仿生踝关节装置的建模与分析绪论

绪论1.1引言作为机器人研究领域最前沿的问题之一，模拟人类行走的双足步行机器人集机械、控制、人工智能等多门学科于一体，反映着一个国家智能化和自动化研究的水平，是发达国家重点研究开发的技术之一。双足步行机器人的出现与仿生技术研究密切相关。仿生学是今年来发展起来的工程技术与生物技术相结合的交叉学科，其试图在技术方面模拟动植物在自然坏境下的卓越功能。仿生学在机器人研究领域内的应用目的，是制造出可以代替人类从事恶劣、危险环境下工作的仿生机器人。而模拟人类双足直立行走的机器人，更是整个仿生机器人领域的一个重要部分。要想使双足步行机器人最大程度上模拟人类的行走，首先要充分了解研究人下肢各个关节的生理结构及其在双足步行过程中的运动机理，才能使双足机器人更具有人类步行的特点。在人类步行过程中，连接脚和小腿的踝部关节是至关重要的关节之一，其不仅起到承重作用，而且在人类步行的灵活性上起着积极的作用，所以研究人体踝部关节对设计双足步行机器人有直接的借鉴意义。而随着社会的发展，伴随各种运动的产生，人类踝部关节不断承受各种各样的冲击，使得踝部关节成为运动损伤中最易受伤的关节之一。因此踝部关节的运动损伤和力学特性一直受到医学界的关注，康复医学工程领域内，踝部关节康复机构的设计也离不开对生理踝部关节的研究。因此仿人踝部关节机构的研究，对医学和康复医学工程也有一定的借鉴意义。1.2国内外研究现状（1）近几年高性能仿人双足机器人已成为国内外机器人领域内的研究热点，在站立、行走、跑、跳等理论和实践方面取得了一些卓有成效的成果，开发了多种结构的仿人机器人[1-9]。国外大多数仿人机器人的各关节采用谐波减速器+直流伺服电机控制，其中踝关节具有两个自由度，前摆和侧摆两个关节轴线垂直相交(胡克铰)，通过结构解耦实现运动解耦，便于采用伺服驱动和控制[8]，这种自由度配置及其驱动方式的踝部结构复杂。公开的踝关节结构有许多种机器人中用到，主要由日本HONDA公司推出的仿人机器人ASIMO-Ⅲ，日本索尼公司推出的SDR-4紧凑型仿人机器人，川田工业株式会社（Kawada）和我国清华大学研制的THBIP-II[10]，（图1-1）美国麻省理工学院的M2[11]双足机器人能够实现3D被动动态行走，其踝关节也采用2个自由度的胡克铰机构。其它如波士顿动力学公司研制的液压驱动类人双足机器人PETMAN及PETMANII（Atlas），哈尔滨工程大学研制的两足步行机器人HEUBR_1[12]，踝关节都采用了并联机构驱动方式的2自由度机构。（图1-2）M2PETMAN-IIBIP2000HEUBR_1图1-2踝关节采用胡克铰机构及并联驱动方式的仿人机器人Ohio大学郑元芳博士研制出的双足步行机器人SD-2[13]具有两个踝部关节自由度，且两关节轴线呈现串联、空间垂直交叉的布置方式。与此类似的有我国国防科技大学研制出我国第一台类人型双足步行机器人“先行者”[14]，哈尔滨工业ASIMO-ⅢSDR-4THBIP-II图1-1采用胡克铰踝关节的仿人机器人大学研制的HIT-III[15]双足步行机器人。（图1-3）SD-2先行者HIT-III图1-3采用空间垂直交叉踝关节机构的仿人机器人综上所述，受驱动和控制困难所限，现有仿人机器人踝关节机构大多采用相邻轴线垂直交叉于一点或空间垂直交叉的转动轴线，驱动大都采用电机+齿轮、滚珠丝杠或连杆机构等刚性传动方式。（2）踝关节损伤或手术之后，如何使踝关节尽快恢复其机能，无疑也是一个重大的课题，国内外很多学者都开始研究踝关节康复机构，SalterR.B.等[16-17]研制的R机构、RR机构及RR/RRR并联关节机器人，均能实现踝关节符合康复要求的训练。踝关节可以实现内翻/外翻、背屈/趾屈、外展/内收的复合运动，为了实现踝关节3个自由度的康复训练，刘更谦、赵铁石等[18-19]应用3-SPS/S、3-PSS/S、4-SPS/S等并联机构开发踝关节康复机器人，这些机构满足了踝关节进行复合康复训练对自由度的要求且其驱动电机可固定安装。美国新泽西大学研制的基于Stewart机构，具有6个自由度的并联踝关节康复机器人[20]，李丹[21]提出了4-UP(Pe)S/S生物融合踝关节康复机器人，其机构系统由简化为球副的人体踝关节和机械本体共同构成，能够实现以踝关节为转动中心的康复训练。