【文章內(nèi)容簡介】 與優(yōu)選。 (2)機(jī)構(gòu)構(gòu)型對人 機(jī)相容性的影響?，F(xiàn)有的下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的骸關(guān)節(jié) 多采用單自由度回轉(zhuǎn)副或由 2 個回轉(zhuǎn)副進(jìn)行運動等效，膝關(guān) 節(jié)為單自由度回轉(zhuǎn)副， 機(jī)構(gòu)的尺度參數(shù)根據(jù)下肢骨胳的比例和長度確定。優(yōu)點是機(jī)器人機(jī)構(gòu)的構(gòu)型相對 簡潔且機(jī)構(gòu)的設(shè)計簡便易行。但機(jī)器人機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)數(shù)目少于下肢骨骼的關(guān)節(jié)數(shù)目， 而且對應(yīng)關(guān)節(jié)的運動屬性也有所不同，構(gòu)型的選取會直接影響人 機(jī)之間的運動 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計 12 相容性。因此，在對人體下肢骨骼的生理結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)運動特性以及康復(fù)機(jī)器人機(jī) 構(gòu)的外掛屬性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合人 機(jī)系統(tǒng)的自由度分析提出較好的機(jī)構(gòu) 構(gòu)型。 (3)機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化對人 機(jī)相容性的影響。由于下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)與人體骨骼機(jī)構(gòu)在關(guān)節(jié)數(shù)目、關(guān)節(jié)運動特性上的差異以及 機(jī)器人機(jī)構(gòu)的外掛屬性，若機(jī)器人機(jī)構(gòu)參數(shù)或聯(lián)接參數(shù)設(shè)計不夠合理，也會導(dǎo)致人一機(jī)運動不相容，在聯(lián)接部位發(fā)生運動干涉與沖突。因此，在優(yōu)選機(jī)構(gòu)構(gòu)型的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步研究基于運動相容性的機(jī)構(gòu)參數(shù)及聯(lián)接參數(shù)優(yōu)化方法，定義運動相容性評價指標(biāo)，構(gòu)造基于運動相容性的機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化模型并進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。 此外，機(jī)構(gòu)設(shè)計中輕便、美觀和機(jī)構(gòu)桿長的可調(diào)性也是研究的關(guān)鍵問題。 課題意義及主要研究內(nèi)容 穿戴式智能設(shè)備 ” 是應(yīng)用穿戴式技術(shù)對日常穿戴進(jìn)行智能化設(shè)計、開發(fā)出可以穿戴的設(shè)備的總稱，如 圖 114 Ekso Bionics機(jī)械腿， 鞋等 。 機(jī)械腿的研究是步行機(jī)器人研究的核心內(nèi)容。步行機(jī)器人是一個交叉學(xué)科的研究，它涉及仿生學(xué)、機(jī)械學(xué)、控制學(xué)及信息處理技術(shù)等。步行機(jī)器人在多個行業(yè)具有很多應(yīng)用優(yōu)勢，逐漸成為國內(nèi)外機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個熱點。步行機(jī)器人與其他履帶式、輪式機(jī)器人相比，具有以下的運動特性。 (1)步行機(jī)器人具有良好的地面自適應(yīng)性 步行機(jī)器人可以在復(fù)雜的地形上利用離散的點來選擇最優(yōu)的地面支撐點，并且可以跨越一定的障礙物。 (2）步行機(jī)器人的腿部運動系統(tǒng)比較穩(wěn)定 步行機(jī)器人的腿部運動 系統(tǒng)可以保證身體相對地面的穩(wěn)定，因其腿部具有多個自由度，靈活性大，同時可以通過調(diào)節(jié)腿的伸展度來調(diào)整重心，因此不易翻倒，穩(wěn)定性高。 仿人機(jī)器人作為步行機(jī)器人的一種形式，是提高機(jī)器人機(jī)動性和節(jié)省能源的一條重要途徑。仿人機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域最高研究成果的代表。