種可穿戴式下肢外骨骼機器人，于2008年上市，2013年獲得全球安全認證和批量生產(chǎn)。HAL自身重量為23kg，下肢動力裝置位于髖、膝、踝關(guān)節(jié)，無輔助支撐，可持續(xù)160分鐘。HAL固有的優(yōu)點是生物識別控制系統(tǒng)和自控系統(tǒng)。生物識別控制系統(tǒng)模式是根據(jù)人體動態(tài)生成的生物前衛(wèi)信號和傳感器計算下關(guān)節(jié)力矩的關(guān)鍵，并根據(jù)使用者的移動意圖判斷外骨骼的移動。自動控制系統(tǒng)模式使用計算機存儲動作模式完成記憶輔助動作并記憶這些動作[4]。新西蘭RexBionics公司研發(fā)的可穿戴下肢外骨骼機器人Rex（見圖1.4）主要是為低端的緊弛和麻痹較少的患者設(shè)計的。該裝置質(zhì)量為39kg，由10個電機為外骨骼髖、膝、踝關(guān)節(jié)提供傳動能力。為保證長時間使用，運用充電和可替換電池這2種方式供電，使用時長可達2h。為配合輪椅的使用，腰部周圍設(shè)置了操縱桿扶手，使用者可以不用借助助推器慢慢移動[4]。圖1.3HAL圖1.4Rex2012年底，以色列ReWalkRobotics（RWLK）公司發(fā)明的可穿戴輔助機械腿ReWalk（見圖1.5）得到了歐盟的CE認證，2014年中旬通過美國FDA（FoodandDrugAdministration）認證，成為第一批用于醫(yī)療的外骨骼機器人。ReWalk主要針對脊髓損傷患者，重量為20公斤，高度和寬度可調(diào)節(jié)。關(guān)節(jié)和膝蓋關(guān)節(jié)是用獨立發(fā)動機控制的，腳踝關(guān)節(jié)被彈簧輔助手動運動控制。下身外骨骼通過繩索與穿戴者相連，工作時便攜式電腦控制系統(tǒng)可根據(jù)體聲感覺技術(shù)和手腕感知技術(shù)判斷人體信息，同時判斷外骨骼機器人的行走和速度。改善與人體的運動調(diào)節(jié)，幫助穿著者完成康復(fù)訓(xùn)練[4]。2016年，韓國汽車集團在國際消費電子展會上展示了可穿戴輔助機械腿—HUMA（見圖1.6）。HUMA本來是以H系列穿戴機器人為基礎(chǔ)的升級版本，最少支持40kg的重量和最大12km/h的移動速度?？纱┐鳈C器人除可用于康復(fù)醫(yī)藥品外，還可幫助工人及室外勞動者運輸重量。韓國現(xiàn)代汽車集團目前正在努力開發(fā)與“鋼鐵俠”相似外觀的可穿戴機器人，由此可以提高使用者幾百公斤的承重能力。機器人可以包裹大多數(shù)裝備者的腿部，而上肢必須用大背包大小的鋼鐵結(jié)構(gòu)來捆綁。佩戴者可以通過手上的操縱桿控制鐵骨結(jié)構(gòu)的上肢[3]。圖1.5ReWalk圖1.6HUMA可穿戴輔助機械腿結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析在中國，隨著外骨骼康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)比西方國家慢，高齡化社會的問題加劇，對外骨骼康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)也越來越關(guān)注[5]，中國的外骨骼機器人研究起步較晚，大多處于研究階段，與實際應(yīng)用階段還相差很遠[3]。進入21世紀(jì)以來，中國科學(xué)院合肥智能機械研究所開始了可穿戴外骨骼機械腿設(shè)備的研究工作，并取得了初步成果。外骨骼機械腿結(jié)構(gòu)的設(shè)計與實現(xiàn)與人體相似。兩腿共有10個自由度，即髖關(guān)節(jié)每側(cè)3個自由度，膝關(guān)節(jié)每側(cè)1個自由度，踝關(guān)節(jié)每側(cè)1個自由度[7]。整個設(shè)備也是電池供電的。通過在外骨骼機械腿上建立一個傳感器網(wǎng)絡(luò)，以獲得人體的運動意圖，使用提供自由度的伺服電機驅(qū)動腿關(guān)節(jié)運動。它最初有一個簡單的人體關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動[6]。2015年第9屆全國殘疾人奧林匹克運動會開幕式上公開的ADER外骨骼由電子科技大學(xué)設(shè)計和實現(xiàn)，分別由磁盤電機驅(qū)動。青年穿著它，在拐杖的幫助下獨立走了幾米[7-8]。上海大學(xué)的機械機械機械工學(xué)和自動化學(xué)校設(shè)計了4個可自由使用的外骨骼機械腿套，機械腿的各方面有2個自由度，即各骨髓關(guān)節(jié)和膝蓋各有1個開口，即彎曲和擴展自由度，這4自由度采用由電氣缸驅(qū)動的移動模式[9]。北京理工大學(xué)深入研究了外骨骼機器人的負重支撐機制、步行感知技術(shù)及后續(xù)控制方法，并提出了對外骨骼人類機械系統(tǒng)的均衡穩(wěn)定性進行評價的方法和以地面半力為基礎(chǔ)進行適應(yīng)性評價的方法。北京理工大學(xué)開發(fā)了支持下體重量的外骨骼的第三代原型。股關(guān)節(jié)及膝蓋關(guān)節(jié)的彎曲及擴張由液壓式驅(qū)動，由2個鋰電池驅(qū)動，搬運45kg重物體時，1小時內(nèi)可以4km/h的速度運行。在合理的的承重條件下，機器人可以走樓梯、傾斜面、草地等[10]。北京大艾機器人科技有限公司于2018年推出了可穿戴輔助機械腿Ailegs艾動[11]。Ailegs機器人的設(shè)計主要是為脊髓損傷、骨髓炎、腦損傷、腦癱、腦溢血、偏麻痹、骨及關(guān)節(jié)手術(shù)后恢復(fù)運動和軟化患者設(shè)計的。這個外骨骼機器人用電動馬達驅(qū)動關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，支持和驅(qū)動患者的四肢運動，使用拐杖保持平衡，保持天然步行訓(xùn)練和實際步行模式，運動能力和走路肌肉神經(jīng)的均衡。該裝置的背部、大腿及小腿的長度有寬大的調(diào)整范圍、便捷的調(diào)整及準(zhǔn)確的尺寸，適合各種不同的身高患者快速適應(yīng)。小而輕，便于攜帶，完善的控制系統(tǒng)，適合不同病人的不同步調(diào)和不同類型疾病的步行訓(xùn)練，以適應(yīng)不同病人的個別康復(fù)要求[4]。1.4本課題的主要內(nèi)容（1）深入研究和學(xué)習(xí)人體運動學(xué)，尤其是下肢骨骼的運動方式，得出下肢隨動外骨骼機構(gòu)模型，為設(shè)計可穿戴輔助機械腿結(jié)構(gòu)做好理論準(zhǔn)備。（2）根據(jù)腿部形態(tài)尺寸，確定可穿戴機械腿的連桿尺寸；從下肢骨骼機構(gòu)模型得出可穿戴輔助機械腿結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)個數(shù)及關(guān)節(jié)類型，從而設(shè)計出可穿戴機械腿的整體結(jié)構(gòu)。（3）對可穿戴輔助機械腿結(jié)構(gòu)進行三維零件造型和模型整體裝配，并對其中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行強度校核，保證該機械腿機構(gòu)的可靠性。（4）按照要求撰寫畢業(yè)論文及繪制相關(guān)圖紙。（5）完成一篇相關(guān)文獻的翻譯。本次畢業(yè)設(shè)計中，擬解決的問題在于：（1）基于分析人體腿部結(jié)構(gòu)的特點及運動機能，依據(jù)結(jié)構(gòu)、仿生和功能仿生原則，建立其結(jié)構(gòu)模型。（2）利用三維造型軟件SolidWorks（或UG）建立可穿戴輔助機械腿的三維仿真模型。（3）對關(guān)鍵零件三維結(jié)構(gòu)模型進行強度校核，保證該機械腿機構(gòu)的可靠性。1.5本課題的研究方法通過設(shè)計并計算可穿戴輔助機械腿的結(jié)構(gòu)，使它能夠完成模擬人體腿部結(jié)構(gòu)的運動。首先查閱文獻資料，從文獻資料中掌握一些關(guān)于可穿戴輔助機械腿的基本知識，如工作原理和相關(guān)設(shè)計原則，從而確定研究方案。然后利用仿生學(xué)原理人體腿部的生理構(gòu)造特點來進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，定出各零部件的尺寸形狀，制作可穿戴輔助機械腿的裝配圖和零件圖。研究方法主要采用系統(tǒng)化設(shè)計方法：（1）根據(jù)可穿戴輔助機械腿的功能和結(jié)構(gòu)，擬定可穿戴輔助機械腿的整體設(shè)計方案；（2）初步確定可穿戴輔助機械腿的整體尺寸；（3）對機器人進行尺寸計算與校核。