下肢輔助外骨骼機(jī)器人研究

2024年3月29日發(fā)(作者：上海公積金電話)

2021.09科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新

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下肢輔助外骨骼機(jī)器人研究

崔潤(rùn)揚(yáng)楊熹辛光紅曹文

(三亞學(xué)院袁海南三亞572000冤

摘要:本項(xiàng)目研究的下肢輔助外骨骼機(jī)器人通過(guò)簡(jiǎn)化人體下肢運(yùn)動(dòng)力學(xué)模型袁應(yīng)用D-H發(fā)用矩陣表示機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)從

而推導(dǎo)出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方程袁研究了下肢外骨骼的運(yùn)動(dòng)控制方法遙在研究了XOS-外骨骼機(jī)器人和LOPES-懸掛式康復(fù)機(jī)器人的

設(shè)計(jì)原理基礎(chǔ)上袁設(shè)計(jì)了新型下肢輔助外骨骼機(jī)器人袁其利用電動(dòng)推桿設(shè)計(jì)的連桿結(jié)構(gòu)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堯低成本易量產(chǎn)的特點(diǎn)遙主

控應(yīng)用了Adunio開(kāi)源平臺(tái)袁方便后期擴(kuò)展遙設(shè)計(jì)的行走堯蹲起堯攀爬三種模式袁通過(guò)測(cè)試基本具備輔助行走和康復(fù)訓(xùn)練的功能遙

關(guān)鍵詞:下肢輔助曰外骨骼曰Arduino曰步態(tài)控制

Abstract:Lowerextremityassistedexoskeletonrobotstudiedinthisprojectsimplifiesthehumanlowerextremitymotion

mechanicalmodel,andderivesthemotionequationoftherobotbyusingD-Hdevelopmentmatrixtoreprenttherobotmotion

parameters,ntherearchofthedesignprinciples

ofXOS-exoskeletonrobotandLOPES-suspendedrehabilitationrobot,anewtypeoflowerlimbauxiliaryexoskeletonrobotis

nectingrodstructuredesignedbyelectricpushrodhasthecharacteristicsofsimplestructure,lowcostandeasy

ncontrolapplicationofAdunioopensourceplatform,ignedthree

modesofwalking,squattingandclimbingbasicallyhavethefunctionsofassistingwalkingandrehabilitationtrainingthrough

testing.

Keywords:LowerLimbAssist;Exoskeleton;Arduino;GaitControl

中圖分類號(hào)院TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼院A文章編號(hào)院2096-4390淵2021冤09-0187-03

1概述

近年來(lái)袁關(guān)于仿人型機(jī)器人的科學(xué)研究已經(jīng)成為機(jī)器人研

究領(lǐng)域的熱門方向袁其研發(fā)水平已取得很大的進(jìn)步袁研制了各式

各樣堯不同用途的仿人型機(jī)器人袁并已將其運(yùn)用到實(shí)際生活中遙

動(dòng)力外骨骼機(jī)器人是一種可以穿戴的機(jī)器人袁它通過(guò)模仿人體

的下肢結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)袁它不僅能幫助因先天或者疾病造成的肌

肉損傷殘疾人恢復(fù)行走能力袁還有可以改善心臟健康狀況堯鍛煉

肌肉強(qiáng)度遙本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的新型動(dòng)力外骨骼機(jī)器人袁是在研究一

種單兵野XOS要外骨骼機(jī)器人冶和一種醫(yī)用野LOPES-懸掛式康復(fù)

機(jī)器人冶的基礎(chǔ)提出的全新有機(jī)融合袁彌補(bǔ)了兩種外骨骼機(jī)器人

的不足遙其結(jié)構(gòu)主要由外骨骼機(jī)械主體堯控制系統(tǒng)堯傳感器系統(tǒng)堯

電源系統(tǒng)堯動(dòng)力系統(tǒng)組成遙下肢輔助外骨骼機(jī)器人可以幫助患

者進(jìn)行步行醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練袁為不能自主行走的患者或老人提供

圖2小腿力學(xué)簡(jiǎn)化模型

輔助運(yùn)動(dòng)和康復(fù)訓(xùn)練

[1]

遙

2下肢輔助外骨骼運(yùn)動(dòng)受力分析

外骨骼機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)是解決機(jī)器人的力與力矩與運(yùn)動(dòng)關(guān)

系的方法遙根據(jù)人體解剖學(xué)袁人體可分為三個(gè)互相垂直的基本

面袁如圖1所示袁額狀面堯水平面以及矢狀面對(duì)應(yīng)有三個(gè)互相垂

直的基本軸院矢狀軸堯垂直軸與額狀軸遙人體的各種運(yùn)動(dòng)都可以

視為肢體繞三個(gè)基本軸的運(yùn)動(dòng)遙而因?yàn)閯?dòng)力外骨骼主要針對(duì)腰

部及下肢進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析

[2]