相對于其他機(jī)器人，仿人機(jī)器人具有人的外形，并具備良好的人機(jī)交互能力，所以在娛樂服務(wù)等領(lǐng)域，仿人機(jī)器人具有更明顯的優(yōu)勢。 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計 13 圖 114 Ekso Bionics機(jī)械腿 第二章 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)運動分析 引言 機(jī)械腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計 必然是一個挑戰(zhàn)。機(jī)械腿自身特點 穿戴性，決定了它需要更為合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計。機(jī)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣直接影響穿戴的舒適性。 機(jī)構(gòu)的功能設(shè)計要反映下肢骨骼的運動特點。人體生物骨骼的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、運動形式和步行的運動特征都是外骨骼設(shè)計的基本依據(jù)。通過分析人體骨骼模型和關(guān)節(jié)運動建立人體簡化模型。通過分析步行特征初步掌握關(guān)節(jié)運動協(xié)調(diào)規(guī)律。采用簡化模型分析人體運動學(xué)特性。通過這些特征的研究，合理設(shè)計出穿戴舒適、運動靈活可靠的外骨骼機(jī)構(gòu)，使其與人體運動達(dá)到協(xié)調(diào)統(tǒng)一。 無論機(jī)構(gòu)如何進(jìn)行空間構(gòu)型設(shè)計，都必須要穿著于人體的框架 之上，并要求 保持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與人體形態(tài)的相互統(tǒng)一，滿足人體運動的空間需要。因而機(jī)構(gòu)構(gòu)型 的空間設(shè)計首先必須滿足人體骨骼的基本框架。因為人體結(jié)構(gòu)的主架是骨骼，骨 骼具有不可變性，所以機(jī)構(gòu)在進(jìn)行構(gòu)型空間設(shè)計時，首先要考慮骨骼的形狀和位 置，這些是機(jī)構(gòu)構(gòu)型空間設(shè)計的不變因素。本章就以上問題進(jìn)行了深入討論。 人體下肢骨骼模型 骨骼最基本機(jī)能是支撐和運動，而關(guān)節(jié)是骨與骨間的連接部分，決定著骨骼 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計 14 運動鏈的運動形式。人體下肢的骨骼運動鏈?zhǔn)且孕D(zhuǎn)為主的串并聯(lián)混合結(jié)構(gòu)。人 體下肢骨骼運動包含了豐富的機(jī)構(gòu)運動學(xué)問題 。建立下肢隨動外骨骼機(jī)構(gòu)模型要 以生物骨骼運動模型為基礎(chǔ)。 骨骼的運動與下肢關(guān)節(jié) (1)下肢骨骼與關(guān)節(jié) 研究人體運動學(xué)，首先必須確立參考系。通常臨床醫(yī)學(xué)、體育學(xué)及人體運動 學(xué)研究使用三維坐標(biāo)系統(tǒng)如圖 21 所示 :參考系包括三軸和三面 :矢狀軸、冠狀 軸 (額狀軸 )、垂直軸 。矢狀面、冠狀面 (額狀面 )和水平面 (橫切面 )。在該參考系下，通常把關(guān)節(jié)的基本運動形式分為屈曲 /伸展、內(nèi)收 /外展、回旋和環(huán)轉(zhuǎn)等。 圖 21 人體基本平面及軸線 圖 22 人體下肢骨骼與關(guān)節(jié) 如圖 22 所示，決定下肢運動狀況的主要關(guān)節(jié)包括 :骸關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，均屬于活動關(guān)節(jié)。其次，腳部和踝部還包括一些不動和少動關(guān)節(jié)，也具有一定的調(diào)節(jié)功能。為簡化起見，外骨骼的設(shè)計不考慮這些關(guān)節(jié)。 骸關(guān)節(jié)是由一個球形股骨頭與凹形的骸臼組成的桿臼 (球窩 )式滑膜關(guān)節(jié)，是典型的三軸關(guān)節(jié)或稱多軸關(guān)節(jié)，具有 3DOF，即可在三個相互垂直的運動軸上做屈伸、收展、旋轉(zhuǎn)等多方向的運動，是全身位置最深的關(guān)節(jié)，構(gòu)造既堅 固又靈活，將軀干的重量傳達(dá)至下肢，具有重要的負(fù)重和活動功能。伸屈活動時，股骨頭沿橫軸在骸臼內(nèi)旋轉(zhuǎn)，但大腿內(nèi)外旋轉(zhuǎn)時，是以股骨頭中心至股骨踝間凹連線作為其活動的軸心。因此，股骨頭在骸臼內(nèi)還有極為微小的滑行。