本設(shè)計主要通過人體腿部結(jié)構(gòu)的步態(tài)運動，結(jié)合高等代數(shù)、機械原理，機械設(shè)計等相關(guān)知識以及利用互聯(lián)網(wǎng)資源對可穿戴輔助機械腿進行合理的分析與設(shè)計?？纱┐鬏o助機械腿的機構(gòu)系統(tǒng)主要包括機器人腿部件的布局、腿部件的結(jié)構(gòu)形式、關(guān)節(jié)的運動形式等，而其中關(guān)節(jié)的運動形式是可穿戴輔助機械腿的重要組成部分，是機械、機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵之一[22]。因此，從某種意義上說，對可穿戴輔助機械腿的分析主要集中在對其關(guān)節(jié)的分析。因此對可穿戴輔助機械腿的基本要求可以歸納為：（1）實現(xiàn)運動的要求；（2）結(jié)構(gòu)實現(xiàn)和方便控制的要求；（3）機械結(jié)構(gòu)的強度要符合要求。2可穿戴輔助機械腿傳動方案設(shè)計2.1傳動方案的選擇驅(qū)動系統(tǒng)是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)[23]，它應(yīng)具有小型、輕巧、快速應(yīng)答、簡單控制和良好的可靠性，以滿足機器人攜帶性能和高質(zhì)量的移動需求[17]。目前機器人系統(tǒng)中有三種常見的驅(qū)動方法：電動機驅(qū)動、液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動[28]。液壓傳動在大范圍內(nèi)具有連續(xù)調(diào)速、高驅(qū)動扭矩、單位質(zhì)量輸出功率大、過載保護等特點，可實現(xiàn)中長途自動控制。此外，它具有體積小、動態(tài)性能好、輸出功率相同的特點。然而，用于輔助的液壓系統(tǒng)體積太大，成本太高。液壓油的壓縮性和泄漏時有發(fā)生。對于精確的傳輸，誤差很大，不能保證嚴(yán)格的固定齒輪傳輸。此外，在工作過程中，必須完成機械能量-壓力-能量-機械能量的能量轉(zhuǎn)換，多次能量轉(zhuǎn)換降低了傳輸效率。溫度對液壓系統(tǒng)有很大的影響，不能在溫度變化的環(huán)境中工作[17]。氣動傳動以壓縮氣體為工作介質(zhì)，通過氣體壓力傳遞動力，其工作原理與液壓傳動類似，液壓傳動利用壓縮空氣驅(qū)動氣缸運動。它的優(yōu)點是成本低，易于控制，使用安全，沒有污染和實際維護。然而，由于氣體的可壓縮性較高，精確控制的難度較大，只能在有限的工作位置使用，在運動過程中也難以精確控制運動速度，而且噪聲大，精度低。目前有四種主要類型的電機:交流電機、直流電機、步進電機和伺服電機。電機驅(qū)動具有響應(yīng)快、控制方便、運動精度高、信號提取、傳輸和處理方便、成本低、穩(wěn)定性好、無污染等特點。交流/直流電機的控制是一個簡單、迅速回應(yīng),不能用來精確控制直流電機和直流電機、步進電機可獲得更精確的控制裝置,但由于沒有公開反饋閉環(huán)控制,因此,它不能檢測輸出效果，伺服電機可以彌補有缺陷的步進電機，有一種反饋檢測裝置，可以有效地檢測輸出信號的執(zhí)行效果。當(dāng)然，對于不同類型的發(fā)動機，價格也有很大的差異[17]?？纱┐鬏o助機械腿用于病人的康復(fù)，首先，它們具有更精確的可控性、更輕的重量、更小的尺寸、更高的可靠性和更容易的控制。液壓傳動具有可靠性好、響應(yīng)快、控制方便等優(yōu)點，但是比較容易泄露，造成環(huán)境的污染。由于噪聲大、檢測精度低、可靠性差，氣動傳動不適合高精度的控制。電機驅(qū)動中的伺服電機和步進電機具有可調(diào)精度高等特點，是一種更合適的驅(qū)動方法。2.2可穿戴輔助機械腿關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩的計算每個關(guān)節(jié)的動態(tài)參數(shù)要求是選擇每個關(guān)節(jié)的驅(qū)動元件和傳動元件的重要依據(jù)[25]。由機器人動力學(xué)方面的知識可知，機器人動力學(xué)方程具有如下形式：（2.1）：關(guān)節(jié)位置向量，：關(guān)節(jié)速度向量，：關(guān)節(jié)加速度向量，M：慣性張量，C：與哥氏加速度和向心加速度有關(guān)的量，F(xiàn)：與粘性摩擦和庫侖摩擦有關(guān)的量（還與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角位置有關(guān)），G：慣性負載，Q：廣義力向量。在設(shè)計時，機器人的動態(tài)參數(shù)有兩種主要的計算方法:一種是靜態(tài)法，另一種是動態(tài)法[25]。對于低速機械，由于慣性力的作用，移動部件的動載荷不大，即上述公式中C項的影響很小，可以忽略，摩擦力因子也可以忽略。這種設(shè)計不考慮動態(tài)荷載，只考慮靜力荷載，稱為靜力設(shè)計。對于高速運動，由于其高動載荷，C項的影響非常大，經(jīng)常超過其他靜載荷，因此不能忽視，粘性摩擦也必須考慮在內(nèi)，這包括靜態(tài)和動態(tài)荷載的計算，就是所謂的動力學(xué)計算[26]。本次設(shè)計過程中機械臂的運動速度不高，關(guān)節(jié)扭矩由靜載荷法確定，然后乘以適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，以確保機械臂的安全運行。為了估計每個關(guān)節(jié)所需的扭矩，假設(shè)每個鏈路的重量集中在鏈路的中心，并根據(jù)設(shè)計部件的圖紙估計每個連桿的重量。關(guān)節(jié)的最終扭矩由重力載荷組成。計算方法如下：2.2.1關(guān)節(jié)一關(guān)節(jié)一：受到負載、關(guān)節(jié)六、連桿五、關(guān)節(jié)五、連桿四、關(guān)節(jié)四、連桿三、關(guān)節(jié)三、連桿二、關(guān)節(jié)二重力產(chǎn)生的扭矩。在的基礎(chǔ)上稍有放大即可，估算得：由于桿重都是估算，還有重心位置也是估算而得，所以存在一些誤差，而且沒有考慮動力學(xué)項，所以在實際設(shè)計時應(yīng)該比求得的力矩大上50%的余量，后面關(guān)節(jié)同理。2.2.2關(guān)節(jié)二關(guān)節(jié)二：受到負載、關(guān)節(jié)六、連桿五、關(guān)節(jié)五、連桿四、關(guān)節(jié)四、連桿三、關(guān)節(jié)三、連桿二重力產(chǎn)生的扭矩。估算如下：2.2.3關(guān)節(jié)三關(guān)節(jié)三：該關(guān)節(jié)繞水平軸作旋轉(zhuǎn)運動，故其力矩大小主與由負載和機械腿的質(zhì)量偏心位置和角加速度有關(guān)，假設(shè)角加速度大小為2。估算如下：2.2.4關(guān)節(jié)四受到負載、關(guān)節(jié)六、連桿五、關(guān)節(jié)五、連桿四重力產(chǎn)生的扭矩。估算如下：2.2.5關(guān)節(jié)五受到加速度附加扭矩及摩擦力。力矩不大，依據(jù)關(guān)節(jié)六進行估算。估算其力矩為：2.2.6關(guān)節(jié)六受到末端負載重力產(chǎn)生的扭矩。估算如下：將以上求得的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩分別乘以1.5的安全系數(shù)，得到最終設(shè)計的關(guān)節(jié)力矩，并初步確定各關(guān)節(jié)的最大轉(zhuǎn)速，見下表2.1：

