外骨骼技术产品方案设计报告

目录

1 概述 (5)

2 研制依据 (5)

3 引用标准 (5)

4 主要技术指标及产品功能 (5)

4.1 技术指标及要求 (5)

4.2 产品功能 (5)

5外骨骼技术产品的总体设计 (6)

5、1外骨骼技术产品的总体设计 (5)

5、2外骨骼技术产品需求分析 (6)

6 外骨骼技术产品的机械机构 (8)

6.1外骨骼技术产品的机械活动角度范围 (6)

6.2 行走助力外骨骼的机械结构组成 (12)

6.3 行走助力外骨骼的机械总体方案 (14)

6.4外骨骼技术产品机械结构及驱动设计的基本要求 (19)

6.5下肢外骨骼液压驱动系统技术及碳纤维缠绕液压缸 (23)

7 外骨骼技术产品电控系统总体方案 (24)

8 行走助力外骨骼的传感器系统 (26)

8. 1 足底压力信息的获取 (26)

8.2 传感器的选型与标定 (27)

8.3 信号调理电路的设计 (28)

8.4 Flexiforce 的布局 (29)

8.5其他传感器的应用 (30)

9 肌电采集系统 (32)

10数据采集与处理软件--------------------------------------------------------------------------35 11、外骨骼控制与人体步态分析系统-------------------------------------38 11.1、人体下肢运动周期 (39)

11.2、运动过程中各关节的相关运动大小 (41)

11.3、步态周期支撑期间地面反力对下肢关节的作用 (42)

11.4、步态周期的肌肉活动 (42)

11.5、常用步行参数 (43)

12、外骨骼技术产品系统可靠性、可维护性分析 (44)

13 产品检验-------------------------------------------------------44

14 结论： (45)

1 概述

依据总经理布置，根据公司在自动化及军工领域的产业战略要求与市场需求，西安方元明公司对人体外骨骼及人体外骨骼技术在民用市场用途进行深入调研，书写详细的调研报告，并提出可供实际产品化的项目并项目方案论证及设计。

2 研制依据

按照国内外相关产品研究技术要求进行设计，仿洛可2马丁公司本外骨骼产品，特别是增强人体负重能力等方面的外骨骼进行课题设计，并制作初级阶段的原理样机。特别是参照国外军品外骨骼产品。

3 引用标准

GJB150-1986 军用设备环境试验方法

GJB151A-1997 军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求

GJB1406A-2005 产品质量保证大纲要求

GJB450A-2004 装备可靠性工作通用要求

GJB1032-1990 电子产品环境应力筛选方法

4 主要技术指标及产品功能

4.1 技术指标及要求

最大负重：100千克；

自重：最大32千克；

液压驱动器；

供电：锂电池供电48V、60V，持续工作10小时；

行进速度：负重情况下可以达5千米/小时的速度在多种地形中行进。

机械结构件配合人体角度要求：

按照男性人体平均身高1.755m为基准，按照以下比例确定人体各肢体长度，结构部分可以依照相应的尺寸进行尺寸设计。人体体重按照平均成年人体重75KG设计，动力助力按照60%—75%来进行

4.2 产品功能

外骨骼技术产品能使普通人力量（负重）、速度等都会有大幅度的提高，帮助瘫痪病人直立行走。

5 外骨骼技术产品的总体设计

5.1 外骨骼技术产品的总体设计

5.1.1 实现运动平台的连续运动，伴随人体两腿走路、坐立、跑步等。设计出在不同状态下行

动时机能够和人体运动一致械装置系统。

5.1.2 能够通过机械将重力传递到地上。结构机械部分能够很好和人体协调配合（仿国外外骨

骼）。

5.1.3 通过采集人体肌电达到获得人体的运动意图并自动控制电机配合动作。

5.2 外骨骼技术产品需求分析

5.2.1外骨骼技术产品的功能要求

1）.外骨骼技术产品组成原理、结构机械设计；本设计侧重于承重和运动，采用电动电液驱动。动力源采用锂电池48V/60V，充满电之后要供10小时行走。

2）外骨骼技术产品电子电气的设计、软件代码编写。通过人体肌电反应出运动意图并和传感器系统一起完成控制功能。

5.2.2 外骨骼技术产品的性能指标

高强度钢铝合金结构材料；

电液缸伺服驱动器;

人体肌电达到获得人体的意念;

