可穿戴輔助機(jī)械腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

可穿戴輔助機(jī)械腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)器人技術(shù)，20世紀(jì)60年代首次問世，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，取得了巨大的進(jìn)展。這是一門體現(xiàn)了機(jī)械工程，電子工程，計(jì)算機(jī)技術(shù)，人工智能和其他成果領(lǐng)域相結(jié)合的機(jī)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(jī)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(jī)器人在復(fù)雜危險(xiǎn)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(jī)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(huì)老齡化加劇，很多老人面臨行動(dòng)不便的困擾；更是有一些體育愛好者在傷病造成行動(dòng)不便，那么對(duì)于這些由于行動(dòng)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(gè)很關(guān)鍵的部分。為了解決這一難題，康復(fù)機(jī)器人逐漸走入人們的視野，受到越來越多的人研究。可穿戴輔助機(jī)械腿是康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，它是一種可以幫助行動(dòng)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(dòng)不便人群居家自理生活的新方向。這樣可以大大減少行動(dòng)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(huì)越來越進(jìn)步，越來越多地要求科學(xué)技術(shù)使人民受益，這增加了對(duì)殘疾人康復(fù)機(jī)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(jìn)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(duì)單獨(dú)的護(hù)理人員進(jìn)行身體接觸的培訓(xùn)，在護(hù)理人員的長期單調(diào)運(yùn)動(dòng)的患者的護(hù)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(jìn)行治療。但是傳統(tǒng)的手動(dòng)療法要求治療師具有很高的技能和工作強(qiáng)度，并且無效，昂貴且不適用于家庭?？紤]到機(jī)器人作為適應(yīng)長壽命和高重復(fù)性的機(jī)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(yùn)動(dòng)障礙，以執(zhí)行自己無法執(zhí)行的運(yùn)動(dòng)。外骨骼機(jī)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(jī)械工程，生產(chǎn)和運(yùn)輸，危險(xiǎn)工作等方面的應(yīng)用；在民用領(lǐng)域中，它可以用于需要運(yùn)輸重物和設(shè)備，但不能使用車輛的情況。本課題針對(duì)穿戴式機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)布局特點(diǎn)，給出穿戴式機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其關(guān)鍵部位進(jìn)行強(qiáng)度校核，保證機(jī)械腿系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性。課題意義：隨著社會(huì)老齡化的惡化和殘疾人群體的擴(kuò)大，許多患者患有身體和運(yùn)動(dòng)障礙，除了藥物治療援助外，進(jìn)一步康復(fù)也必不可少。對(duì)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?？梢阅７律飳W(xué)外骨骼的外骨骼機(jī)器人是一種新型的機(jī)電設(shè)備。它是一種結(jié)合了人類智能和機(jī)械能的人機(jī)集成便攜式設(shè)備，并且集成了多種機(jī)器人技術(shù)，例如檢測(cè)，控制，信息融合和移動(dòng)計(jì)算。除了諸如保護(hù)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。可穿戴輔助機(jī)械腿機(jī)器人將特別重要。1.3可穿戴輔助機(jī)械腿的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀外骨骼機(jī)器人是將人的智力和機(jī)械能力相結(jié)合的機(jī)器人設(shè)施，可穿戴輔助機(jī)械腿的機(jī)器人是一種外骨骼機(jī)器人，其主要功能是通過被動(dòng)行走或手動(dòng)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(jī)器腿通過人機(jī)交互控制步態(tài)平衡，可以幫助人類行走并增強(qiáng)人們的體力[2]。外骨骼機(jī)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(jìn)行研究[15]。由于當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)有限，外骨骼機(jī)器人研究成果并不理想。到了21世紀(jì)，由于計(jì)算機(jī)、新材料、新能源和傳感等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，外骨骼機(jī)器人的研究重新開始，并慢慢進(jìn)入廣泛研究時(shí)期[3]。外骨骼機(jī)器人最初的研究是在歐美、日本等發(fā)達(dá)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(gè)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(jī)器人與醫(yī)療領(lǐng)域結(jié)合起來，研究和設(shè)計(jì)出一種能夠支援步行功能障礙患者進(jìn)行康復(fù)，即下肢外骨骼機(jī)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(jī)器人ExoHiker（見圖1.1）和ExoClimber（見圖1.2）。ExoHiker是根據(jù)大負(fù)載、工作時(shí)間長的工作原則設(shè)計(jì)的，腳踝沒有使用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，兩條腿和腰部根據(jù)仿生學(xué)設(shè)計(jì)，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(fù)載為68kg。ExoClimber除了大負(fù)載和工作時(shí)間長的特征以外，還能迅速的上下臺(tái)階和斜坡，自身重量為22kg，最大負(fù)載為68kg。兩者都佩帶1磅的電池，沒有負(fù)載的時(shí)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(shí)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(jī)器人，于2008年上市，2013年獲得全球安全認(rèn)證和批量生產(chǎn)。HAL自身重量為23kg，下肢動(dòng)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(diǎn)是生物識(shí)別控制系統(tǒng)和自控系統(tǒng)。生物識(shí)別控制系統(tǒng)模式是根據(jù)人體動(dòng)態(tài)生成的生物前衛(wèi)信號(hào)和傳感器計(jì)算下關(guān)節(jié)力矩的關(guān)鍵，并根據(jù)使用者的移動(dòng)意圖判斷外骨骼的移動(dòng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)模式使用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)動(dòng)作模式完成記憶輔助動(dòng)作并記憶這些動(dòng)作[4]。新西蘭RexBionics公司研發(fā)的可穿戴下肢外骨骼機(jī)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(jì)的。