表2.1各關(guān)節(jié)力矩及最大轉(zhuǎn)速關(guān)節(jié)力矩/N·m最大轉(zhuǎn)速/r/min關(guān)節(jié)1111025.7關(guān)節(jié)21069.625.7關(guān)節(jié)329138關(guān)節(jié)4236.157.2關(guān)節(jié)51538關(guān)節(jié)610.35120.22.3減速器選型由上表可以初步選定減速器的型號：表2.2減速器選型表關(guān)節(jié)減速器型號最大允許扭矩（N·m）減速比最大轉(zhuǎn)速/r/min質(zhì)量/kg關(guān)節(jié)1RV-160N1300813022.1關(guān)節(jié)2RV-160N1300813022.1關(guān)節(jié)3RV-42N30741406.3關(guān)節(jié)4RV-42N27141606.3關(guān)節(jié)5RV-6E5431402.5關(guān)節(jié)6HPGP-141551210.422.4電機選型電機的力矩等于設(shè)計的關(guān)節(jié)力矩除以減速比和減速效率。注意：電機的最大轉(zhuǎn)速為關(guān)節(jié)的最大設(shè)計轉(zhuǎn)速乘以減速比取減速效率為60%，得各關(guān)節(jié)電機所需的力矩和最大功率如表2.3所示：表2.3各關(guān)節(jié)電機所需的力矩和最大功率關(guān)節(jié)電機所需力矩/N·m電機所需最大功率/kW關(guān)節(jié)122.844.98關(guān)節(jié)222.014.80關(guān)節(jié)311.831.93關(guān)節(jié)49.602.36關(guān)節(jié)50.810.10關(guān)節(jié)63.450.22最終選得到電機型號如表2.4所示：表2.4電機選型表關(guān)節(jié)電機型號額定功率/kW額定轉(zhuǎn)矩/N·m最大轉(zhuǎn)速/r/min轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量/10^-4kg*m^2質(zhì)量/kg關(guān)節(jié)1MDMF502L1C5523.9300058.215.6關(guān)節(jié)2MDMF502L1C5523.9300058.215.6關(guān)節(jié)3MDMF302L1C5314.3300018.69.3關(guān)節(jié)4MDMF302L1C5314.3300018.69.3關(guān)節(jié)5MSMF042L1A2M0.41.2760000.271.2關(guān)節(jié)6MGMF092L1C50.855.413000電機發(fā)熱校核對于連續(xù)運行和恒載電機，負載扭矩必須在整個速度范圍內(nèi)的額定扭矩范圍內(nèi)。長期連續(xù)運行并定期在發(fā)動機負荷條件下加熱條件變量，按等效原理的發(fā)動機，發(fā)動機扭矩的均方根值在一個工作周期所需的工作量，即同等扭矩，并使這種持續(xù)低于額定扭矩值，所以可以確定發(fā)動機型號和規(guī)格。由于在上述發(fā)動機的初步選擇中，假設(shè)發(fā)動機在最大負荷下連續(xù)運行，因此可以認為相應(yīng)選擇的發(fā)動機必須滿足加熱要求，因此這里不需要特殊的計算。2.6本章小結(jié)本章介紹了可穿戴輔助機械腿設(shè)計工作的起始準(zhǔn)備，也為下一章做了很好的鋪墊。本章主要介紹了可穿戴輔助機械腿傳動方案的選擇，對比了工業(yè)常用的三種傳動方式，通過分析它們各自的優(yōu)缺點，最后確定可穿戴輔助機械腿的傳動方式為伺服電機傳動。根據(jù)伺服電機傳動的方式，通過關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩計算以及電機和減速器之間的公式換算，初步確定了減速器和電機型號，為后面的尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計做了很好的保障。3可穿戴輔助機械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1人體腿部生物原型介紹3.1.1人體腿部運動原理本文所介紹的可穿戴輔助機械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計按照擬人化的設(shè)計準(zhǔn)則，運用比較科學(xué)規(guī)范的人體參考系，如圖3.1、3.2所示。由圖可知，人體參考系可以分解為矢狀面、水平面和冠狀面三個平面，即分解為垂直軸、額狀軸和矢狀軸三個軸。圖3.1人體各方向平面圖3.2人體軸分類正常人的腿部運動主要取決于髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運動。通過分析人體解剖實驗可以看出，髖關(guān)節(jié)有三個自由度，人體的運動分別為屈伸、環(huán)旋和回旋、外展與內(nèi)收，所以人體關(guān)節(jié)可采取不同的運動,如髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)是3個自由度，膝關(guān)節(jié)在運動過程中只有1個自由度，即只有前后的彎曲和伸展運動。這里提到的彎曲和伸展運動是指矢狀面前軸關(guān)節(jié)的運動。本文所述的屈伸運動是指關(guān)節(jié)在矢狀面圍繞額狀軸的運動，屈伸的意思是大腿向前運動為屈，向后運動為伸；圍繞矢狀軸的內(nèi)部運動；回旋運動是指關(guān)節(jié)在水平面上繞垂直軸旋轉(zhuǎn)；環(huán)旋運動是指關(guān)節(jié)圍繞額狀軸和矢狀軸的連續(xù)旋轉(zhuǎn)[7]。本文所介紹的可穿戴輔助機械腿髖關(guān)節(jié)3個自由度，膝關(guān)節(jié)1個自由度，踝關(guān)節(jié)2個自由度，這樣的做法有好處也有壞處，壞處是不能完全模仿人的運動狀況，但好處是控制起來更加簡單[7]。3.1.2人體腿部尺寸結(jié)構(gòu)表3.1GB10000-8818-60歲成年男性人體下肢主要尺寸百分位數(shù)項目151050909599身高1543158316041678175417751814大腿長413428436465496505523小腿長324338344369396403419大腿/身高0.26760.270370.271820.277110.28270.28450.2883小腿/身高0.209980.213520.214460.21990.225770.227040.23098如果作為個要實際應(yīng)用到生活中的產(chǎn)品，應(yīng)考慮不同身高，不同體型的穿戴適配特性。表1及表2分別列舉了我們國家成年人體尺寸國家標(biāo)準(zhǔn)GB10000-88中，成年男性和女性的人體下肢主要尺寸。表3.2GB10000-8818-60歲成年女性人體下肢主要尺寸百分位數(shù)項目151050909599身高1449148415031570164016591697大腿長387402410438467476494小腿長300313319344370376390大腿/身高0.26760.270370.271820.277110.28270.28450.2883小腿/身高0.209980.213520.214460.21990.225770.227040.23098由表3.1和表3.2可知：對于我國成年男性和女性，人體各部位之間的尺寸與身高尺寸具有固定的比例關(guān)系。在成年人中，小腿長與人體身高之比為0.220，大腿長與人體身高之比為0.277，這些尺寸比例都是機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。從前面的討論可以得到，在我國，成年人體下肢各部位之間的尺寸與身高的比例是一個基本恒定的值。本文為了簡化分析內(nèi)容，我們?nèi)⌒⊥乳L與人體身高之比為0.220，大腿長與人體身高之比為0.277。3.1.3人體下肢主要關(guān)節(jié)的運動特性可穿戴輔助機械腿是為移動性較低的人設(shè)計的，在確定自由度時，應(yīng)考慮人體下肢關(guān)節(jié)的運動特性。運用解剖學(xué)來分析，髖關(guān)節(jié)（如圖3.1所示）由股骨頭與髖臼組成。從髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)可以看出：髖臼包裹著2/3的股骨頭，由此可知，髖關(guān)節(jié)是球窩形關(guān)節(jié)，與球鉸副十分相似，具有3自由度。屈伸運動完成人體的主要行走功能，繞垂直軸的旋內(nèi)、旋外運動完成轉(zhuǎn)彎功能，內(nèi)收、外展運動在人體行走時起到平衡作用。這3個自由度對于人體腿部完成行走功能是不可或缺的。圖3.3髖關(guān)節(jié)膝關(guān)節(jié)（如圖3.4所示）是人體上最復(fù)雜的關(guān)節(jié)，由股骨、脛骨及髕骨組成。膝關(guān)節(jié)主要完成的運動為屈伸運動。在膝關(guān)節(jié)屈時，可以繞垂直軸做輕微的旋轉(zhuǎn)運動。