阿尔泰ART2953 高分辨率多通道模拟104接口的数据采集卡

多个传感器控制系统

阿尔泰EPC-9351 X86嵌入式主板控制软硬件平台（Windows XP, 2.5GHZ处理器）

多轴电机控制板卡（4/6轴运动控制卡）

6 外骨骼技术产品的机械机构

6.1外骨骼技术产品的机械活动角度范围

6.1.1 人体解剖学下肢骨骼构型和关节活动角度范围

人体下肢骨骼组成如下：

盆带骨(髋骨)

盆骨髋关节

大腿骨股骨

人体下肢骨骼膝关节

小腿骨踝关节

足骨腓骨

胫骨

外骨骼产品需要与人体紧密配合的，人的运动构架和骨骼构架是设计外骨骼产品的基础。肌肉通过肌键与骨骼相连,人体运动时神经系统对肌肉发出指令进行肌肉的收缩与舒展运动,肌健将肌肉运动产生的力传递到骨骼,使骨骼进行摆动与旋转。另外,肌键与关节上复杂的互相交叉的韧带组织还能限制关节与骨骼的运动,防止人体骨骼与肌肉受到伤害。

髋关节由一个球形股骨头和盆骨的髋臼组成,是个典型的球窝关节,具有三个自由度,可完成屈/伸，外展/内收，旋转及环转等多个运动。人体下肢承担了大部分载重,其关节本身要有一定的强度和稳定性;另外髋关节运动范围大,关节窝很深关节囊也很紧,同时具备牢固性和灵活性。髋关节做屈/伸运动时,股骨头沿冠状轴在髋臼内旋转;外展/内收运动时,是以股骨头中心至股骨颈中线为轴线旋转的。髋关节的运动范围受到本身关节结构和肌肉韧带的限制。

膝关节主要包括股骨内，外侧踝,胫骨内，外侧踝和髌骨,属于滑车球状关节,具有一个自由度,能完成屈/伸运动。膝关节关节囊内部有多条韧带:前交叉韧带限制胫骨前移,后交叉韧带限制胫骨后移。在膝关节屈曲后,一般认为膝关节仅具有屈/伸自由度,可视为一个铰链关节。

人体下肢骨骼结构图

踝关节主要由胫、腓骨下关节面,内外踝关节面和距骨上方的滑车关节面组成,有三个自由度,可完成背屈/跎屈、内翻/外翻、旋内/旋外等运动。踝关节运动的方式主要取决于距骨上方的滑车关节面的形状,其活动范围较小。以横贯距骨的水平轴为转轴,踝关节做背屈/跎屈;在跎屈时有轻微的内翻/外翻和旋内/旋外运动。足骨将人体负载所有的力传递到地面,其结构由跗骨、跎骨和趾骨三部分组成。下肢助力外骨骼的研究中一般采取了两个自由度,即背屈/跎屈和旋内/旋外自由度。

将三个关节共7个自由度的运动范围列表如下，外骨骼产品结构必须结合人体骨骼的角度范围

来参考:

6.1.2 行走助力外骨骼的关节自由度和运动角度技术要求

机械结构方面, 本外骨骼有七个自由度,其中髋关节和踝关节各三个,膝关节有一个。主要对髋关节、膝关节的屈/伸自由度作驱动,其他的一些自由度上安装了弹性阻尼装置来抵消部分的人体能耗,比如髋关节屈/伸自由度的反力矩机构,同时增加运动的舒适性。

下肢外骨骼的最主要功能是能跟随人体行走,这个动作主要是在矢状面上完成的,因此应该首先满足矢状面上自由度的匹配。协行下肢外骨骼选择将髋关节的屈/伸自由度中心轴线与人体的相重合,确保外骨骼在矢状面上与人体匹配。

另外,在矢状面上还设计了一个反力矩机构。当人双腿支撑站立状态时,机械腿系统屈/伸自由度被一定程度的限制,即无法向后再伸展。向后伸展时,以气弹簧为主要弹性元件的反力矩机构阻止了机械腿的运动;同时向后运动的趋势将腰带向上顶起,即将背架和负载支撑起来,那么在人双腿支撑站立状态时,更减小了负载对人产生的作用力,使人穿戴起来更舒适。

（2）髋关节外展/内收自由度

下肢外骨骼外骨骼的髋关节在冠状面上与人体髋关节有一定偏差距离,因此在髋关节进行外展/内收时会产生如图所示的误差。当人腿OA1和机械腿OA2外摆时,产生了CB2的误差。本外骨骼将外展/内收旋转中心设置在了散关节机构后方,将该旋转中心移动到腰带上,使腰带与腿机构一起外展/内收,并保持了与人体髋关节旋转中心的匹配,消去了原来的误差。将该自由度移动其中心轴线至腰带,在腰带上重新配置了该自由度,而本文研究的协行下肢外骨骼采用的是用多个外展/内收自由度来共同实现的方法所示为该自由度功能实现的简易机构图,以左腿为例:人腿外摆时外骨骼月退跟随人体外摆,髓关节外展的同时腰带也外展,利用这两个外展自由度来完成外骨骼机械腿系统整体的外展;内收时外骨骼髓关节的内外摆部件被锁死,由腰带的内收自由度来完成外骨骼机械腿系统整体的内收。这样,通过不定的多自由度相结合,利用腰带靛关节内外摆部件和腰带的外展/内收,来实现