袁如圖1遙

下肢受力分析主要包括小腿受力分析堯大腿受力分析與運(yùn)

動(dòng)步態(tài)受力分析遙進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)袁將下肢外骨骼模型進(jìn)行了簡(jiǎn)

化遙小腿受力模型簡(jiǎn)化為圖2袁其中小腿堯小腿連桿的質(zhì)量分別

為m

1

,m

2

,m

3

遙首先求解出整體質(zhì)心所在的位置袁由于腳部的質(zhì)

量相對(duì)于整體質(zhì)量較小袁對(duì)分析影響不大袁可在分析過(guò)程中忽

圖1人體的基本面與基本軸

基金:2019年海南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目,項(xiàng)目號(hào):S2遙

作者簡(jiǎn)介:崔潤(rùn)揚(yáng)(1998-),男,籍貫院河北保定,學(xué)士,研究方向:機(jī)械設(shè)計(jì)遙

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科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新

略質(zhì)心處于桿件之外的部分遙經(jīng)推導(dǎo)其慣量和角度之間的關(guān)系數(shù)從而推導(dǎo)出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方程遙外骨骼擺動(dòng)腿D-H坐標(biāo)系示

為院意圖4遙T

1

堯T

2

和T

3

分別是外骨骼機(jī)械腿髖關(guān)節(jié)堯膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)

節(jié)的轉(zhuǎn)矩曰m

1

,m

2

和m

3

分別是大腿連桿堯小腿連桿和踝關(guān)節(jié)以

下連桿的質(zhì)量曰d

1

堯d

2

堯和d

3

分別表示各連桿質(zhì)心距離對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)

的距離遙由于踝關(guān)節(jié)以下連桿和足底不轉(zhuǎn)動(dòng)袁就相當(dāng)于固定在

小腿末端的質(zhì)量塊遙這樣處理之后袁外骨骼機(jī)械腿就相當(dāng)于一

個(gè)兩連桿機(jī)構(gòu)袁其系統(tǒng)動(dòng)能與運(yùn)動(dòng)所需力矩表達(dá)如下院

大腿受力模型簡(jiǎn)化為圖3袁大腿外部構(gòu)建的重量為m

2

,大腿

對(duì)大腿連桿院

的質(zhì)量為m

1

,大腿重心距離髖關(guān)節(jié)的距離為l

2c

袁大腿的重心距離

髖關(guān)節(jié)距離為l

1c

遙

對(duì)小腿連桿院

圖3大腿受力簡(jiǎn)化模型

K

1

K

2

堯P

1

P

2

分別表示系統(tǒng)動(dòng)能堯勢(shì)能袁T

1

院髖關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)

所需力矩袁T

2

:膝關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)所需力矩

[2]

遙

3機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述力學(xué)分析袁外骨骼機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以看作是

由一系列連桿通過(guò)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)淵或移動(dòng)關(guān)節(jié)冤連接起來(lái)的開(kāi)式運(yùn)

動(dòng)鏈袁一般機(jī)械設(shè)計(jì)主要是強(qiáng)度設(shè)計(jì)袁外骨骼機(jī)械設(shè)計(jì)既要滿

足強(qiáng)度要求袁還要考慮剛度和精度設(shè)計(jì)袁與一般機(jī)械相比袁機(jī)器

人的機(jī)械設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)的緊湊性堯靈巧性等方面有更高的要求

[3]

遙

本項(xiàng)目的機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示院

圖4D-H坐標(biāo)模型

經(jīng)推導(dǎo)可得院

D-H法是利用基本齊次變換矩陣表示兩個(gè)相鄰桿件位置

關(guān)系的一種常用的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法袁用矩陣表示機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參

淵1冤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

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圖6驅(qū)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)圖

制遙蹲起模式可以幫助實(shí)現(xiàn)人體本身的一個(gè)下肢運(yùn)動(dòng)袁控制人

的下肢做蹲下起立的動(dòng)作袁當(dāng)模式切換到蹲起模式的時(shí)候袁電

機(jī)會(huì)驅(qū)動(dòng)人體下肢進(jìn)行蹲起袁使人體的腿部神經(jīng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)遙當(dāng)

模式切換到攀爬模式時(shí)袁機(jī)器人可推動(dòng)腿部進(jìn)行向上抬起袁穿

戴者可以正常上下樓梯袁對(duì)于一些登山運(yùn)動(dòng)員也可以達(dá)到助力

的效果遙目前設(shè)定了以上三種模式袁后期根據(jù)不同需要的病人袁

可以根據(jù)所需設(shè)定的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)遙使下肢輔助外骨骼機(jī)器人