由于它的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，所以我們在設(shè)計時，為了降低設(shè)計以及控制的復(fù)雜性，忽略膝關(guān)節(jié)屈時，繞垂直軸的輕微旋轉(zhuǎn)運動。圖3.4膝關(guān)節(jié)圖3.5踝關(guān)節(jié)踝關(guān)節(jié)（如圖3.5所示）主要由跟骨、距骨、腓骨、脛骨等幾部分組成。踝關(guān)節(jié)是足關(guān)節(jié)中對人體運動最重要的關(guān)節(jié)。其他關(guān)節(jié)對人體運動作用相對而言沒有那么重要，本文就不再過多闡述。內(nèi)、外踝關(guān)節(jié)及脛骨共同構(gòu)成了一個“冂”狀的關(guān)節(jié)窩，容納前寬后窄的關(guān)節(jié)頭。因此踝關(guān)節(jié)具有3個自由度，分別為繞冠狀軸的屈伸運動，繞矢狀軸微小的內(nèi)收外展運動，繞垂直軸微小的內(nèi)旋外旋運動。在此為了更好實現(xiàn)可穿戴輔助機械腿的協(xié)調(diào)運動，降低設(shè)計難度以及控制難度，設(shè)計可穿戴輔助機械腿時，只保留踝關(guān)節(jié)的2個自由度[17]。3.2可穿戴輔助機械腿模型的建立顯然，可穿戴輔助機械腿對仿生學(xué)要求較高，更關(guān)注擬人化設(shè)計。因此，在設(shè)計下肢仿生關(guān)節(jié)時，應(yīng)盡量考慮仿生學(xué)的要求。可穿戴輔助機械腿的整體布局、腿部設(shè)計和運動方式直接影響其靈活性，也使可穿戴輔助機械腿在復(fù)雜環(huán)境中實現(xiàn)靈活的運動和方便的使用。3.2.1可穿戴輔助機械腿的結(jié)構(gòu)特點可穿戴輔助機械腿機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，人體下肢的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了保證佩戴的舒適性和人機協(xié)作的靈活性，外骨骼在理論上應(yīng)該復(fù)制人體關(guān)節(jié)，使二者具有相同的自由度。同時，人體行走時，關(guān)節(jié)運動主要發(fā)生在矢狀面，驅(qū)動力矩大;在冠狀面，關(guān)節(jié)主要保持平衡，驅(qū)動力矩小[16]?？纱┐鬏o助機械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計與一般機械設(shè)計是類似的[2]:（1）從機構(gòu)學(xué)的角度來說，機械腿的機械結(jié)構(gòu)可以看作是一個開放的運動鏈，由一系列旋轉(zhuǎn)(或可移動)關(guān)節(jié)的連桿連接起來。（2）一般機械設(shè)計主要是強度設(shè)計，可穿戴輔助機械腿的機械設(shè)計不僅要滿足強度要求，還要考慮剛度和精度的設(shè)計。（3）可穿戴輔助機械腿的傳動系統(tǒng)是整個設(shè)計部分的重要組成。因此，可穿戴輔助機械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有機電一體化的特點。3.2.2可穿戴輔助機械腿的整體設(shè)計基于仿生結(jié)構(gòu)的形態(tài)相似原則，可穿戴輔助機械腿是依據(jù)人體腿部結(jié)構(gòu)特點，按照不同人群，滿足部分人的需求，按照六自由度機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而開始設(shè)計可穿戴輔助機械腿的整體結(jié)構(gòu)。根據(jù)受力情況與產(chǎn)生運動時關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度的變化，可穿戴輔助機械腿整體設(shè)計如圖3.2所示，主要由腰部支架、髖關(guān)節(jié)、大腿、膝關(guān)節(jié)、小腿和腳掌等部分組成。本次設(shè)計的可穿戴輔助機械腿系統(tǒng)采用伺服電機驅(qū)動，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)各個關(guān)節(jié)在一定范圍內(nèi)的角度變化[18]。圖3.6可穿戴輔助機械腿三維結(jié)構(gòu)示意圖擬人化可穿戴輔助機械腿可以最大限度地提高用戶的行動自由和靈活性。為確保安全，避免使用機械腿時出現(xiàn)運動干擾等問題，可穿戴輔助機械腿以用戶為設(shè)計參考。每個連桿的長度應(yīng)與用戶身體的相應(yīng)部分基本一致。這一決定是基于一個前提，即盡量減少對用戶行為的約束，使輔助機械腿能夠執(zhí)行類似于人類行走的功能[2]。由此，可穿戴輔助機械腿機械結(jié)構(gòu)圖如圖3.7所示：圖3.7可穿戴輔助機械腿機械結(jié)構(gòu)圖3.3可穿戴輔助機械腿的結(jié)構(gòu)分析結(jié)合生物學(xué)特性，下肢可以從三種復(fù)雜的人體三關(guān)節(jié)行走運動模型中提取:髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。根據(jù)人體的下肢的特征和關(guān)節(jié)運動方式，髖關(guān)節(jié)3個自由度，膝關(guān)節(jié)1個自由度關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)了2個自由度[16]。基于擬人化設(shè)計思想設(shè)計的可穿戴輔助機械腿，采用仿生關(guān)節(jié)式的結(jié)構(gòu)設(shè)計，空間機構(gòu)中有部分運動副能較好的模擬人體下肢關(guān)節(jié)，但是考慮到空間機構(gòu)控制的復(fù)雜性，本文選用的是六自由度開鏈機構(gòu)[20]，也就是每一個自由度都有伺服驅(qū)動電機。以下就髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)以及大、小腿關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)做簡單分析。3.3.1髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)分析由人體生物學(xué)特性可知，髖關(guān)節(jié)可作屈、伸、外展、內(nèi)縮、內(nèi)旋、外旋和環(huán)轉(zhuǎn)運動，具有3個自由度，空間機構(gòu)中萬向鉸鏈結(jié)構(gòu)完全類似于人體髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，本文中用三個平面自由度代替萬向鉸鏈機構(gòu)。髖關(guān)節(jié)的設(shè)計是整個可穿戴輔助機械腿結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵與難點，用三個平面運動副代替萬向鉸鏈機構(gòu)的功能，就會增加空間占用，考慮到這個問題，本次設(shè)計中就把髖關(guān)節(jié)水平面的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)做了一個位置調(diào)整，由于髖關(guān)節(jié)在做水平面的旋轉(zhuǎn)運動時，這個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的位置高低不會影響到這個動作的完成，因此，這個平面自由度和其他兩個自由度不在同一水平面上的。髖關(guān)節(jié)三維模型圖如圖3.8所示：圖3.8髖關(guān)節(jié)三維模型圖3.3.2膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)分析膝關(guān)節(jié)是人體結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的關(guān)節(jié)，主要作屈、伸運動，在膝關(guān)節(jié)半屈位時可作小幅度的旋轉(zhuǎn)運動。本文中膝關(guān)節(jié)只作屈、伸運動，因為相對而言，對于需要可穿戴輔助機械腿的人士來說，膝關(guān)節(jié)只做屈、伸運動就能滿足患者的日常使用。其次，可穿戴輔助機械腿在幫助患者作康復(fù)運動時，不會影響患者膝關(guān)節(jié)作小幅度的旋轉(zhuǎn)運動。