髓关节外展/内收自由度。

将外骨骼髓关节内收自由度锁死的这种设计有多个优点:首先,外骨骼系统在冠状面的内外摆被强制地由不同关节的自由度来完成,机械腿外摆时由内外摆部件和腰带共同完成,在内收时则只能由腰带的内摆来完成;第二,当人在单腿站立状态时,人体向外侧倾斜,将内收自由度锁死,使腰带与整个机械腿连结成一个刚性系统,背架上的负载力传递效果更好;第三,限制内收可以防止机械腿内摆过量,机械腿不会与人体产生碰撞,提高了外骨骼使用安全性。

(3)髋关节水平面环旋自由度

与髋关节的外展/内收自由度相同,由于空间位置上与人体髋关节的差异,使该自由度会产生误差。如图所示,O1为人腿的中轴线,也表示踝关节轴线,O1A1表示人的脚。类似的O2A2表示外骨骼的脚。当人腿旋转时,人的脚旋转带动外骨骼脚旋转,会产生CB2的长度误差。本外骨骼设计的第一种解决办法,是在两条腿上方,髋关节以下,设置了旋转轴。但是这种办法效果并不好,特别是在负载时未驱动自由度上的力增大的情况下。其第二种解决办法,采用单一转轴,将两条腿的两个旋转轴线合

二为一,在腰带连接中心上设计了旋转轴。这样就使髋关节能整体内外旋转,并且使腿部运动实现跟随。

将原本在大腿上的内旋外旋自由度移动到了腰带连接轴线上,以解决重载情况时自由度运动不理想的问题。协行下肢外骨骼设计了一个管套件,上连接腰带与摆动部件,下连接大腿。该套管件与大腿配合,可以调节长度以适应不同身高的使用者。管套中利用两个止推轴承限制调节杆轴向的上下移动,并在管套内部放置一根弹簧,利用弹簧的弹力使调节长度时可以更省力。另外该弹簧还起到自

动回复作用,当机械腿系统内外旋时,该弹簧的作用类似扭簧,能产生与机械腿自身旋转相反的力,使其回复到平衡位置。

6.2 行走助力外骨骼的机械结构组成

行走助力外骨骼包括背架系统、机械腿系统及传感靴系统。背架系统中包含能源储备、动力源、控制系统等的配置位置, 背架系统将使用者背负的重量, 全部通过下肢连接架传递到下肢外支撑架上, 同时通过可穿在使用者身上的马甲保证下肢外支撑架结构装置与使用者的贴合,保证行动的可靠性,目的是让使用者感到背负装置的存在,而感觉不到背负的重量。行走助力外骨骼利用机械外骨骼支撑本身的结构质量和负载质量、包含一系列传感器、都不需要任何操纵台或外部控制设备等。

(l)背架系统构型

背架系统除了要背负载荷,还要安装液压系统、控制系统、电机以及电池等零部件。为了使背架的设计一体集成,将液压系统和电机的安装平台与背架结合,液压系统和电机直接装在背架上。安装方便,结构紧凑。两个锂电池考虑到对人体的负载平衡性,将它们安装在背架的两侧,以储藏袋的形式绑缚在背架上,满足更换和充电的方便。整个背架系统结构紧凑牢固,电路走线和液压油管布局清晰。

(2)机械腿系统构型

机械腿系统包括腰带系统，髋关节，大小腿及驱动器,腰带系统使用了一个扭簧,增加腰带的弹性和回复功能;髋关节主要是前后摆部件和内外摆部件;驱动器采用碳纤维缠绕方法加强了液压缸的管壁强度。

(3)传感靴系统构型

传感靴系统主要包括传感靴、踝关节以及传感器。传感靴外形没有什么改变,其尺寸相比较以前的设计更小,鞋子的重量更轻; 踝关节包含了屈/伸和内转/外翻自由度,一部分属于小腿,即小腿调节杆;传感器为悬臂十字梁结构的力传感器,布局方式与之前设计的相同。

