下肢外骨骼助力裝置結構與動力學分析

劉秀華 閆磊

摘 要：隨著科學技術的進步和人們對于增強自身能力的渴望，下肢外骨骼助力機器人已成為國內外“人機一體化”的一個重要研究方向。文章介紹了下肢外骨骼助力裝置的研究意義，具體闡述了下肢外骨骼助力機器人整體結構的設計、及動力學分析等。通過實驗仿真驗證驅動電機選型的可靠性。全面闡述了下肢外骨骼助力機器人的結構設計方案。

關鍵詞：下肢外骨骼機器人；結構設計；動力學；仿真

引言

現在的交通越來越發達，人們可以用各種各樣的交通工具來運載重物以及幫助人們到達目的地，但是在自然界中許多崎嶇不平甚至很陡峭的地方交通工具也很難到達；隨著時代的發展，老齡化問題也越來越嚴重，越來越多的老年人需要被照料；再者，殘疾人士（更多的是下肢癱瘓或者行走困難的人）也需要借助一些工具來適應這個世界，因此開發出一些操作簡單、價格合理的智能機械裝置用于幫助人們運載重物、輔助老年人以及殘疾人，幫助他們照料自己或者進行康復訓練無疑是解決目前老齡化問題的一個有效措施。下肢外骨骼助力系統實質上是一種可穿戴的人機一體化系統，其以人為核心，由穿著者進行控制操作，所以機械結構的設計需要盡量的擬人化，這樣才能更好的配合穿戴者完成任務。

1 結構設計

1.1 結構設計原則

根據下肢外骨骼機器人可穿戴性的特點，在對其機械結構進行設計時，應當充分考慮以下四個設計原則。（1）安全可靠。由于下肢外骨骼機器人的使用對象是人，所以機械結構應當保證機器人在正常使用的時候和出現故障時，都能較好地確保穿戴者的人身安全。（2）擬人化設計。機械結構應盡量模擬真實的人體下肢運動關節及大小腿骨；在自由度配置和各關節的設計上，盡力滿足人體下肢關節活動范圍要求。（3）可伸縮性。由于不同的人的身材不同，因而其下肢的幾何尺寸也不相同。因此，要求機械腿的長度在一定范圍可調，提高下肢外骨骼機器人的通用性。（4）堅固耐用、輕巧便攜。下肢外骨骼機器人在使用時，即要承受其自身重量又要承載穿戴者的重量，同時還需承受外界的剛性沖擊[1]。

1.2 整體結構設計方案

人的行走、起立、坐下等下肢動作是由髖、膝和踝關節的相互運動而成的]，而人在行走過程中驅動力最主要是由髖關節和膝關節提供，因此文章確定髖、膝關節的屈/伸自由度為主動自由度，稱髖關節和膝關節為主動關節；髖關節的內收/外展、旋內/旋外以及踝關節的背屈/趾屈作為被動自由度，使其隨穿戴者自由運動。文章以輔助穿戴者行走為主要設計目標，提出一種輕便型結構設計方案：（1）驅動設備采用直線推桿電機，利用推桿電機輸出直線運動的特點，優化設計主動關節結構；（2）設計主動關節零部件將推桿電機的直線運動和推力轉化為主動關節的屈/伸運動和扭矩；（3）大小腿連桿和腰托結構均采用可伸縮式設計，即大小腿連桿和腰托結構分別設計成帶有調整滑塊的兩段，提高機器人的穿戴者身材兼容性；（4）在腰托結構上實現髖關節被動自由度；設計踝關節結構實現背屈/趾屈被動自由度，簡化機械結構；（5）腳底采用兩段式設計，兩段中間加入簧片，提高人體穿戴舒適性；（6）整體機械結構由鋁合金材料打造，剛度好，重量輕。

2 動力學分析

文章選擇在三維建模軟件Solidworks中建立使用者穿戴下肢外骨骼機器人的三維模型，并利用數據轉換技術將其添加到 ADAMS中進行動力學仿真，如圖1所示。

仿真的步驟如下：（1）在Solidworks中建立穿戴者穿戴下肢外骨骼機器人的三維虛擬樣機模型，并保存成Parasolid格式文件；（2）通過數據轉換技術將Parasolid格式文件導入到ADAMS中；（3）設置仿真參數，運行仿真。

下肢外骨骼機器人是一種由腰部連桿、大小腿連桿、腳掌連桿以髖、膝、踝關節連接成的串聯機器人，為了方便進行動力學分析，文章將該機器人的各連桿簡化為矢狀面內的剛性連桿結構（其中腰托連桿為實際行走時腰托結構在矢狀面內的投影），將主動關節的屈/伸及踝關節的背屈/趾屈運動簡化為轉動副。

根據所設計的機器人機械結構，建立髖關節運動機構模型如圖2所示，計算機器人髖關節運動范圍。

在該模型中關節旋轉件簡化為桿AB；大腿連桿和與其固連的電機支架簡化成“L”型桿件BCD；推桿電機簡化成滑塊機構AD。

根據圖2，已知AB、BC、CD、AD，設髖關節屈/伸運動角度為？琢“伸”為“-”），電機伸縮量L=AD-AD'。

由反三角函數關系可以得出：

由三角函數關系可以得出：

則結合式（1）和式（2），可得：

（3）

根據式（3）得出電機伸縮量與髖關節屈/伸運動角度的關系，即可得出所選的電機合適與否。

如圖2所示，推桿電機的推力F可分解為垂直于“L”型桿件BCD的Fy和平行于BCD的Fx；

My=Fy.D'C'

由上式即可得出推桿電機的推力F與髖關節驅動扭矩的關系，再根據仿真得出的扭矩結果，即可算出推桿電機的推力F。電機伸縮量與膝關節屈/伸運動角度的關系的算法以及推桿電機的推力F與膝關節驅動扭矩的關系與髖關節類似，不再贅述。

3 結束語

文章詳細介紹了下肢外骨骼助力機器人核心部件的設計方法以及整體結構圖，并對該機器人進行仿真和動力學分析，完成機器人驅動推力受力分析，并根據仿真結果計算出所需最大推力。

參考文獻

[1]王志鵬，郭險峰.穿戴式下肢外骨骼康復機器人機械設計[D].北京航空航天大學，2012.

[2]熊冰.人體下肢運動學和動力學的研究[D].天津輕工業學院，1999.