膝關(guān)節(jié)三維模型圖如圖3.9所示：圖3.9膝關(guān)節(jié)三維模型圖3.3.3踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)分析踝關(guān)節(jié)主要作屈、伸運動，屈時還可作輕度的內(nèi)斂和外展運動，也可以進行足內(nèi)翻和足外翻運動。此處簡化模型結(jié)構(gòu)，踝關(guān)節(jié)只能做屈、伸運動和輕度的內(nèi)斂和外展運動。因為對人的行走來說，踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的主要運動方式是作屈、伸運動，因此，省略一些結(jié)構(gòu)也不會對機構(gòu)的功能有任何影響。同髖關(guān)節(jié)一樣，踝關(guān)節(jié)在水平面上的旋轉(zhuǎn)運動（內(nèi)斂和外展運動）也可以不用和屈、伸運動的關(guān)節(jié)在同一水平面內(nèi)，因此，踝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計同髖關(guān)節(jié)。踝關(guān)節(jié)三維模型圖如圖3.10所示：圖3.10踝關(guān)節(jié)三維模型圖3.3.4大腿、小腿結(jié)構(gòu)分析考慮到不同身高的人群差別，讓可穿戴輔助機械腿能夠有一個很好的普遍適用性，本次腿部的結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用了如下圖所示結(jié)構(gòu)，就是把大腿和小腿都分為兩部分，腿的上半部分和下半部分用專用螺栓連接，從而實現(xiàn)小腿的長度調(diào)節(jié)[27]。由于腿部在沿著腿的方向沒有過大的重力作用，當(dāng)需要調(diào)節(jié)時，專用螺栓可手動松緊實現(xiàn)腿長度調(diào)節(jié)。也在此處加有如下圖所示的護具，一方面用來給人體腿部一個約束，另一方面，該設(shè)計使用了一種新型聚合物材料和一種聚酯纖維合成防護設(shè)備，其具有拉伸、韌性、舒適的觸摸、良好的通風(fēng)等優(yōu)點。大腿三維模型圖如圖3.11所示，小腿三維模型圖如圖3.12所示：圖3.11大腿三維模型圖圖3.12小腿三維模型圖3.4本章小結(jié)這一章起初介紹了人體腿部生物原型的結(jié)構(gòu)特點，著重說明了人的腿部主要關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)。基于人體腿部結(jié)構(gòu)并采取合理的簡化，來得到可穿戴輔助機械腿的結(jié)構(gòu)模型，可穿戴輔助機械腿的關(guān)節(jié)設(shè)計是整體結(jié)構(gòu)最重要的部分，每條腿都是一個六自由度開鏈結(jié)構(gòu)[21]。按照擬人化的特性，整體結(jié)構(gòu)使用對稱分布，以人體結(jié)構(gòu)為參考，在人體中心軸線處作對稱分布。可穿戴輔助機械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計也為下一章強度校核做準(zhǔn)備，也保證了可穿戴輔助機械腿能夠有效地完成擬人的運動方式，并可以在相對復(fù)雜的環(huán)境或者不同運動模式中完成運動，為之后的設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)。4可穿戴輔助機械腿強度校核為了確定所設(shè)計的構(gòu)件是否合理，本章對構(gòu)件受力情況進行分析，通過分析得到構(gòu)件的最大應(yīng)力和位移，最后通過分析驗證了構(gòu)件的設(shè)計合理性[19]。需要指出的是，由于髖關(guān)節(jié)三個運動方向的構(gòu)件所承受轉(zhuǎn)矩較大，因此本次強度校核僅對髖關(guān)節(jié)的三個運動方向的構(gòu)件進行強度校核。此次分析主要是使用Solidworks軟件進行分析，其流程包括：模型、材料設(shè)置、添加邊界條件（包括夾具設(shè)置和載荷設(shè)置）、網(wǎng)格劃分、結(jié)果分析。4.1solidworksimulation插件的簡單介紹SolidWorksSimulation是一個與SolidWorks完全集成的設(shè)計分析系統(tǒng)。SolidWorksSimulation提供了單一屏幕解決方案來進行應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析。SolidWorksSimulation的仿真向?qū)?，包含以下顧問向?qū)В核憷檰?、性能顧問、約束和載荷顧問、連接顧問、結(jié)果顧問。主要分析功能：（1）系統(tǒng)及部件級分析以FEA為例，為了實現(xiàn)有價值的分析，設(shè)計的幾何部件會需要不同的單元類型，實體、殼、梁、桿進行離散。而且需要充分考慮裝配體間的連接關(guān)系和接觸關(guān)系。其中連接關(guān)系的處理尤其重要，涉及到螺栓連接、銷釘連接、彈簧、點焊、軸承等非常復(fù)雜的連接關(guān)系。（2）多領(lǐng)域的全面分析任何一個產(chǎn)品設(shè)計不能僅考慮靜強度，必須考慮多領(lǐng)域的問題，比如靜強度、動強度、模態(tài)、疲勞、參數(shù)優(yōu)化等。展示了在統(tǒng)一界面下產(chǎn)品的多領(lǐng)域分析。（3）面向設(shè)計者的多場耦合熱-結(jié)構(gòu)、流體-結(jié)構(gòu)、多體動力學(xué)-結(jié)構(gòu)等多場分析是目前分析中的一個重要發(fā)展方向，他可以解決非常復(fù)雜的工程問題。（4）特殊行業(yè)及領(lǐng)域的需求面對很多行業(yè)有很多特殊需求，因此需要特殊的CAE模塊。例如面對壓力容器，需要符合ASME標(biāo)準(zhǔn)的壓力容器校核工具；面對電子和消費品領(lǐng)域，需要解決跌落分析的能力。（5）高級分析需求面對日益復(fù)雜的使用環(huán)境，必須考慮復(fù)合材料、材料非線性、高級機械振動、非線性動力學(xué)等高級分析的需求[24]。4.2髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體強度校核4.2.1模型如圖4.1所示為要進行有限元分析的模型-髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體。圖4.1髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體4.2.2材料設(shè)置這里使用鋁合金7050-T73510作為髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體的材料，靜力分析主要用到材料的密度、彈性模量、泊松比、屈服極限，具體參數(shù)如表4.1所示：表4.1髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體的材料屬性與取值屬性數(shù)值質(zhì)量密度(kg/m3)2,830泊松比0.33彈性模量(N/m2)7.2e+10屈服強度(N/m2)4.35e+084.2.3夾具設(shè)置和載荷設(shè)置由于髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體受到的載荷為扭矩載荷，這里將髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體的端面4個螺紋孔進行固定幾何體約束（如圖4.2所示），內(nèi)孔的周向螺紋孔添加1110N·m的扭矩（操作方法：添加扭矩，選擇周向螺紋孔，在方向的軸、圓柱面里選擇內(nèi)圓面作為扭矩方向參考面），設(shè)置如圖4.3所示。圖4.2夾具設(shè)置圖4.3載荷設(shè)置4.2.4網(wǎng)格劃分這里使用默認的網(wǎng)格設(shè)置對髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體進行劃分，得到網(wǎng)格參數(shù)如圖4.4所示，節(jié)點總數(shù)23306，單元總數(shù)13973。圖4.4髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體網(wǎng)格劃分信息髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體網(wǎng)格如圖4.5所示。