6.3 行走助力外骨骼的机械总体方案

髋关节是三个关节中最易产生偏差的关节，通过利用关节运动副的外侧布置，保证髋关节运动的对应性。将髋关节收展置于背部，并将驱动装置布置在留有空间。收展运动可以与人体同步，从而减少了设计补偿机构的复杂性。

机构构型是由 12个旋转关节组成的，单侧具有包括髋关节的屈伸、收展、旋转，膝关节的屈伸，以及踝关节屈伸和旋转 6DOF。将髋关节外展内收关节移动到了背架和腿的结合部位，在液压缸的辅助下，整个腿部与背架刚性连接，因而具有较大的承载能力。这时，外骨骼髋关节的外展内收关节旋转中心与人体髋关节外展内收关节不重合，在运动时有可能产生小量的干涉，但由于人在正常行走时，人体髋关节外展内收运动量较小（一般为7°—-1.5°）并且人腿部与外骨骼连接的绑带具有一定弹性，因而这种干涉不会造成巨大影响。该构型可保证助行机构与人体配合运动时具有良好的一致性，人体和助行机构屈伸关节的轴线同轴性较好。

将两腿髋关节和膝关节的屈伸作为主动关节运动，配备液压驱动器进行驱动。两腿其它4个关节作为被动关节，在运动时由人体带动运动，由扭簧帮助其恢复到平衡位置。简要分析助行机构的各个关节的设计，髋关节的屈伸运动和旋转运动只需要考虑空间关系和限位即可，收展关节布置在背后，轴线应与人体髋关节中心交汇。膝关节仅具有屈伸自由度，运动在矢状面内完成，由于运动幅度相比其他两个关节较大，故它是完成动作的最主要运动。踝关节的设计主要考虑空间关系，在不影响运动情况下，设计尽量紧凑。采用的是管状结构，通过紧固螺钉连接调节腿部长短，即保证适合不同身高人体的穿戴，又使人机对应关节的屈伸运动轴线同轴。外置后的助行装置外侧留有很大的空间，可以进行多种驱动的选择。

1、背带

2、髋关节屈伸液压缸

3、髋关节外展内收关节

4、被动关节扭簧

5、髋关节屈伸关节

6、

髋关节旋内旋外关节 7、膝关节屈伸驱动液压缸 8、膝关节屈伸关节 9、踝关节背屈关节 10、踝关节内外翻关节

6.3．1各杆件及杆长

下肢助行机构杆长的设计要与人体的下肢尺寸相一致，这样

当不同的使用者穿戴时，才能够达到更好的适应性。根据人体测

量学数据，我国青年人的下肢骨骼各部位尺寸

与身高的比例关系，如图所示。H为人体高度。

由图片的比例关系可知，当知道一个正常人的

身高时，就可以大致确定下肢骨骼模型各个关

节中心之间的相互尺寸，大腿的长度为L1

=0.245H ，小腿的长度L2 =0.246H ，左右两条

腿间的宽度L3 =0.191H 。结合自己的身高和各

个关节的比例关系，可以得到如图结构主要尺

寸图。

人体主要参数

（1）人体尺寸：参照美国阿尔文.R.狄里

(Alvin R. Tilley)和亨利.德里福斯

事务所(Henry Dreyfuss Associates)

编著的《设计中的男女尺度(the

Measure of Man & Woman Factors in

Design)》一书的技术资料。图中未加括号的数字表示人体测量尺寸，单位为mm，加括号的数字表示人体测量尺寸相对于身高的比例。人体下肢详细尺寸如图所示。

6.3．2液压缸驱动器行程的确定

根据助行机构髋关节结构示意图所示，建立油缸行程和安装位置的关系表达式，首先，假

设油缸移动位移和两个安装点中的一个固定，然后假设驱动器的最大位移和最小位移发生在髋关节运动范围的两个极限位置。如图所示。驱动器位置的确定要保证在完成屈伸运动的同时，驱动器油缸长度处于行程允许范围内。

根据髋关节驱动结构图，如图所示，建立油缸行程和安装位置间的关系，由几何关系可测得∠CBD。由图中关系可得

? = θ + 90° ?∠CBD

式中?是L 1和L2两连线的夹角，θhip是髋关节角度。在ΔABD中，由余弦定律，可求得驱动器的长度L0

L0 = √￣￣(L12 + L22? 2L1L2cos? )