該裝置質(zhì)量為39kg，由10個(gè)電機(jī)為外骨骼髖、膝、踝關(guān)節(jié)提供傳動(dòng)能力。為保證長時(shí)間使用，運(yùn)用充電和可替換電池這2種方式供電，使用時(shí)長可達(dá)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(dòng)[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(jī)械腿ReWalk（見圖1.5）得到了歐盟的CE認(rèn)證，2014年中旬通過美國FDA（FoodandDrugAdministration）認(rèn)證，成為第一批用于醫(yī)療的外骨骼機(jī)器人。ReWalk主要針對(duì)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(dú)立發(fā)動(dòng)機(jī)控制的，腳踝關(guān)節(jié)被彈簧輔助手動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制。下身外骨骼通過繩索與穿戴者相連，工作時(shí)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(shí)判斷外骨骼機(jī)器人的行走和速度。改善與人體的運(yùn)動(dòng)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(tuán)在國際消費(fèi)電子展會(huì)上展示了可穿戴輔助機(jī)械腿—HUMA（見圖1.6）。HUMA本來是以H系列穿戴機(jī)器人為基礎(chǔ)的升級(jí)版本，最少支持40kg的重量和最大12km/h的移動(dòng)速度?？纱┐鳈C(jī)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(dòng)者運(yùn)輸重量。韓國現(xiàn)代汽車集團(tuán)目前正在努力開發(fā)與“鋼鐵俠”相似外觀的可穿戴機(jī)器人，由此可以提高使用者幾百公斤的承重能力。機(jī)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(jī)械腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(huì)的問題加劇，對(duì)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(jī)器人研究起步較晚，大多處于研究階段，與實(shí)際應(yīng)用階段還相差很遠(yuǎn)[3]。進(jìn)入21世紀(jì)以來，中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所開始了可穿戴外骨骼機(jī)械腿設(shè)備的研究工作，并取得了初步成果。外骨骼機(jī)械腿結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)與人體相似。兩腿共有10個(gè)自由度，即髖關(guān)節(jié)每側(cè)3個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)每側(cè)1個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)每側(cè)1個(gè)自由度[7]。整個(gè)設(shè)備也是電池供電的。通過在外骨骼機(jī)械腿上建立一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，以獲得人體的運(yùn)動(dòng)意圖，使用提供自由度的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)腿關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。它最初有一個(gè)簡單的人體關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)[6]。2015年第9屆全國殘疾人奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)開幕式上公開的ADER外骨骼由電子科技大學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，分別由磁盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)。青年穿著它，在拐杖的幫助下獨(dú)立走了幾米[7-8]。上海大學(xué)的機(jī)械機(jī)械機(jī)械工學(xué)和自動(dòng)化學(xué)校設(shè)計(jì)了4個(gè)可自由使用的外骨骼機(jī)械腿套，機(jī)械腿的各方面有2個(gè)自由度，即各骨髓關(guān)節(jié)和膝蓋各有1個(gè)開口，即彎曲和擴(kuò)展自由度，這4自由度采用由電氣缸驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)模式[9]。北京理工大學(xué)深入研究了外骨骼機(jī)器人的負(fù)重支撐機(jī)制、步行感知技術(shù)及后續(xù)控制方法，并提出了對(duì)外骨骼人類機(jī)械系統(tǒng)的均衡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法和以地面半力為基礎(chǔ)進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)價(jià)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(kuò)張由液壓式驅(qū)動(dòng)，由2個(gè)鋰電池驅(qū)動(dòng)，搬運(yùn)45kg重物體時(shí)，1小時(shí)內(nèi)可以4km/h的速度運(yùn)行。在合理的的承重條件下，機(jī)器人可以走樓梯、傾斜面、草地等[10]。北京大艾機(jī)器人科技有限公司于2018年推出了可穿戴輔助機(jī)械腿Ailegs艾動(dòng)[11]。Ailegs機(jī)器人的設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)和軟化患者設(shè)計(jì)的。這個(gè)外骨骼機(jī)器人用電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，支持和驅(qū)動(dòng)患者的四肢運(yùn)動(dòng)，使用拐杖保持平衡，保持天然步行訓(xùn)練和實(shí)際步行模式，運(yùn)動(dòng)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(gè)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(yùn)動(dòng)學(xué)，尤其是下肢骨骼的運(yùn)動(dòng)方式，得出下肢隨動(dòng)外骨骼機(jī)構(gòu)模型，為設(shè)計(jì)可穿戴輔助機(jī)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(jī)械腿的連桿尺寸；從下肢骨骼機(jī)構(gòu)模型得出可穿戴輔助機(jī)械腿結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)及關(guān)節(jié)類型，從而設(shè)計(jì)出可穿戴機(jī)械腿的整體結(jié)構(gòu)。（3）對(duì)可穿戴輔助機(jī)械腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維零件造型和模型整體裝配，并對(duì)其中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，保證該機(jī)械腿機(jī)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(xiàn)的翻譯。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)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(diǎn)及運(yùn)動(dòng)機(jī)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(jī)械腿的三維仿真模型。（3）對(duì)關(guān)鍵零件三維結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行強(qiáng)度校核，保證該機(jī)械腿機(jī)構(gòu)的可靠性。1.5本課題的研究方法通過設(shè)計(jì)并計(jì)算可穿戴輔助機(jī)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(yùn)動(dòng)。