骸關(guān)節(jié)的活動受到肌肉韌帶限制，其運動范圍如下 :前屈 130 度到 150 度 。后伸 10 度到 15 度 。內(nèi)收20 度 30 度 。外展 30 度 45 度 。外旋 40 度到 50 度 。內(nèi)旋屈骸時為 40 度到 45 度。 膝關(guān)節(jié)由股骨下端、脛骨上端和骸骨構(gòu)成，是人體最大最復(fù)雜的關(guān)節(jié)，屬滑 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計 15 車球狀關(guān)節(jié)，能做屈伸運動，屈可達(dá) 130 度，伸不超過 10 度 。在屈膝狀態(tài)下又可作屈位微小的旋內(nèi)、旋外運動。在正常步行中，由于屈膝幅度不會很大，屈位微小，在一般的建模中，均忽略旋內(nèi)、旋外的微量運動以簡化設(shè)計。由于膝關(guān)節(jié)受到內(nèi)外交叉韌帶和脛側(cè)、胖側(cè)副韌帶的限制，不能外展、內(nèi)收。因此，膝關(guān)節(jié)簡化為單軸關(guān)節(jié)，具有 1DOF，繞額狀軸在矢狀面上屈伸。 膝關(guān)節(jié)的生理結(jié)構(gòu)也是球狀關(guān)節(jié)，嚴(yán)格上屬于球副，只是由于膝關(guān)節(jié)韌帶繃 緊的原因，只能在矢狀面運動，如圖 23 所示。嚴(yán)格的實驗表明，膝關(guān)節(jié)運動是 矢狀面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)與滑移的復(fù)合。但由于滑移量非常小，因此不予考慮。 圖 23膝關(guān) 節(jié)結(jié)構(gòu) 踝關(guān)節(jié)由脛骨遠(yuǎn)側(cè)端關(guān)節(jié)面，胖骨遠(yuǎn)側(cè)端關(guān)節(jié)面和距骨滑車關(guān)節(jié)面構(gòu)成，為 屈戌關(guān)節(jié)，運動軸在橫貫距骨體的橫軸上。踩關(guān)節(jié)運動的方式是由距骨體滑車關(guān) 節(jié)面的形狀所決定的，活動范圍較小，能做足背屈、足庶屈和內(nèi)翻、外翻運動。 在矢狀面背屈 10 度到 20 度，蹈屈 25 度 30 度。蹈屈時還可有輕微的旋轉(zhuǎn)、內(nèi)收、 外展與側(cè)方運動。踝關(guān)節(jié)在矢狀面的屈伸運動軸由內(nèi)上向外下微傾，踝背伸時足 外旋，蹈屈時，足內(nèi)旋。旋轉(zhuǎn)范圍 13 度 25 度，踝關(guān)節(jié)運動保證了足底支撐力向 腿部骨骼的傳遞，在行走、上下樓梯、登山及跳躍時均有重要作用。 值得注意的是，上述這些關(guān)節(jié)發(fā)生在任何一個平面內(nèi)的運動都必然伴隨著其 他兩個平面的運動，形成所謂的步行復(fù)合運動，這也是步行運動復(fù)雜性的體現(xiàn)， 是仿生下肢設(shè)計的難點問題。 (2)步行運動序列 一個完整的行走循環(huán)周期即為一個跨步，一個跨步包括了兩個步長。如圖 穿戴式機(jī)械腿機(jī)構(gòu)設(shè)計 16 24 所示，步行的一個跨步分為單相支撐期和雙相支撐期兩個階段。單腿支撐相 期間表現(xiàn)為一條腿接觸地面，另一條腿處于擺動中，因此這一時期又被稱為某條 腿的擺動相。它從一只腳離開地面開始到同只腳與地面發(fā)生碰撞結(jié)束。在人的步 行運動中，單腿支 撐相占跨步時間的 80%90%。雙腿支撐相是兩條腿同時接觸 地面的時期，在人的步行運動中，這一狀態(tài)只占跨步周期的 10%20%。由圖 24 可見，單相支撐期長而雙相支撐期較短。就單下肢腿而言，又分為支撐相和擺動 相，如上所述，在單相支撐期，有一條腿占用一部分跨步時間和地面接觸，即為 支撐相，該腿為支撐腿，可以支撐身體以及改變前進(jìn)速度。同樣，另一條腿占用 一定的跨步時間向前擺動，作為擺動相，處于擺動相的腿成為擺動腿，這期間擺 動腿離開地面向前擺動至下一個支撐相。在一個跨步中左右腿均分別占有一個支撐相和一個擺動 相，但支撐相和擺動相的時間一般不相同。因此兩腿運動的相互 關(guān)系常常是定義運動模式的一個因素。例如，跑動中左右腿的運動就是完全不同 步的，而跳躍中兩腿的運動就完全是同步的。 圖 24 單腿步行運動序列及狀態(tài)劃分 從力學(xué)特性來看，當(dāng)人在行走時，通過后腳對地面的作用而獲得地面對人的 推力，從而產(chǎn)生向前的加速度。當(dāng)人的前腳著地的時候，地面對人的作用是阻礙 其向前運動的，因此，會使人產(chǎn)生負(fù)的加速度，即人做減速運動。人在不斷地邁 步前進(jìn)的過程中，推力在做周期性的變化，加速度也就做周期性的變化。隨著重心的前移 ，最終完成向前跨步動作。 步行中相關(guān)運動參考點的運動軌跡是描述步行運動的又一指標(biāo)。關(guān)節(jié)點的軌 跡曲線是行走的時