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第一部分 介绍近年来，外骨骼被广泛用作人体运动的辅助手段。外骨骼不仅可以帮助老年人顺利走路，而且在医疗领域也可以帮助残疾人康复，减轻医务人员的负担。它也可以用于提高士兵的移动能力和援助受伤士兵的治疗[1]。 2004年由加利福尼亚大学伯克利分校设计并制造的机器人外骨骼BLEEX采用了自给式液压电源。BLEEX现在有两个原型，BLEEX_1和BLEEX_2。BLEEX_1可以成功承载34公斤的有效载荷，并以1.3米/秒的速度在跑步机上行走，而BLEEX_2可以承载45公斤的有效载荷，以高达2米/秒的速度行走。由筑波大学设计并制造的另一个机器人外骨骼HAL，由电池供电，重15公斤，可帮助残疾人士以4m / s的速度行走，甚至爬上楼梯，并提供额外的40公斤的有效载荷[2]。 在这里，我们介绍一种液压动力机器人外骨骼设计，旨在以更好的方式模拟人体下肢的运动。
第2节 液压控制这个机器人外骨骼利用液压系统来控制其运动。一条腿上共有三个液压缸，独立工作在臀部，膝盖和脚踝上，以控制整个腿部的运动。因此，采用三个微油泵来控制三个气缸以实现高精度的运动。对于每个气缸，欧拉角传感器收集数据并发送到微控制器。换向阀接收来自微控制器的反馈信号，可实现灵活的换向能力。油泵还接收反馈信号以改变转速。该液压系统经过测试，可以成功地反映人体运动的下肢。液压系统中液体的惯性有助于模拟人体下肢加速，减速和摆动的过程。图1。
第3节 机械结构本文提出了一种液压驱动的下肢外骨骼设计方案。整体设计如图2所示。 在图2中，顶部是设置在腰部上方的玻璃纤维板，安装有电池，液压系统部件和控制系统。如图3所示，玻璃纤维板通过滑动轴连接到腰部板。髋关节有三个自由度，其旋转轴与人体髋关节旋转轴正交。髋关节采用生物仿真结构，使膝关节的工作方式与实际的人体膝关节一样。踝关节部分有两个自由度，有助于更好地模仿脚踝的运动。液压缸为关节提供动力，以模拟肌肉的收缩和松弛。 经测试，该模型能够平稳移动，并有效地模拟人体下肢的运动。 图4和图5是磨损结果。一个处于静止状态，另一个处于静止状态。 b）膝关节结构设计目前大多数机器人将膝关节简化为一个旋转中心固定的双杆铰接膝盖，导致了不好的仿生特性。人体关节由具有多轴旋转特征的不规则骨骼组成[3]。双杆机制不能令人满意地模拟人体膝关节的运动。研究表明多杆机构可以更有效地模拟人体关节[4]。多杆机构可以提供与人类膝关节类似的更高的离地距离，因此获得更高的生物模拟度。 在此我们应用四杆机构来模拟人体膝关节。为了防止四杆机构的不切实际大的运动角度，我们增加一个螺丝来限制运动距离。图7显示了四杆机构膝盖。 我们对四杆机构的参数进行了优化，以确保外骨骼膝关节的良好功能，换言之，确保了四杆机构和人体腿部之间的高度相似性。更具体地说，就是要确保下杆端部和足迹之间的高度相似性。我们利用模拟计算得出最佳结果[5]。如果需要，请参阅引用4和引用5中的具体计算过程。模拟结束后，考虑到模型的实际情况，我们得到表1中下肢外骨骼的以下数据。 表1外骨骼下肢模拟数据表  上述数据以正弦波作为输入动机输入到Simulink中[6]。下肢运动参数如图8和图9所示。图8是外骨骼下肢末端摆动轨迹与人体摆动轨道小腿的比较。 从上图可以看出，用四杆机构证明，外骨骼的胫骨痕迹通常与人体运动的相同部分相匹配，并且有一个很小的误差。外骨骼胫骨的角度可以达到80度，这可以模仿人类的基本动作，包括腿部的速度趋势，这种趋势会先加速，然后再慢下来。其他因素通常与人类的腿部动作相匹配。但是当摆角超过50度时，受四杆铰链特性限制，摆速有变化。因此，特别需要加入一些螺钉等限位机构。 原型设计用于在传感器的帮助下收集四杆机构的摆动运动数据。图10是应用欧拉角传感器后原型膝盖的移动角度。据观察，原型膝盖的摆动角度可以达到80度，能够完成步行，坐姿等动作。 应用四杆铰链的膝关节如图11和图12所示。图11是拉伸状态，而图12是收缩状态。液压缸的一端固定在小腿上，另一端固定在大腿上。液压缸充当运动控制元件来控制腿的运动。限位机构位于大腿内侧，旨在限制摇杆位置，保证小腿不能向相反方向移动。
第4节 结论本文详细介绍了一种用于医疗目的的机器人下肢外骨骼，并详细说明了膝关节的四杆机构。膝关节的设计利用Simulink模仿真实的人体膝关节来获得适当的运动轨迹，角度和速度趋势。证明外骨骼的三个因素都与真人下肢高度匹配。 同时，外骨骼由一个微型液压系统控制，该系统使用独立的油泵控制气缸以激励外骨骼的下肢。经过测试，该计划可以提供更多的动力，减轻重量和精度的惯性。 致谢国家自然科学基金项目（51505069），中央高校基本科研业务费资助项目（N150308001），辽宁省科技计划项目（2015020150）。作者想感谢中国东北大学创新创业学院的支持。 |
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