首先查閱文獻(xiàn)資料，從文獻(xiàn)資料中掌握一些關(guān)于可穿戴輔助機(jī)械腿的基本知識(shí)，如工作原理和相關(guān)設(shè)計(jì)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(diǎn)來進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，定出各零部件的尺寸形狀，制作可穿戴輔助機(jī)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(jì)方法：（1）根據(jù)可穿戴輔助機(jī)械腿的功能和結(jié)構(gòu)，擬定可穿戴輔助機(jī)械腿的整體設(shè)計(jì)方案；（2）初步確定可穿戴輔助機(jī)械腿的整體尺寸；（3）對(duì)機(jī)器人進(jìn)行尺寸計(jì)算與校核。本設(shè)計(jì)主要通過人體腿部結(jié)構(gòu)的步態(tài)運(yùn)動(dòng)，結(jié)合高等代數(shù)、機(jī)械原理，機(jī)械設(shè)計(jì)等相關(guān)知識(shí)以及利用互聯(lián)網(wǎng)資源對(duì)可穿戴輔助機(jī)械腿進(jìn)行合理的分析與設(shè)計(jì)?？纱┐鬏o助機(jī)械腿的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)主要包括機(jī)器人腿部件的布局、腿部件的結(jié)構(gòu)形式、關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)形式等，而其中關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)形式是可穿戴輔助機(jī)械腿的重要組成部分，是機(jī)械、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一[22]。因此，從某種意義上說，對(duì)可穿戴輔助機(jī)械腿的分析主要集中在對(duì)其關(guān)節(jié)的分析。因此對(duì)可穿戴輔助機(jī)械腿的基本要求可以歸納為：（1）實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的要求；（2）結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)和方便控制的要求；（3）機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要符合要求。2可穿戴輔助機(jī)械腿傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)2.1傳動(dòng)方案的選擇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是實(shí)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(jī)器人攜帶性能和高質(zhì)量的移動(dòng)需求[17]。目前機(jī)器人系統(tǒng)中有三種常見的驅(qū)動(dòng)方法：電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)[28]。液壓傳動(dòng)在大范圍內(nèi)具有連續(xù)調(diào)速、高驅(qū)動(dòng)扭矩、單位質(zhì)量輸出功率大、過載保護(hù)等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)中長途自動(dòng)控制。此外，它具有體積小、動(dòng)態(tài)性能好、輸出功率相同的特點(diǎn)。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(shí)有發(fā)生。對(duì)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(jī)械能量-壓力-能量-機(jī)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(duì)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(dòng)傳動(dòng)以壓縮氣體為工作介質(zhì)，通過氣體壓力傳遞動(dòng)力，其工作原理與液壓傳動(dòng)類似，液壓傳動(dòng)利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)氣缸運(yùn)動(dòng)。它的優(yōu)點(diǎn)是成本低，易于控制，使用安全，沒有污染和實(shí)際維護(hù)。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(yùn)動(dòng)過程中也難以精確控制運(yùn)動(dòng)速度，而且噪聲大，精度低。目前有四種主要類型的電機(jī):交流電機(jī)、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有響應(yīng)快、控制方便、運(yùn)動(dòng)精度高、信號(hào)提取、傳輸和處理方便、成本低、穩(wěn)定性好、無污染等特點(diǎn)。交流/直流電機(jī)的控制是一個(gè)簡單、迅速回應(yīng),不能用來精確控制直流電機(jī)和直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)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(cè)輸出效果，伺服電機(jī)可以彌補(bǔ)有缺陷的步進(jìn)電機(jī)，有一種反饋檢測(cè)裝置，可以有效地檢測(cè)輸出信號(hào)的執(zhí)行效果。當(dāng)然，對(duì)于不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)，價(jià)格也有很大的差異[17]。可穿戴輔助機(jī)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(dòng)具有可靠性好、響應(yīng)快、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，但是比較容易泄露，造成環(huán)境的污染。由于噪聲大、檢測(cè)精度低、可靠性差，氣動(dòng)傳動(dòng)不適合高精度的控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)具有可調(diào)精度高等特點(diǎn)，是一種更合適的驅(qū)動(dòng)方法。2.2可穿戴輔助機(jī)械腿關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算每個(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)參數(shù)要求是選擇每個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)元件和傳動(dòng)元件的重要依據(jù)[25]。由機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方面的知識(shí)可知，機(jī)器人動(dòng)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(fù)載，Q：廣義力向量。在設(shè)計(jì)時(shí)，機(jī)器人的動(dòng)態(tài)參數(shù)有兩種主要的計(jì)算方法:一種是靜態(tài)法，另一種是動(dòng)態(tài)法[25]。對(duì)于低速機(jī)械，由于慣性力的作用，移動(dòng)部件的動(dòng)載荷不大，即上述公式中C項(xiàng)的影響很小，可以忽略，摩擦力因子也可以忽略。這種設(shè)計(jì)不考慮動(dòng)態(tài)荷載，只考慮靜力荷載，稱為靜力設(shè)計(jì)。對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)，由于其高動(dòng)載荷，C項(xiàng)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(dòng)態(tài)荷載的計(jì)算，就是所謂的動(dòng)力學(xué)計(jì)算[26]。本次設(shè)計(jì)過程中機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)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(jī)械臂的安全運(yùn)行。為了估計(jì)每個(gè)關(guān)節(jié)所需的扭矩，假設(shè)每個(gè)鏈路的重量集中在鏈路的中心，并根據(jù)設(shè)計(jì)部件的圖紙估計(jì)每個(gè)連桿的重量。