圖4.5髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體網(wǎng)格4.2.5結(jié)果分析如圖4.6，4.7所示為髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體的端面4個螺紋孔進行固定幾何體約束，內(nèi)孔的周向螺紋孔添加1110N·m的扭矩的應(yīng)力圖和位移圖。圖4.6應(yīng)力分布圖圖4.7位移分布圖從圖中可以看出最大位移位于髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體左下端位置，大小為2.596e+00mm。所受最大應(yīng)力為3.567e+08N/m2，小于材料鋁合金7050-T73510的屈服強度4.35e+08N/m2，故髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體滿足設(shè)計要求。4.3髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器連接件強度校核需要說明的是髖關(guān)節(jié)矢狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器連接件與髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器連接件結(jié)構(gòu)相同。因此只需要按髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器連接件即最大扭矩進行強度校核。4.3.1模型如圖4.8所示為要進行有限元分析的模型-髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器連接件。圖4.8髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器連接件4.3.2材料設(shè)置這里使用鋁合金1060-H12作為髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器連接件的材料，靜力分析主要用到材料的密度、彈性模量、泊松比、屈服極限，具體參數(shù)如表4.2所示：表4.2髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器連接件的材料屬性與取值屬性數(shù)值質(zhì)量密度(kg/m3)2,705泊松比0.33彈性模量(N/m2)6.9e+10屈服強度(N/m2)7.5e+074.3.3夾具設(shè)置和載荷設(shè)置由于髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器連接件受到的載荷為扭矩載荷，這里將髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器連接件的端面4個螺紋孔進行固定幾何體約束（如圖4.9所示），端面的周向沉頭孔添加1110N·m的扭矩（操作方法：添加扭矩，選擇周向沉頭孔，在方向的軸、圓柱面里選擇外圓面作為扭矩方向參考面），設(shè)置如圖4.10所示。圖4.9夾具設(shè)置圖4.10載荷設(shè)置4.3.4網(wǎng)格劃分這里使用默認的網(wǎng)格設(shè)置對髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器連接件進行劃分，得到網(wǎng)格參數(shù)如圖4.11所示，節(jié)點總數(shù)94656，單元總數(shù)62450。圖4.11髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器連接件網(wǎng)格劃分信息髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器連接件網(wǎng)格如圖4.12所示。圖4.12髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器連接件網(wǎng)格4.3.5結(jié)果分析如圖4.13,4.14所示為髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器連接件的端面4個螺紋孔進行固定幾何體約束，端面的周向沉頭孔添加1110N·m的扭矩的應(yīng)力圖和位移圖。圖4.13應(yīng)力分布圖圖4.14位移分布圖從圖中可以看出最大位移位于髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器連接件外圓面位置，大小為8.361e-03mm。所受最大應(yīng)力為3.887e+07N/m2，小于材料鋁合金1060-H12的屈服強度7.5e+07N/m2，故髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器連接件滿足設(shè)計要求。4.4髖關(guān)節(jié)冠狀面減速器殼體與矢狀面減速器殼體連接件強度校核4.4.1模型如圖4.15所示為要進行有限元分析的模型-髖關(guān)節(jié)冠狀面減速器殼體與矢狀面減速器殼體連接件。圖4.15髖關(guān)節(jié)冠狀面減速器殼體與矢狀面減速器殼體連接件4.4.2材料設(shè)置這里使用鈦合金鈦Ti-8Mn，退火作為髖關(guān)節(jié)冠狀面減速器殼體與矢狀面減速器殼體連接件的材料，靜力分析主要用到材料的密度、彈性模量、泊松比、屈服極限，具體參數(shù)如表4.3所示：表4.3髖關(guān)節(jié)冠狀面減速器殼體與矢狀面減速器殼體連接件的材料屬性與取值屬性數(shù)值質(zhì)量密度(kg/m3)4,730泊松比0.33彈性模量(N/m2)1.15e+11屈服強度(N/m2)8.1e+084.4.3夾具設(shè)置和載荷設(shè)置由于髖關(guān)節(jié)冠狀面減速器殼體與矢狀面減速器殼體連接件受到的載荷為扭矩載荷，這里將髖關(guān)節(jié)冠狀面減速器殼體與矢狀面減速器殼體連接件的端面的4個螺紋孔進行固定幾何體約束（如圖4.16所示），另一端面的4個螺紋孔添加1110N·m的扭矩（操作方法：先在要添加扭矩的4個螺紋孔中間位置添加基準(zhǔn)軸，然后添加扭矩，選擇4個螺紋孔，在方向的軸、圓柱面里選擇基準(zhǔn)軸作為扭矩方向參考面），設(shè)置如圖4.17所示。圖4.16夾具設(shè)置圖4.17載荷設(shè)置4.4.4網(wǎng)格劃分這里使用默認的網(wǎng)格設(shè)置對髖關(guān)節(jié)冠狀面減速器殼體與矢狀面減速器殼體連接件進行劃分，得到網(wǎng)格參數(shù)如圖4.18所示，節(jié)點總數(shù)18576，單元總數(shù)10633。圖4.18髖關(guān)節(jié)冠狀面減速器殼體與矢狀面減速器殼體連接件網(wǎng)格劃分信息髖關(guān)節(jié)冠狀面減速器殼體與矢狀面減速器殼體連接件網(wǎng)格如圖4.19所示。圖4.19髖關(guān)節(jié)冠狀面減速器殼體與矢狀面減速器殼體連接件網(wǎng)格4.4.5結(jié)果分析如圖4.20,4.21所示為髖關(guān)節(jié)冠狀面減速器殼體與矢狀面減速器殼體連接件的端面4個螺紋孔進行固定幾何體約束，另一端面的4個螺紋孔添加1110N·m的扭矩的應(yīng)力圖和位移圖。圖4.20應(yīng)力分布圖圖4.21位移分布圖從圖中可以看出最大位移位于髖關(guān)節(jié)冠狀面減速器殼體與矢狀面減速器殼體連接件上方位置，大小為9.338e-01mm。所受最大應(yīng)力為7.940e+08N/m2，小于材料鈦合金鈦Ti-8Mn的屈服強度8.1e+08N/m2，故髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器連接件滿足設(shè)計要求。4.5髖關(guān)節(jié)矢狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體強度校核4.5.1模型如圖4.22所示為要進行有限元分析的模型-髖關(guān)節(jié)矢狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體。