最大程度上達(dá)到服務(wù)于人的目的

[4]

遙

6創(chuàng)新與總結(jié)

下肢輔助外骨骼機(jī)器人的機(jī)械外形設(shè)計(jì)袁采用了韌度好堯重

量輕的鉻合金袁相較于美國(guó)的野XOS要外骨骼機(jī)器人冶有更靈活

輕便的機(jī)械本體袁電動(dòng)推桿帶動(dòng)機(jī)械桿件運(yùn)動(dòng)袁不會(huì)有以液動(dòng)

氣動(dòng)為動(dòng)力源的外骨骼機(jī)器人所產(chǎn)生巨大噪音遙相較于

野LOPES-懸掛式康復(fù)機(jī)器系統(tǒng)冶袁下肢輔助外骨骼機(jī)器人采用

500N和200N推力的電動(dòng)推桿作用在機(jī)械桿件上袁在不用復(fù)雜

且笨重的氣動(dòng)堯液動(dòng)動(dòng)力裝置的同時(shí),提供主動(dòng)力輔助穿戴者獨(dú)

立行走袁還可依靠外骨骼機(jī)器人負(fù)重行走遙推桿式的電機(jī)設(shè)計(jì)

相比于行星減速機(jī)的扭矩力電機(jī)本設(shè)備成本低袁實(shí)用性強(qiáng)袁更

加符合大眾的消費(fèi)水平袁有利于該設(shè)備的推廣遙

參考文獻(xiàn)

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(2)測(cè)試實(shí)物圖

標(biāo)記說(shuō)明院1大腿支桿2小腿支桿3腳板4髖關(guān)節(jié)5膝關(guān)節(jié)6踝關(guān)節(jié)7

拉伸彈簧8固定環(huán)9長(zhǎng)度調(diào)節(jié)槽10踝關(guān)節(jié)鎖死孔11第一電動(dòng)推桿12曲

桿13第二電動(dòng)推桿14髖支架15連接板16裝載板17夾層18腰圍板19

肩帶支架20肩帶21腰帶22襠部兜帶遙

圖5

4驅(qū)動(dòng)與控制設(shè)計(jì)

本外骨骼機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用的是直流推桿電機(jī)袁考慮

到髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)角速度與負(fù)載的不同袁髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的

電機(jī)推力為院500N速度為院40MM/S行程院100MM曰膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)

的電機(jī)推力為院200N速度為院80MM/S行程院100MM遙質(zhì)量推桿

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊模塊支持電壓范圍7-24V袁具有欠壓保護(hù)功能遙雙

路電機(jī)接口袁每路額定輸出電流7A曰瞬間峰值電流可達(dá)50A遙

每路都支持三線控制調(diào)速堯正反轉(zhuǎn)及剎車遙控制信號(hào)使用灌電

流驅(qū)動(dòng)方式袁支持絕大多數(shù)單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)并使用光耦對(duì)全部

控制信號(hào)進(jìn)行隔離袁避免電機(jī)動(dòng)作時(shí)的回流電流對(duì)控制信號(hào)造

成干擾遙模塊具有靜電泄放回路袁避免了因靜電造成危險(xiǎn)遙本項(xiàng)

目控制器選用Arduino開(kāi)源平臺(tái)袁Arduino可以接收來(lái)自各種傳

感器的輸入信號(hào)從而檢測(cè)出運(yùn)行環(huán)境袁并通過(guò)控制光源袁電機(jī)

以及其他驅(qū)動(dòng)器來(lái)影響其周圍環(huán)境遙項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)和控制結(jié)構(gòu)圖如

6所示遙控制邏輯如表1遙其中0為低電平堯1為高平堯×為任意

電平袁懸空時(shí)為低電平遙

表1推桿控制邏輯

控制反饋采三軸加速度傳感器MMA7361芯片袁在姿態(tài)控

制之外還可用于外骨骼跌倒檢測(cè)堯傾斜度測(cè)量等場(chǎng)合袁在本機(jī)

械外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)中起到檢測(cè)平衡的作用遙

5應(yīng)用模式

本設(shè)計(jì)可進(jìn)行三種模式轉(zhuǎn)換袁通過(guò)手動(dòng)控制端進(jìn)行行走模

式堯蹲起模式和攀爬模式三者之間的不同模式切換遙

行走模式是可以幫助穿戴者步行助力袁可以達(dá)到腿部神經(jīng)

肌肉的訓(xùn)練袁機(jī)器人可以通過(guò)傳感器系統(tǒng)進(jìn)行人體步態(tài)的控