關(guān)節(jié)的最終扭矩由重力載荷組成。計(jì)算方法如下：2.2.1關(guān)節(jié)一關(guān)節(jié)一：受到負(fù)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(dòng)力學(xué)項(xiàng)，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)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(fù)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(yùn)動(dòng)，故其力矩大小主與由負(fù)載和機(jī)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(fù)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(jìn)行估算。估算其力矩為：2.2.6關(guān)節(jié)六受到末端負(fù)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(jì)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(hào)：表2.2減速器選型表關(guān)節(jié)減速器型號(hào)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(jī)選型電機(jī)的力矩等于設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)力矩除以減速比和減速效率。注意：電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為關(guān)節(jié)的最大設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速乘以減速比取減速效率為60%，得各關(guān)節(jié)電機(jī)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(jī)所需的力矩和最大功率關(guān)節(jié)電機(jī)所需力矩/N·m電機(jī)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(jī)型號(hào)如表2.4所示：表2.4電機(jī)選型表關(guān)節(jié)電機(jī)型號(hào)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(dòng)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(jī)發(fā)熱校核對(duì)于連續(xù)運(yùn)行和恒載電機(jī)，負(fù)載扭矩必須在整個(gè)速度范圍內(nèi)的額定扭矩范圍內(nèi)。長期連續(xù)運(yùn)行并定期在發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷條件下加熱條件變量，按等效原理的發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的均方根值在一個(gè)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(dòng)機(jī)型號(hào)和規(guī)格。由于在上述發(fā)動(dòng)機(jī)的初步選擇中，假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)在最大負(fù)荷下連續(xù)運(yùn)行，因此可以認(rèn)為相應(yīng)選擇的發(fā)動(dòng)機(jī)必須滿足加熱要求，因此這里不需要特殊的計(jì)算。2.6本章小結(jié)本章介紹了可穿戴輔助機(jī)械腿設(shè)計(jì)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(jī)械腿傳動(dòng)方案的選擇，對(duì)比了工業(yè)常用的三種傳動(dòng)方式，通過分析它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，最后確定可穿戴輔助機(jī)械腿的傳動(dòng)方式為伺服電機(jī)傳動(dòng)。根據(jù)伺服電機(jī)傳動(dòng)的方式，通過關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩計(jì)算以及電機(jī)和減速器之間的公式換算，初步確定了減速器和電機(jī)型號(hào)，為后面的尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做了很好的保障。3可穿戴輔助機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1人體腿部生物原型介紹3.1.1人體腿部運(yùn)動(dòng)原理本文所介紹的可穿戴輔助機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照擬人化的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，運(yùn)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(gè)平面，即分解為垂直軸、額狀軸和矢狀軸三個(gè)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)。通過分析人體解剖實(shí)驗(yàn)可以看出，髖關(guān)節(jié)有三個(gè)自由度，人體的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng),如髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)是3個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過程中只有1個(gè)自由度，即只有前后的彎曲和伸展運(yùn)動(dòng)。這里提到的彎曲和伸展運(yùn)動(dòng)是指矢狀面前軸關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。本文所述的屈伸運(yùn)動(dòng)是指關(guān)節(jié)在矢狀面圍繞額狀軸的運(yùn)動(dòng)，屈伸的意思是大腿向前運(yùn)動(dòng)為屈，向后運(yùn)動(dòng)為伸；圍繞矢狀軸的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)；回旋運(yùn)動(dòng)是指關(guān)節(jié)在水平面上繞垂直軸旋轉(zhuǎn)；環(huán)旋運(yùn)動(dòng)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(jī)械腿髖關(guān)節(jié)3個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)1個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)2個(gè)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(yùn)動(dòng)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(xiàng)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(gè)要實(shí)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(xiàng)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(duì)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gè)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(yùn)動(dòng)特性可穿戴輔助機(jī)械腿是為移動(dòng)性較低的人設(shè)計(jì)的，在確定自由度時(shí)，應(yīng)考慮人體下肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特性。運(yùn)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(yùn)動(dòng)完成人體的主要行走功能，繞垂直軸的旋內(nèi)、旋外運(yùn)動(dòng)完成轉(zhuǎn)彎功能，內(nèi)收、外展運(yùn)動(dòng)在人體行走時(shí)起到平衡作用。