由下式，若已知油缸移动位移 d，驱动器任一端安装位置即可根据髋关节的运动范围θhip，求得

下肢助行机构参数表

L02– L12? L22+ 2L1 L2 cos (θ+90°-∠CBD)=0

由整体机构的受力图和关节的受力范围，计算油缸的行程和髋关节产生的力矩。计算行程，首先根据图 3.10建立髋关节转角和驱动器电机转角的关系：d=L0–Lmin

当大腿关节处于两个极限位置时，所得的行程最大，设计允许髋关节的转动角度范围是60 °~ -10°，将 60°和-10°分别代入公式中，经过计算油缸长度变化范围在98mm-174mm，最大行程为76mm。助行机构的最大驱动力矩应与驱动人体的最大力矩相同，图为正常人体髋关节和膝关节驱动力矩图。正常人体的质量为 60kg，人体下肢占人体总体的比重为38.68%。

T1 = T2 = 0.9 3 38.68% 3 60 3 1000 = 20887.2mNm

髋关节最大拉力为

F1 = T1/L1=20887.2/71.5 =292N

膝关节最大拉力为

F2 = T2/L2=20887.2/42.5 =491.5N

电机的最大拉力也就是电机的驱动力。用同样的方法计算转动范围为 0-45°的膝关节行程变

化范围是 327mm-286mm，最大行程为 41mm。

根据以上计算，液压电机选择直流伺服电机，供电电压 24V，最大转速可达 5000rpm，最大转矩可达70mNm，最大电流 2.3A；减速器选择 38A 系列，行星齿轮减速比 480:1，转换率80%。电机控制器选用 3003S，可提供最大 3A 的驱动电流；编码器选用 IE2-512 编码器，定位精度高达 0.18°；根据以上选型计算可得电机驱动部分所能提供的最大力矩为：

T = 70 3 480 3 80% = 26880mNm

因为油缸螺母前加一级 1.5:1的同步带，所以驱动器的最大力矩可以达到：

M = 40320Nm > 20887.2mNm

经以上计算所选电机驱动系统驱动力远大于驱动器所需的力矩，完全能够满足所设计系统的需要。人体正常行走时，一个行走周期为 3~4s，髋部油缸最大行程为 76mm，因此，油缸的速度为38~51mm/s，由公式所得导程经过优化处理，选取导程P = 10mm为该油缸的导程。

6.4外骨骼技术产品机械结构及驱动设计的基本要求

1、拟人化。外骨骼技术产品要求具有良好的可穿戴性，其机械结构和自由度分布应于人体运动关节结构和自由度相匹配，同时应该能够非常方便地根据穿戴者体形和身材进行调节，以便使人穿戴舒适、操作灵活、最大限度地拓展人的活动范围。

2、安全、稳定、可靠。作为一种可穿戴和与人体紧密结合的产品，外骨骼技术产品需要满足安全性、有效性和舒适性的要求。

3、材料的优质轻便性。由于外骨骼技术产品是穿戴在人身上和人一起运动，其材料必须要求非常轻便，同时必须具有足够的强度和韧性，以承受人体和重物的重量以及与地面的碰撞。

4、驱动的高效性。由于外骨骼技术产品要承受穿戴者及其自身的重量，并且应与穿戴者动作保持一致，其驱动器应满足小体积、轻便、低功耗、大功率输出等要求，同时还应具有响应快、低惯性、高精度和高安全性等性能。

6.4.1背架系统设计分析

在整个下肢助力外骨骼中,背架与人体的接触面积最大,且之间的力交互情况也最多。背架与肩带绑缚,通过肩带穿戴在人体上。一方面,整个系统依靠人体直立,背架及安装其上的零部件系统的重量由人体支撑;另一方面,外骨骼启动后机械腿支撑起背架及负重,减轻背架对人体的作用力,即达到了设计目的。背架的设计因素有以下几点:

1.质量轻,尽量减少对人体的作用力;

2.力学结构稳定,在质量轻的条件下又有一定的结构强度;

3.合理设计驱动系统。电气控制系统及能源系统的安装位置,不仅要考虑外观整洁,各个系统的布线要有条理,质量分配要均衡,还要使各个零部件拆装更换方便快捷;

4.材料选取,在综合考虑轻质和保证强度的基础上,选择合适的材料,用经济的制造方法制造。

6.4.2大腿设计分析下

肢助力外骨骼大腿其使用功能和结构强度要求较高,大腿的设计因素有以下几点:

1.符合人体测量学要求,且可进行一定的调节,能与不同身高的人匹配;

2.在不同平面有相应的弧度,满足不同的功能要求;

3.在主要关节和结构上机械性能有一定的强度,满足材料;

4.简化系统的受力,避免出现偏转力矩;

5.自身重量轻,拆装方便。

在矢状面上有弯曲的弧度, 在矢状面和冠状面上有弧度，大腿保持了结构的对中性,其与髓关节