可穿戴式外骨骼机器人踝关节的设计与分析

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1、·第一章绪论第一章绪论1.1外骨骼机器人研究的意义随着生活节奏的加快，发生交通事故的几率越来越大，随之而来的是由于交通事故导致的伤残，它们多为肢体骨折、错位甚至断肢；近些年来，心脑血管等疾病的发生概率也在逐年上升，这些疾病冲击人体的脊髓神经导致肢体的功能性障碍，使得他们也无法过上正常人的生活[1]。据2006年第二次全国残疾人口抽样调查，全国有各类残疾人士8300万，其中肢体残疾人士有2400万，占总残疾人士的29%[2]。人口老龄化已经是现在人员组成的趋势，目前世界上60岁以上的人口已经达到6亿。而在中国2010年就有1.5亿60岁以上的

2、老年人，而且每年任意3%的速度在增长；预计到2020年，老年人口数将达到2.5亿，老年化水平将达到16.6%，其中80以上的老年人口数为3060万，占老年人口数的12.4%[3]。图1-1中国老龄化走势图Fig1-1China'sagingcharts1···第一章绪论如此庞大的数量的残疾人和老年人，他们行动不方便，需要其他人员的照顾，这就给社会和家庭带来了非常大的困扰，试想如果有一台装置帮助残疾人和老年人实现正常的生活，这能给社会带来多大的方便，能在身体和精神上帮助残疾人和老年人，从而减轻许多年轻人的负担，使他们得以解放出来，有更多的精力

3、投身到社会主义事业当中去。面对这一基数庞大的人群，国家也在努力寻找解决方法，在不断提高医疗水平的同时大力支持技术科研领域，尤其是在康复机器人领域。可见外骨骼康复机器人的研究对造福人类、巩固社会稳定都有着巨大的作用，外骨骼机器人的发展和应用有着很好的前景。1.1国内外研究现状16.6国外研究现状如图1-2所示，该款机器人为美国通用公司研发的Hardiman外骨骼机器人。它采用的是最经典的电机驱动，该项发明的主要目的是为了帮助残疾人士实现正常的行走。电机驱动可以使穿戴者在这套装置的帮助下很容易的举起逼自己重的多的物体。但是由于这套机械过重，穿在

4、穿戴者身上会导致圣体失去平衡，并且该装置操作起来过于复杂，基本上没什么人能够驾驭这套机械，最终美国通用电气公司放弃了对它的研究[4]。图1-2Hardiman外骨骼机器图1-3BLEEX外骨骼机器人在两千年前后，处于研究领域的零头地位的美国对外骨骼机器人进行着大2···第一章绪论量的研究，美国加州大学就在2004年研发出了一款在当时较为先进和成熟的下肢外骨骼机器人BLEEXCBerkeleyLowerExtremityExoskeleton，如图1-3所示。BLEEX外骨骼是帮助穿戴者背负更大重量的物品，它采用的是液压传动，液压传动也许要一

5、套完整的转置，它就存放在人体背部的大容量背包中，也可以绑缚在腰间。BLEEX外骨骼机器人的一条腿就有多达7个自由度，在运动进度相对较高的髋关节和踝关节处都分有三个自由度，在髋关节出它能实现单腿的内旋外旋、内收外展以及伸直弯曲，在踝关节处三个自由度能帮助踝关节完成趾屈和背曲，内旋外旋和内收外展[5,6]。而在运动相对简单的膝关节处只有一个自由度仅能完成前伸后屈。BLEEX外骨骼整体上来看行形成了一个网络布局，有着多达40个的传感装置和驱动装置，而穿戴者需要根据所要完成的动作，对这些传感和驱动装置进行分配操作就能实现人体的跨步行走了。BLEEX

6、在背负重达150斤的物体时，还能实现1米每秒的行走，它的极限速度为1.3米每秒。洛克希德马丁公司紧接着就和加州的伯克利大学为基础的技术BLEEX共同开发了机器人外骨骼被称为HULC，如图1-4所示。HULCBLEEX许多相对简单的形状，但不减少的承载能力，其允许穿戴者带上20磅的重量，并能很好地减少穿用者的耗氧量，新的构架下，士兵能实现许多以前无法完成的任务，比如背负重物快速奔跑、快速匍匐，穿戴了新的外骨骼后，这些动作所消耗的体力将大大降低[7]。在装置储满能量后，穿戴者可以背负近50千克的东西，持续行走4-5公里，在物质运输上面提供巨大的

7、帮助，穿戴新型外骨骼后所能达到的极限速度为16km/小时，HULC的穿戴也很方便，只需30秒[8]。伯克利仿生技术公司于2010年10月推出由电池供电的外骨骼系统eLegs提供了一个研究，这种外骨骼系统可帮助脊髓损伤患者，在坐上轮椅后能重新获得行走，如图1-5所示。洛克希德·马丁公司的HULC外骨骼模型是基于HULC改造，eLegs外骨骼系统更轻巧。这款外骨骼装置能帮助患者正常行走，而且它还有一定的适应性，能适应身高在165-195厘米的穿戴者，但是体重不能超过100千克。eLegs容易穿戴，用户可以快速地穿上在两分钟内起飞。据伯克利仿生技

8、术公司表示，该外骨骼很薄，很轻，仅重20千克，操作方便。这款外骨骼装置只是一个外骨骼框架，他的控制装置在手拄的拐杖上，它的操作也相对简单。此外，除了帮助人们截瘫行走，而且还可以帮