這3個(gè)自由度對(duì)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(yùn)動(dòng)為屈伸運(yùn)動(dòng)。在膝關(guān)節(jié)屈時(shí)，可以繞垂直軸做輕微的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于它的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，為了降低設(shè)計(jì)以及控制的復(fù)雜性，忽略膝關(guān)節(jié)屈時(shí)，繞垂直軸的輕微旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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(duì)人體運(yùn)動(dòng)最重要的關(guān)節(jié)。其他關(guān)節(jié)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)作用相對(duì)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(gè)“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(gè)自由度，分別為繞冠狀軸的屈伸運(yùn)動(dòng)，繞矢狀軸微小的內(nèi)收外展運(yùn)動(dòng)，繞垂直軸微小的內(nèi)旋外旋運(yùn)動(dòng)。在此為了更好實(shí)現(xiàn)可穿戴輔助機(jī)械腿的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，降低設(shè)計(jì)難度以及控制難度，設(shè)計(jì)可穿戴輔助機(jī)械腿時(shí)，只保留踝關(guān)節(jié)的2個(gè)自由度[17]。3.2可穿戴輔助機(jī)械腿模型的建立顯然，可穿戴輔助機(jī)械腿對(duì)仿生學(xué)要求較高，更關(guān)注擬人化設(shè)計(jì)。因此，在設(shè)計(jì)下肢仿生關(guān)節(jié)時(shí)，應(yīng)盡量考慮仿生學(xué)的要求?？纱┐鬏o助機(jī)械腿的整體布局、腿部設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)方式直接影響其靈活性，也使可穿戴輔助機(jī)械腿在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)靈活的運(yùn)動(dòng)和方便的使用。3.2.1可穿戴輔助機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可穿戴輔助機(jī)械腿機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，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(jī)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(shí)，人體行走時(shí)，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)主要發(fā)生在矢狀面，驅(qū)動(dòng)力矩大;在冠狀面，關(guān)節(jié)主要保持平衡，驅(qū)動(dòng)力矩小[16]?？纱┐鬏o助機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與一般機(jī)械設(shè)計(jì)是類似的[2]:（1）從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來說，機(jī)械腿的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以看作是一個(gè)開放的運(yùn)動(dòng)鏈，由一系列旋轉(zhuǎn)(或可移動(dòng))關(guān)節(jié)的連桿連接起來。（2）一般機(jī)械設(shè)計(jì)主要是強(qiáng)度設(shè)計(jì)，可穿戴輔助機(jī)械腿的機(jī)械設(shè)計(jì)不僅要滿足強(qiáng)度要求，還要考慮剛度和精度的設(shè)計(jì)。（3）可穿戴輔助機(jī)械腿的傳動(dòng)系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)計(jì)部分的重要組成。因此，可穿戴輔助機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有機(jī)電一體化的特點(diǎn)。3.2.2可穿戴輔助機(jī)械腿的整體設(shè)計(jì)基于仿生結(jié)構(gòu)的形態(tài)相似原則，可穿戴輔助機(jī)械腿是依據(jù)人體腿部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按照不同人群，滿足部分人的需求，按照六自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而開始設(shè)計(jì)可穿戴輔助機(jī)械腿的整體結(jié)構(gòu)。根據(jù)受力情況與產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)時(shí)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化，可穿戴輔助機(jī)械腿整體設(shè)計(jì)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(jì)的可穿戴輔助機(jī)械腿系統(tǒng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)各個(gè)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(jī)械腿三維結(jié)構(gòu)示意圖擬人化可穿戴輔助機(jī)械腿可以最大限度地提高用戶的行動(dòng)自由和靈活性。為確保安全，避免使用機(jī)械腿時(shí)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干擾等問題，可穿戴輔助機(jī)械腿以用戶為設(shè)計(jì)參考。每個(gè)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(gè)前提，即盡量減少對(duì)用戶行為的約束，使輔助機(jī)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(jī)械腿機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖3.7所示：圖3.7可穿戴輔助機(jī)械腿機(jī)械結(jié)構(gòu)圖3.3可穿戴輔助機(jī)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)方式，髖關(guān)節(jié)3個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)1個(gè)自由度關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)了2個(gè)自由度[16]?；跀M人化設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)的可穿戴輔助機(jī)械腿，采用仿生關(guān)節(jié)式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，空間機(jī)構(gòu)中有部分運(yùn)動(dòng)副能較好的模擬人體下肢關(guān)節(jié)，但是考慮到空間機(jī)構(gòu)控制的復(fù)雜性，本文選用的是六自由度開鏈機(jī)構(gòu)[20]，也就是每一個(gè)自由度都有伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)。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(yùn)動(dòng)，具有3個(gè)自由度，空間機(jī)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(gè)平面自由度代替萬向鉸鏈機(jī)構(gòu)。