机械结构与参数优化设计

1. 髂腰肌；2. 臀中肌；3. 臀大肌；4. 缝匠肌；5.阔筋膜张肌；6. 耻骨肌；7. 股薄肌；8. 长 收肌；9. 股直肌；10. 股四头肌；11. 股二头肌；12. 半腱肌；13. 半膜肌；14. 腓肠肌

图 2.3 大腿肌肉分布

根据人体生物力学可知，使髋关节屈的肌肉主要有髂腰肌、耻骨肌、缝匠肌、

阔筋膜张肌和股直肌，使髋关节伸的肌肉主要有臀大肌和腘绳肌。肌肉的分布位 置如图 2.3。

研究表明，膝关节具有两个自由度：屈/伸，旋内/旋外。但是由于旋内/旋外 的角度较小，通常在设计外骨骼时，忽略该自由度。使膝关节屈的肌肉主要有股 薄肌、缝匠肌、腓肠肌、腘绳肌，使膝关节伸的肌肉主要有股四头肌。

2.3.2 机械结构与参数优化设计

在国内外的下肢外骨骼设计过程中，很重要的一个设计参考数据是人体步行 的大数据，在 BLEEX 的设计过程中，就是参照 CGA（Clinical Gait Analysis）数 据确定各关节所需的力矩、关节速度等参数。尽管这样的参考数据并不是很适合 设计需求，但是却给外骨骼的设计提供了量化指标。

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在课题组自主设计下肢外骨骼的过程中，我们同样参照了 CGA 的步态数据进 行分析，图 2.4 是体重 75kg 的人以 1.3m/s 速度前行时的步态数据：

(a) 关节角度-时间曲线 (b) 关节力矩-时间曲线 图 2.4 CGA 步态数据

观察图 2.4(b)可以发现，约在 0.4s 脚跟着地时，膝关节力矩存在一个向下的 尖凸，该弯曲力矩保持小腿的弯曲姿态以承受脚跟着地的冲击，在支撑相初期，

即约 0.5s 时，力矩逐渐达到最大值，这是为了使膝关节保持直立以承受负载，在 支撑相末期，即约 1.4s 时，膝关节弯曲，力矩变为负值。膝关节的力矩值在 -35N.m~60N.m，因此需要双作用执行器，并且因为两个方向的力矩不一样且膝关 节伸直的力矩偏大，因此液压缸无杆腔输出力应使膝关节伸直。

观察图 2.4(a)可知，在 75kg 的人以 1.3m/s 的速度前行时，膝关节的活动范围 大约在-5°~70°，Jose 等人^[2]提出膝关节的活动范围约在 0°~160°，考虑到穿戴者 在爬楼梯或下蹲时需要较大的膝关节弯曲角度，以及为避免外骨骼膝关节角度太 大有可能导致的对人体膝关节的伤害，本文设计的膝关节矢状面内的活动自由度 为 0°~120°。

由于液压缸是线性执行器，采用类似于人体肌肉的布局方法，将液压缸的两 端分别安装在大腿和小腿上，图 2.5 是液压缸在膝关节的安装简图，其中液压缸 的无杆腔安装在 A 端，有杆腔安装在 B 端。

图 2.5 膝关节几何模型

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o o

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图 2.7 膝关节力臂曲线

（3）由式（2-12）初步确定了液压缸安装位置的比例关系后，安装角的确定 就成为必须要解决的问题，此时结合式(2-11)、式(2-12)，利用 MATLAB 进行分 析，得到下图：

图 2.8 力臂-角度关系曲线

由图 2.8 可知，当₁₂ 103^o时，力臂R最大，而且力臂随着角度的变

大先增大后减小，毫无疑问，最理想的情况应当是当 20^o时，力臂取最大值，

arccos( ) arccos( )

2 ( )

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（5）为了统筹考虑液压缸的长度、缸径及杆径，结合在一般的工业伺服系统 中，供油压力可在 2.5~14MPa 的范围内选取，在军用伺服系统中可在 21~32MPa 范围内选取^[129]。

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0.009m

rodD  (2-19)

借助于 MATLAB 分析液压缸杆径随膝关节弯曲角度时的弯曲力矩变化：

图 2.12 膝关节弯曲力矩变化曲线

通过以上分析，在确定了液压缸的基本尺寸及安装位置后，结合 CGA 数据，

借助于 MATLAB 来分析设计是否满足设计要求，由图 2.13 可知，优化后的膝关 节液压缸布置方式及液压缸参数能够提供充足的力矩使膝关节弯曲和伸展。

图 2.13 膝关节力矩-角度对比

通过上文分析，人体髋关节有三个自由度，由于外展/内收和旋内/旋外这两 个自由度都是起辅助作用的，因此课题组设计的第一代下肢外骨骼只在矢状面内 采用液压驱动^[130]。