圖4.22髖關(guān)節(jié)矢狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體4.5.2材料設(shè)置這里使用鋁合金6061合金作為髖關(guān)節(jié)矢狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體的材料，靜力分析主要用到材料的密度、彈性模量、泊松比、屈服極限，具體參數(shù)如表4.4所示：表4.4髖關(guān)節(jié)矢狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體的材料屬性與取值屬性數(shù)值質(zhì)量密度(kg/m3)2,700泊松比0.33彈性模量(N/m2)6.9e+10屈服強度(N/m2)5.51485e+074.5.3夾具設(shè)置和載荷設(shè)置由于髖關(guān)節(jié)矢狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體受到的載荷為扭矩載荷，這里將髖關(guān)節(jié)矢狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體的端面的4個螺紋孔進行固定幾何體約束（如圖4.23所示），內(nèi)孔的周向螺紋孔添加1069.6N·m的扭矩（操作方法：添加扭矩，選擇周向螺紋孔，在方向的軸、圓柱面里選擇內(nèi)圓面作為扭矩方向參考面），設(shè)置如圖4.24所示。圖4.23夾具設(shè)置圖4.24載荷設(shè)置4.5.4網(wǎng)格劃分這里使用默認的網(wǎng)格設(shè)置對髖關(guān)節(jié)矢狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體進行劃分，得到網(wǎng)格參數(shù)如圖4.25所示，節(jié)點總數(shù)18576，單元總數(shù)10633。圖4.25髖關(guān)節(jié)矢狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體網(wǎng)格劃分信息髖關(guān)節(jié)矢狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體網(wǎng)格如圖4.26所示。圖4.26髖關(guān)節(jié)矢狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體網(wǎng)格4.5.5結(jié)果分析如圖4.27,4.28所示為髖關(guān)節(jié)矢狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體的端面4個螺紋孔進行固定幾何體約束，內(nèi)孔的周向螺紋孔添加1069.6N·m的扭矩的應(yīng)力圖和位移圖。圖4.27應(yīng)力分布圖圖4.28位移分布圖從圖中可以看出最大位移位于髖關(guān)節(jié)矢狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體上方位置，大小為8.517e-02mm。所受最大應(yīng)力為4.690e+07N/m2，小于材料鋁合金6061合金的屈服強度5.51485e+07N/m2，故髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器連接件滿足設(shè)計要求。4.6髖關(guān)節(jié)矢狀面減速器殼體與髖關(guān)節(jié)水平面減速器殼體連接件強度校核4.6.1模型如圖4.29所示為要進行有限元分析的模型-髖關(guān)節(jié)矢狀面減速器殼體與髖關(guān)節(jié)水平面減速器殼體連接件。圖4.29髖關(guān)節(jié)矢狀面減速器殼體與髖關(guān)節(jié)水平面減速器殼體連接件4.6.2材料設(shè)置這里使用鈦合金Ti-8Al-1Mo-1V退火薄鈑(SS)作為髖關(guān)節(jié)矢狀面減速器殼體與髖關(guān)節(jié)水平面減速器殼體連接件的材料，靜力分析主要用到材料的密度、彈性模量、泊松比、屈服極限，具體參數(shù)如表4.5所示：表4.5髖關(guān)節(jié)矢狀面減速器殼體與髖關(guān)節(jié)水平面減速器殼體連接件的材料屬性與取值屬性數(shù)值質(zhì)量密度(kg/m3)4,370泊松比0.32彈性模量(N/m2)1.2e+11屈服強度(N/m2)9.30792e+084.6.3夾具設(shè)置和載荷設(shè)置由于髖關(guān)節(jié)矢狀面減速器殼體與髖關(guān)節(jié)水平面減速器殼體連接件受到的載荷為扭矩載荷，這里將髖關(guān)節(jié)矢狀面減速器殼體與髖關(guān)節(jié)水平面減速器殼體連接件的端面的4個螺紋孔進行固定幾何體約束（如圖4.30所示），另一端面的4個螺紋孔添加1069.6N·m的扭矩（操作方法：先在要添加扭矩的4個螺紋孔中間位置添加基準(zhǔn)軸，然后添加扭矩，選擇4個螺紋孔，在方向的軸、圓柱面里選擇基準(zhǔn)軸作為扭矩方向參考面），設(shè)置如圖4.31所示。圖4.30夾具設(shè)置圖4.31載荷設(shè)置4.6.4網(wǎng)格劃分這里使用默認的網(wǎng)格設(shè)置對髖關(guān)節(jié)矢狀面減速器殼體與髖關(guān)節(jié)水平面減速器殼體連接件進行劃分，得到網(wǎng)格參數(shù)如圖4.32所示，節(jié)點總數(shù)18293，單元總數(shù)10631。圖4.32髖關(guān)節(jié)矢狀面減速器殼體與髖關(guān)節(jié)水平面減速器殼體連接件網(wǎng)格劃分信息髖關(guān)節(jié)矢狀面減速器殼體與髖關(guān)節(jié)水平面減速器殼體連接件網(wǎng)格如圖4.33所示。圖4.33髖關(guān)節(jié)矢狀面減速器殼體與髖關(guān)節(jié)水平面減速器殼體連接件網(wǎng)格4.6.5結(jié)果分析如圖4.34,4.35所示為髖關(guān)節(jié)矢狀面減速器殼體與髖關(guān)節(jié)水平面減速器殼體連接件的端面4個螺紋孔進行固定幾何體約束，另一端面的4個螺紋孔添加1069.6N·m的扭矩的應(yīng)力圖和位移圖。圖4.34應(yīng)力分布圖圖4.35位移分布圖從圖中可以看出最大位移位于髖關(guān)節(jié)矢狀面減速器殼體與髖關(guān)節(jié)水平面減速器殼體連接件前方位置，大小為1.288e+00mm。所受最大應(yīng)力為7.492e+08N/m2，小于材料鈦合金Ti-8Al-1Mo-1V退火薄鈑(SS)的屈服強度9.30792e+08N/m2，故髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器連接件滿足設(shè)計要求。4.7髖關(guān)節(jié)水平面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體強度校核4.7.1模型如圖4.36所示為要進行有限元分析的模型-髖關(guān)節(jié)水平面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體。圖4.36髖關(guān)節(jié)水平面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體4.7.2材料設(shè)置這里使用鋁合金6061合金作為髖關(guān)節(jié)水平面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體的材料，靜力分析主要用到材料的密度、彈性模量、泊松比、屈服極限，具體參數(shù)如表4.6所示：表4.6髖關(guān)節(jié)水平面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體的材料屬性與取值屬性數(shù)值質(zhì)量密度(kg/m3)2,700泊松比0.33彈性模量(N/m2)6.9e+10屈服強度(N/m2)5.51485e+074.7.3夾具設(shè)置和載荷設(shè)置由于髖關(guān)節(jié)水平面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體受到的載荷為扭矩載荷，這里將髖關(guān)節(jié)水平面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體的端面的4個螺紋孔進行固定幾何體約束（如圖4.37所示），內(nèi)孔的周向螺紋孔添加291N·m的扭矩（操作方法：添加扭矩，選擇周向螺紋孔，在方向的軸、圓柱面里選擇內(nèi)圓面作為扭矩方向參考面），設(shè)置如圖4.38所示。