髖關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)是整個(gè)可穿戴輔助機(jī)械腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵與難點(diǎn)，用三個(gè)平面運(yùn)動(dòng)副代替萬向鉸鏈機(jī)構(gòu)的功能，就會(huì)增加空間占用，考慮到這個(gè)問題，本次設(shè)計(jì)中就把髖關(guān)節(jié)水平面的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)做了一個(gè)位置調(diào)整，由于髖關(guān)節(jié)在做水平面的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的位置高低不會(huì)影響到這個(gè)動(dòng)作的完成，因此，這個(gè)平面自由度和其他兩個(gè)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(yùn)動(dòng)，在膝關(guān)節(jié)半屈位時(shí)可作小幅度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。本文中膝關(guān)節(jié)只作屈、伸運(yùn)動(dòng)，因?yàn)橄鄬?duì)而言，對(duì)于需要可穿戴輔助機(jī)械腿的人士來說，膝關(guān)節(jié)只做屈、伸運(yùn)動(dòng)就能滿足患者的日常使用。其次，可穿戴輔助機(jī)械腿在幫助患者作康復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，不會(huì)影響患者膝關(guān)節(jié)作小幅度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)，屈時(shí)還可作輕度的內(nèi)斂和外展運(yùn)動(dòng)，也可以進(jìn)行足內(nèi)翻和足外翻運(yùn)動(dòng)。此處簡化模型結(jié)構(gòu)，踝關(guān)節(jié)只能做屈、伸運(yùn)動(dòng)和輕度的內(nèi)斂和外展運(yùn)動(dòng)。因?yàn)閷?duì)人的行走來說，踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的主要運(yùn)動(dòng)方式是作屈、伸運(yùn)動(dòng)，因此，省略一些結(jié)構(gòu)也不會(huì)對(duì)機(jī)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(yùn)動(dòng)（內(nèi)斂和外展運(yùn)動(dòng)）也可以不用和屈、伸運(yùn)動(dòng)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(jì)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(jī)械腿能夠有一個(gè)很好的普遍適用性，本次腿部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)，專用螺栓可手動(dòng)松緊實(shí)現(xiàn)腿長度調(diào)節(jié)。也在此處加有如下圖所示的護(hù)具，一方面用來給人體腿部一個(gè)約束，另一方面，該設(shè)計(jì)使用了一種新型聚合物材料和一種聚酯纖維合成防護(hù)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(diǎn)。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(diǎn)，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(jī)械腿的結(jié)構(gòu)模型，可穿戴輔助機(jī)械腿的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)是整體結(jié)構(gòu)最重要的部分，每條腿都是一個(gè)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(duì)稱分布，以人體結(jié)構(gòu)為參考，在人體中心軸線處作對(duì)稱分布?？纱┐鬏o助機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也為下一章強(qiáng)度校核做準(zhǔn)備，也保證了可穿戴輔助機(jī)械腿能夠有效地完成擬人的運(yùn)動(dòng)方式，并可以在相對(duì)復(fù)雜的環(huán)境或者不同運(yùn)動(dòng)模式中完成運(yùn)動(dòng)，為之后的設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。4可穿戴輔助機(jī)械腿強(qiáng)度校核為了確定所設(shè)計(jì)的構(gòu)件是否合理，本章對(duì)構(gòu)件受力情況進(jìn)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(yàn)證了構(gòu)件的設(shè)計(jì)合理性[19]。需要指出的是，由于髖關(guān)節(jié)三個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的構(gòu)件所承受轉(zhuǎn)矩較大，因此本次強(qiáng)度校核僅對(duì)髖關(guān)節(jié)的三個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度校核。此次分析主要是使用Solidworks軟件進(jìn)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(gè)與SolidWorks完全集成的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)。SolidWorksSimulation提供了單一屏幕解決方案來進(jìn)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(jí)分析以FEA為例，為了實(shí)現(xiàn)有價(jià)值的分析，設(shè)計(jì)的幾何部件會(huì)需要不同的單元類型，實(shí)體、殼、梁、桿進(jìn)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(diǎn)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(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)不能僅考慮靜強(qiáng)度，必須考慮多領(lǐng)域的問題，比如靜強(qiáng)度、動(dòng)強(qiáng)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(jì)者的多場(chǎng)耦合熱-結(jié)構(gòu)、流體-結(jié)構(gòu)、多體動(dòng)力學(xué)-結(jié)構(gòu)等多場(chǎng)分析是目前分析中的一個(gè)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(duì)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(duì)壓力容器，需要符合ASME標(biāo)準(zhǔn)的壓力容器校核工具；面對(duì)電子和消費(fèi)品領(lǐng)域，需要解決跌落分析的能力。（5）高級(jí)分析需求面對(duì)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(jí)機(jī)械振動(dòng)、非線性動(dòng)力學(xué)等高級(jí)分析的需求[24]。4.2髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減速器殼體強(qiáng)度校核4.2.1模型如圖4.1所示為要進(jìn)行有限元分析的模型-髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減速器殼體。圖4.1髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(qiáng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)減速器殼體的端面4個(gè)螺紋孔進(jìn)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(rèn)的網(wǎng)格設(shè)置對(duì)髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減速器殼體進(jìn)行劃分，得到網(wǎng)格參數(shù)如圖4.4所示，節(jié)點(diǎn)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(yùn)動(dòng)減速器殼體網(wǎng)格劃分信息髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)減速器殼體的端面4個(gè)螺紋孔進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(qiáng)度4.35e+08N/m2，故髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減速器殼體滿足設(shè)計(jì)要求。