观察图 2.4(a)可知，在 75kg 的人以 1.3m/s 的速度前行时，髋关节的活动范围 大约在-5°~22°，Jose 等人提出髋关节的活动范围约在-10°~114°，考虑到穿戴者在 爬楼梯或下蹲时需要较大的髋关节弯曲角度，以及为避免外骨骼髋关节角度太大 有可能导致的对人体髋关节的伤害，本文设计的髋关节矢状面内的活动自由度为 -10°~100°。结合图 2.4(b)可知，髋关节的力矩范围在-60N.m~40N.m，同样需要双 向驱动器。

课题组设计的第一代外骨骼的髋关节如图 2.14 所示，将平面四杆机构引入到 髋关节机构中，实现运动的放大，液压缸一端与图 2.14(a)中的平面四杆机构部件 3 相连，另一端与图 2.14(a)中的腰部 1 相连^[74]。尽管该机构的原理通过 SolidWorks 进行了运行位移、速度及加速度的分析，但在实际外骨骼穿戴时，出现了不能提 供足够力矩的问题，为此需要对该结构进行优化设计。

(a) 髋关节三维示意图 (b) 髋关节实物图 图 2.14 第 I 代髋关节结构

常用的运动放大机构包含：双曲柄机构、双摇杆机构和摇杆曲柄机构^[131]。机 构分析主要包含位移分析、速度和加速度分析，其中，位移分析可以进行干涉检 验、确定从动件行程、考察构件上特定点能否实现期望轨迹的要求。而进行速度、

加速度分析可以确定速度变化是否满足要求、确定机构的惯性力和震动等。课题

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通过测量三维图中的基本尺寸，借助于 CAD 软件，绘制简化后的四连杆机构二 维图：

3

1

2

x

x

x

y

y y

图 2.15 髋关节四连杆机构简化

图中l_AB 0.086m，l_BC 0.078m，l_CD 0.056m，l_AD 0.058m，l_AE 0.066m。 在确定了髋关节的尺寸后，开始对上述四连杆机构进行运动分析，该分析的目的 主要包含两个：第一为了确定机构的行程或外形尺寸，需要明确各构件处在机构 中的位置，以及构件上某些选定点的运动曲线；第二为了研究并评估机构的综合 性能，需要明确各构件的角速度等信息以及某些点的速度等运动信息。综上，运 动分析是联系、研究现有机构或优化整合机构的基本方法^[132]。

复数矢量法的原理是将机构当作一闭合的矢量多边形，并采用复数来建立该 机构的封闭矢量方程，再将上述封闭方程分别相对于所确定的直角坐标系进行投 影以解得未知运动参数的方法^[130]。引入复数矢量法进行分析，可得曲柄转角与摇 杆 角 度 的 对 应 关 系 ， 如 图 2.16(a)， 此时 假定 图 2.15 中 曲柄 旋转 角 度， 即

 

1 10 ,55^{o o}

  ，分析得出摇杆对应角度即图 2.15 中₃ ( 97 , 20 )^{o o} 。采用杆组法 分析四连杆机构的动态运动过程，如图 2.16(b)。

(a) 摇杆角位移运动特性 (b) 四连杆机构运动过程 范围为-5°~20°，据此可以得到髋关节液压缸的力臂极值分别为 0.025m 和 0.055m，

为了方便加工以及考虑到系统美观，髋关节液压缸的尺寸与膝关节相同，据此可

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寸并不改变：

3

1

2

x

x

x

y

y y

图 2.17 髋关节四连杆机构改进

同上文分析，借助式(2-21)，可得图 2.17 中对应摇杆在运动范围为-5°~20°时，

髋关节液压缸的力臂极值分别为 0.054m 和 0.065m，据此可以得到髋关节的最大 伸展力矩 82.5N.m 及最大弯曲力矩 132.7N.m，与式(2-20)相比，改进方案满足力 矩要求。除了矢状面的主动自由度进行了改进外，对于外展/内收及旋内/旋外自 由度上分别添加了弹簧片和扭簧，降低其被动自由度的灵活性。图 2.18 是改进后 的髋关节结构图。

图 2.18 髋关节三维图