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·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：

下肢关节关节运动范围

屈/伸（髋）（-121°）～（10°）

内收/外展（髋）（-16°）～（16°）

旋内/旋外（髋）（-35°）～（35°）

屈/伸（膝）（-121°）～（0°）

旋内/旋外（踝）—

背屈/屈（踝）（-45°）～（45°）

内翻/外翻（踝）（-20°）～（20°）

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。