4.3髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減速器連接件強(qiáng)度校核需要說明的是髖關(guān)節(jié)矢狀面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減速器連接件與髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)減速器連接件即最大扭矩進(jìn)行強(qiáng)度校核。4.3.1模型如圖4.8所示為要進(jìn)行有限元分析的模型-髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減速器連接件。圖4.8髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(qiáng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)減速器連接件的端面4個(gè)螺紋孔進(jìn)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(rèn)的網(wǎng)格設(shè)置對(duì)髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減速器連接件進(jìn)行劃分，得到網(wǎng)格參數(shù)如圖4.11所示，節(jié)點(diǎn)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)減速器連接件的端面4個(gè)螺紋孔進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(qiáng)度7.5e+07N/m2，故髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減速器連接件滿足設(shè)計(jì)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(qiáng)度校核4.4.1模型如圖4.15所示為要進(jìn)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(qiáng)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(gè)螺紋孔進(jìn)行固定幾何體約束（如圖4.16所示），另一端面的4個(gè)螺紋孔添加1110N·m的扭矩（操作方法：先在要添加扭矩的4個(gè)螺紋孔中間位置添加基準(zhǔn)軸，然后添加扭矩，選擇4個(gè)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(rèn)的網(wǎng)格設(shè)置對(duì)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(jìn)行劃分，得到網(wǎng)格參數(shù)如圖4.18所示，節(jié)點(diǎn)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(gè)螺紋孔進(jìn)行固定幾何體約束，另一端面的4個(gè)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(qiáng)度8.1e+08N/m2，故髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減速器連接件滿足設(shè)計(jì)要求。4.5髖關(guān)節(jié)矢狀面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減速器殼體強(qiáng)度校核4.5.1模型如圖4.22所示為要進(jìn)行有限元分析的模型-髖關(guān)節(jié)矢狀面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減速器殼體。圖4.22髖關(guān)節(jié)矢狀面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(qiáng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)減速器殼體的端面的4個(gè)螺紋孔進(jìn)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(rèn)的網(wǎng)格設(shè)置對(duì)髖關(guān)節(jié)矢狀面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減速器殼體進(jìn)行劃分，得到網(wǎng)格參數(shù)如圖4.25所示，節(jié)點(diǎn)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(yùn)動(dòng)減速器殼體網(wǎng)格劃分信息髖關(guān)節(jié)矢狀面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)減速器殼體的端面4個(gè)螺紋孔進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(qiáng)度5.51485e+07N/m2，故髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減速器連接件滿足設(shè)計(jì)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(qiáng)度校核4.6.1模型如圖4.29所示為要進(jìn)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(qiáng)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(gè)螺紋孔進(jìn)行固定幾何體約束（如圖4.30所示），另一端面的4個(gè)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(gè)螺紋孔中間位置添加基準(zhǔn)軸，然后添加扭矩，選擇4個(gè)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(rèn)的網(wǎng)格設(shè)置對(duì)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(jìn)行劃分，得到網(wǎng)格參數(shù)如圖4.32所示，節(jié)點(diǎn)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(gè)螺紋孔進(jìn)行固定幾何體約束，另一端面的4個(gè)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(qiáng)度9.30792e+08N/m2，故髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減速器連接件滿足設(shè)計(jì)要求。4.7髖關(guān)節(jié)水平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減速器殼體強(qiáng)度校核4.7.1模型如圖4.36所示為要進(jìn)行有限元分析的模型-髖關(guān)節(jié)水平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減速器殼體。