圖4.37夾具設(shè)置圖4.38載荷設(shè)置4.7.4網(wǎng)格劃分這里使用默認的網(wǎng)格設(shè)置對髖關(guān)節(jié)水平面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體進行劃分，得到網(wǎng)格參數(shù)如圖4.39所示，節(jié)點總數(shù)34410，單元總數(shù)21673。圖4.39髖關(guān)節(jié)水平面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體網(wǎng)格劃分信息髖關(guān)節(jié)水平面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體網(wǎng)格如圖4.40所示。圖4.40髖關(guān)節(jié)水平面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體網(wǎng)格4.7.5結(jié)果分析如圖4.41,4.42所示為髖關(guān)節(jié)水平面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體的端面4個螺紋孔進行固定幾何體約束，內(nèi)孔的周向螺紋孔添加291N·m的扭矩的應(yīng)力圖和位移圖。圖4.41應(yīng)力分布圖圖4.42位移分布圖從圖中可以看出最大位移位于髖關(guān)節(jié)水平面旋轉(zhuǎn)運動減速器殼體下方位置，大小為2.390e-02mm。所受最大應(yīng)力為3.237e+07N/m2，小于材料鋁合金6061合金的屈服強度5.51485e+07N/m2，故髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動減速器連接件滿足設(shè)計要求。4.8本章小結(jié)基于人體腿部生物原型，以及其結(jié)構(gòu)特點和運動特點設(shè)計得到可穿戴輔助機械腿結(jié)構(gòu)，采用UG三維建模軟件來設(shè)計可穿戴輔助機械腿的結(jié)構(gòu)特征和外形尺寸，本章利用solidwork三維建模仿真軟件的solidworksimulation模塊對可穿戴輔助機械腿做強度校核，即有限元分析的靜應(yīng)力分析，對可穿戴輔助機械腿關(guān)節(jié)零件結(jié)構(gòu)做強度校核，以保證可穿戴輔助機械腿的安全性與可靠性。根據(jù)對可穿戴輔助機械腿的各個關(guān)鍵零件做出的有限元分析結(jié)果可以得到，本次設(shè)計中，各零件結(jié)構(gòu)滿足本次設(shè)計的功能要求，結(jié)構(gòu)模型設(shè)計較為合理。5結(jié)論與展望5.1作者的工作在本次設(shè)計中，主要的研究工作都是集中在可穿戴輔助機械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度校核這兩方面上，在這中間也穿插著一些對于可穿戴輔助機械腿的仿生和傳動計算分析。首先闡述了可穿戴輔助機械腿的國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及研究成果，搜集國內(nèi)外可穿戴輔助機械腿的相關(guān)資料，通過分析并理解，以及結(jié)合學(xué)期內(nèi)所做的六自由度機器人設(shè)計，總結(jié)出可穿戴輔助機械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和思路。主要針對六自由度機器人傳動方案的設(shè)計計算，以及機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和一些關(guān)節(jié)零件的強度校核，來模仿設(shè)計出具有擬人特性的可穿戴輔助機械腿。在傳動方案設(shè)計方面，可穿戴輔助機械腿采用伺服電機驅(qū)動。通過對關(guān)節(jié)所受力矩的估計計算，得可穿戴輔助機械腿六個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)所受力距，進而根據(jù)減速器選型表來得到初步減減速器型號，再通過減速器數(shù)據(jù)，以及結(jié)合減速器和電機的適配關(guān)系，通過計算得到可穿戴輔助機械腿的驅(qū)動電機型號。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，可穿戴輔助機械腿是基于人體腿部生物結(jié)構(gòu)原型進行設(shè)計的，可穿戴輔助機械腿的運動方式是由整體的機械結(jié)構(gòu)、自由度數(shù)和驅(qū)動方式等直接影響。三維模型設(shè)計的質(zhì)量好壞會影響到可穿戴輔助機械腿的整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，進而就會影響到可穿戴輔助機械腿的運動特征、工作狀態(tài)以及制造成本。基于人體腿部生物結(jié)構(gòu)原型，發(fā)現(xiàn)可穿戴輔助機械腿的自由度分配是機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的重中之重，本文中所涉及的可穿戴輔助機械腿髖關(guān)節(jié)有三個自由度，由三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)組成，即髖關(guān)節(jié)矢狀面旋轉(zhuǎn)運動關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運動關(guān)節(jié)以及髖關(guān)節(jié)水平面旋轉(zhuǎn)運動關(guān)節(jié)，通過對人體腿部結(jié)構(gòu)特點的分析，并且在可穿戴輔助機械腿設(shè)計的過程中經(jīng)過合理的簡化，可穿戴輔助機械腿膝關(guān)節(jié)一個自由度，踝關(guān)節(jié)兩個自由度，在此自由度分配結(jié)果的基礎(chǔ)上，得到了可穿戴輔助機械腿的實體結(jié)構(gòu)。根據(jù)其運動時的理論效果，可以想辦法來優(yōu)化可穿戴輔助機械腿的部件結(jié)構(gòu)，此時，可以利用到UG三維制圖軟件來建立可穿戴輔助機械腿的整體機械結(jié)構(gòu)模型。在最后的強度校核階段，使用SolidworksSimulation模塊完成三維模型中關(guān)鍵零件模型的靜應(yīng)力分析工作，實現(xiàn)強度校核。隨之，就可以得到靜應(yīng)力分析數(shù)據(jù)，如零件靜應(yīng)力分析的應(yīng)力圖、位移圖等各類數(shù)據(jù)。從對個關(guān)鍵零件的強度校核數(shù)據(jù)中得出，可穿戴輔助機械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計是比較合理的，也是符合設(shè)計要求?？偨Y(jié)而言，主要工作如下：（1）通過網(wǎng)絡(luò)，書籍以及文獻等資料，對可穿戴輔助機械腿進行了一定的了解，也得到了設(shè)計的基本思路，并根據(jù)具體要求進行一定程度的思考和設(shè)計。（2）確定可穿戴輔助機械腿的傳動方案，包括：可穿戴輔助機械腿關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩的計算、關(guān)節(jié)傳動減速器的選型、關(guān)節(jié)傳動電機的選型。（3）確定可穿戴輔助機械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括：機構(gòu)的自由度分配、可穿戴輔助機械腿的本體設(shè)計。（4）對可穿戴輔助機械腿的關(guān)鍵部件進行強度校核，根據(jù)強度校核所得出的數(shù)據(jù)可以看出，本次可穿戴輔助機械腿結(jié)構(gòu)設(shè)計能滿足設(shè)計要求。5.2展望我國在可穿戴輔助機械腿領(lǐng)域已經(jīng)取得了很大的突破和成果，現(xiàn)有的康復(fù)醫(yī)療機器人技術(shù)也在不斷地完善，但是我國的康復(fù)醫(yī)療機器人的研究和發(fā)展還有很長的路要走，為了更好地滿足人們對可穿戴輔助機械腿的需求，未來發(fā)展的方向應(yīng)該有以下幾方面的突破。（1）高強度高彈性輕質(zhì)材料。就像本次設(shè)