而边辉等[22]提出的一种2-RRR/UPRR踝关节康复机器人（图1-4、图1-5），实现了踝关节中心与康复器运动中心始终一致，更利于踝关节的快速康复，避免二次损伤。路光达等[23]研制的3-RSS/S并联机构踝关节康复机器人（图1-6、图1-7）。踝关节康复机器人还有段学习等[24]研制的4-UP(Pe)S/PS机构的踝关节康复机器人（图1-8）；边辉等[25]研制的并联球面机构的踝关节康复机器人（图1-9）；黄海灵等[26]研制的基于柔索机构的踝关节康复机器人（图1-10）；印松[27]研制的3-PUS/S机构的踝关节康复机器人（图1-11）；候娅品等[28]研制的齿轮机构的踝关节康复机器人（图1-12）；国外还有J.E.Deutsch等[29]研制的（图1-13），奥克兰大学的踝关节康复并联机器人[30]（图1-14），Krebs,H.I.[31]研制的（图1-15），CNR-ITIA[32]研制的（图1-16）以及Z.M.Bia[33]研制的踝关节康复机器人（图1-17）。图1-42-RRR/UPRR并联机构简图图1-52-RRR/UPRR踝关节康复机器人样机图1-63-RSS/S并联机构简图图1-73-RSS/S踝关节康复并联机器人样机图1-84-UP(Pe)S/PS踝关节康复机器人样机图1-9并联球面机构踝关节康复机器人模型图1-10踝关节康复机器人总体设计图图1-113-PUS/S机构球面运动型机构图1-12系统机构立体图图1-136自由度踝关节康复机器人样机图1-14踝关节康复并联机器人样机图1-15人脚踝关节康复机器人模型图1-16并联踝关节康复机器人原型图1-17踝关节康复机器人三维模型1.3课题主要研究目的及意义（1）仿人机器人是近年来发展起来的一个多学科和技术相交叉结合的应用领域。实现仿人机器人的自然、动态行走是各国研究仿人机器人的重要研究领域之一，近年来受到了众多科学家和工程师的关注。仿人机器人的步行能力既受控制与传感系统影响，也依赖于其机械结构(自由度)的运动学特征。虽然目前现有机器人能实现稳定行走，但其踝部关节在运动和结构、质量的总体优化方面还有一定的欠缺，比如，三自由度踝部关节质量过重，结构复杂，二自由度踝部关节运动不灵活。与实际人体踝部关节运动功能差距较大，拟人性不强。（2）康复医学工程领域内，通过对生理踝部关节的研究，开发具有仿生特征踝关节辅助康复装置，对于医学和康复医学工程有重要意义。机器人应用于康复领域，越来越受到人们的关注。（3）根据2010年国务院残疾人工作委员会公布的抽样调查数据显示，全国各类残疾人总数为8296万人，占全国总人口6.34%，其中肢体残疾人数为2412万人，截肢人数为226万，占残疾人总数2.72%。假脚作为人体下肢假肢的重要组成部分，在现有医疗水平尚不能使肢体再生的情况下，为了帮助肢体残疾者恢复一定的生活自理能力和工作能力，提高其生活质量，为残疾人开发和研制现代化舒适的假肢产品，就成为当前国内外假肢行业的一项重要而艰巨的任务。（4）虽然在近几十年理论研究和实用产品设计方面也有很大的发展，但是与髋、膝关节假肢设计相对比，人脚作为人体下肢关节的重要组成部分，也是最为灵活的部分，一直以来研究都比较滞后，相关的假肢踝关节产品未能很好的满足假肢患者的需求。因此，对于踝关节的研究具有重要的意义。（5）仿人踝关节辅助康复装置的研发采用柔性电机+弹簧驱动机构可使机构实现仿人脚运动，满足人体脚部灵活性要求。这种装置结构简单，成本低，可应用假肢踝关节，服务残疾人事业，具有广阔的应用场景。也可用于仿人机器人的脚部机构，开发出运动灵活的探险、娱乐仿人机器人。1.4论文的主要研究内容第1章介绍了踝关节康复辅助装置的国内外发展状况，指明了研究该课题的意义。第2章介绍了自主开发的一种基于球销副的踝关节辅助康复装置，它具有2个自由度却能近似实现仿生踝关节的三位运动。并说明了它的结果及工作原理。第3章则是对该机构进行数学建模并进行运动学分析。由于该机构是刚柔组合机构，分析时运用牛顿第二定律对弹簧部分进行分析。第4章是运用Recurdyn仿真软件对所研究的机构进行仿真，验证所进行的运动学分析正确与否。第5章对本文所做工作进行总结，提出不足之处以及接下来进行研究的方向。