圖4.36髖關(guān)節(jié)水平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(qiáng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)減速器殼體的端面的4個(gè)螺紋孔進(jìn)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(rèn)的網(wǎng)格設(shè)置對(duì)髖關(guān)節(jié)水平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減速器殼體進(jìn)行劃分，得到網(wǎng)格參數(shù)如圖4.39所示，節(jié)點(diǎn)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(yùn)動(dòng)減速器殼體網(wǎng)格劃分信息髖關(guān)節(jié)水平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)減速器殼體的端面4個(gè)螺紋孔進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(qiáng)度5.51485e+07N/m2，故髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減速器連接件滿足設(shè)計(jì)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(diǎn)和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)得到可穿戴輔助機(jī)械腿結(jié)構(gòu)，采用UG三維建模軟件來設(shè)計(jì)可穿戴輔助機(jī)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(duì)可穿戴輔助機(jī)械腿做強(qiáng)度校核，即有限元分析的靜應(yīng)力分析，對(duì)可穿戴輔助機(jī)械腿關(guān)節(jié)零件結(jié)構(gòu)做強(qiáng)度校核，以保證可穿戴輔助機(jī)械腿的安全性與可靠性。根據(jù)對(duì)可穿戴輔助機(jī)械腿的各個(gè)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(jì)中，各零件結(jié)構(gòu)滿足本次設(shè)計(jì)的功能要求，結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)較為合理。5結(jié)論與展望5.1作者的工作在本次設(shè)計(jì)中，主要的研究工作都是集中在可穿戴輔助機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核這兩方面上，在這中間也穿插著一些對(duì)于可穿戴輔助機(jī)械腿的仿生和傳動(dòng)計(jì)算分析。首先闡述了可穿戴輔助機(jī)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(jī)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(jī)器人設(shè)計(jì)，總結(jié)出可穿戴輔助機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和思路。主要針對(duì)六自由度機(jī)器人傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)計(jì)算，以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和一些關(guān)節(jié)零件的強(qiáng)度校核，來模仿設(shè)計(jì)出具有擬人特性的可穿戴輔助機(jī)械腿。在傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)方面，可穿戴輔助機(jī)械腿采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。通過對(duì)關(guān)節(jié)所受力矩的估計(jì)計(jì)算，得可穿戴輔助機(jī)械腿六個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)所受力距，進(jìn)而根據(jù)減速器選型表來得到初步減減速器型號(hào)，再通過減速器數(shù)據(jù)，以及結(jié)合減速器和電機(jī)的適配關(guān)系，通過計(jì)算得到可穿戴輔助機(jī)械腿的驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，可穿戴輔助機(jī)械腿是基于人體腿部生物結(jié)構(gòu)原型進(jìn)行設(shè)計(jì)的，可穿戴輔助機(jī)械腿的運(yùn)動(dòng)方式是由整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)、自由度數(shù)和驅(qū)動(dòng)方式等直接影響。三維模型設(shè)計(jì)的質(zhì)量好壞會(huì)影響到可穿戴輔助機(jī)械腿的整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，進(jìn)而就會(huì)影響到可穿戴輔助機(jī)械腿的運(yùn)動(dòng)特征、工作狀態(tài)以及制造成本?；谌梭w腿部生物結(jié)構(gòu)原型，發(fā)現(xiàn)可穿戴輔助機(jī)械腿的自由度分配是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重中之重，本文中所涉及的可穿戴輔助機(jī)械腿髖關(guān)節(jié)有三個(gè)自由度，由三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)組成，即髖關(guān)節(jié)矢狀面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)冠狀面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)以及髖關(guān)節(jié)水平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，通過對(duì)人體腿部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析，并且在可穿戴輔助機(jī)械腿設(shè)計(jì)的過程中經(jīng)過合理的簡化，可穿戴輔助機(jī)械腿膝關(guān)節(jié)一個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)兩個(gè)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(jī)械腿的實(shí)體結(jié)構(gòu)。根據(jù)其運(yùn)動(dòng)時(shí)的理論效果，可以想辦法來優(yōu)化可穿戴輔助機(jī)械腿的部件結(jié)構(gòu)，此時(shí)，可以利用到UG三維制圖軟件來建立可穿戴輔助機(jī)械腿的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)模型。在最后的強(qiáng)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(shí)現(xiàn)強(qiáng)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(duì)個(gè)關(guān)鍵零件的強(qiáng)度校核數(shù)據(jù)中得出，可穿戴輔助機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是比較合理的，也是符合設(shè)計(jì)要求。總結(jié)而言，主要工作如下：（1）通過網(wǎng)絡(luò)，書籍以及文獻(xiàn)等資料，對(duì)可穿戴輔助機(jī)械腿進(jìn)行了一定的了解，也得到了設(shè)計(jì)的基本思路，并根據(jù)具體要求進(jìn)行一定程度的思考和設(shè)計(jì)。（2）確定可穿戴輔助機(jī)械腿的傳動(dòng)方案，包括：可穿戴輔助機(jī)械腿關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算、關(guān)節(jié)傳動(dòng)減速器的選型、關(guān)節(jié)傳動(dòng)電機(jī)的選型。（3）確定可穿戴輔助機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括：機(jī)構(gòu)的自由度分配、可穿戴輔助機(jī)械腿的本體設(shè)計(jì)。（4）對(duì)可穿戴輔助機(jī)械腿的關(guān)鍵部件進(jìn)行強(qiáng)度校核，根據(jù)強(qiáng)度校核所得出的數(shù)據(jù)可以看出，本次可穿戴輔助機(jī)械腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能滿足設(shè)計(jì)要求。5.2展望我國在可穿戴輔助機(jī)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(jī)器人技術(shù)也在不斷地完善，但是我國的康復(fù)醫(yī)療機(jī)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(duì)可穿戴輔助機(jī)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(qiáng)度高彈性輕質(zhì)材料。就像本次設(shè)