空間六自由度外骨骼負(fù)重助力裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

王玉杰 楊嘉凱 王曉洋 王磊

摘要：外骨骼，又稱動(dòng)力裝甲或動(dòng)力服，是一種由外骨骼框架組成且可讓人穿戴的機(jī)器，其中動(dòng)力裝甲更傾向于軍用，融入了先進(jìn)的控制、信息和通信技術(shù)的人-機(jī)系統(tǒng)，可以為穿戴者提供防護(hù)、支撐作用，并提供一定的輔助動(dòng)力，大大增強(qiáng)人體自身能力。

關(guān)鍵詞：外骨骼；助力裝置；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；有限元分析

1 引言

軍事上，隨著單兵裝備的不斷升級(jí)與增加，士兵的負(fù)擔(dān)也越來越重。在沉重負(fù)荷下，士兵難以開展靈活的運(yùn)動(dòng)，而且負(fù)載過重會(huì)導(dǎo)致士兵體力下降，身體機(jī)能變?nèi)?，從而使抵抗力降低，最終使士兵戰(zhàn)斗力下降而無法參與戰(zhàn)斗。

而外骨骼機(jī)器人可提高士兵的承載能力、越障能力，從而提高士兵的單兵作戰(zhàn)能力。迄今為止，仿人機(jī)器人的發(fā)展大大提高了機(jī)器人的智能，但這種智能非常有限。外骨骼機(jī)器人的出現(xiàn)很好的解決了這一問題，它能夠有效的實(shí)現(xiàn)人的智能與機(jī)械力量之間的結(jié)合，增強(qiáng)了人類力量、速度和耐力。

2 總體方案介紹

外骨骼式助力機(jī)器人要能夠與人體之間產(chǎn)生緊密地機(jī)械耦合，作為牽引機(jī)構(gòu)與肢體共同完成協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，其設(shè)計(jì)上主要考慮以下原則：

1）輕便、整體尺寸適中，易于驅(qū)動(dòng)元件的配置；

2）具有足夠的強(qiáng)度和剛度來承受其自身與人體的載荷；

3）作為人體全身的外包圍結(jié)構(gòu)，外骨骼式助力機(jī)器人的各部分尺寸、各關(guān)節(jié)位置及自由度分配等應(yīng)與人體真實(shí)尺寸盡量一致。

3 材料選型

普通的外骨骼式全包圍結(jié)構(gòu)在加強(qiáng)對(duì)人體的支撐和保護(hù)作用的同時(shí)也增加了機(jī)器人本體的重力。因而，針對(duì)普通串聯(lián)機(jī)器人負(fù)載低、末端剛度差的特點(diǎn)，我們選擇航空超硬鋁材料，并設(shè)計(jì)為外骨骼式雙邊結(jié)構(gòu)，這種特殊的結(jié)構(gòu)不僅減輕了機(jī)械臂自身重力又保證了剛度，同時(shí)能夠減輕視覺厚重感，容易為患者所接受。

4 自由度配置

作為軍事應(yīng)用裝置，要求整體結(jié)構(gòu)盡量緊湊，整體尺寸盡可能小，從而減輕機(jī)器人自身視覺厚重感及增加便攜性。從機(jī)器人外形尺寸、外觀緊湊的角度出發(fā)，肩部屈伸及外展內(nèi)收自由度驅(qū)動(dòng)電機(jī)均由雙鋼輪諧波減速器與機(jī)構(gòu)連接并放大驅(qū)動(dòng)力，肘部屈伸自由度動(dòng)力傳遞方式與肩部相似，并利用椎齒輪傳動(dòng)系改變驅(qū)動(dòng)力方向。

腕關(guān)節(jié)屈伸自由度驅(qū)動(dòng)器件隱藏于中空手柄中，通過同步帶傳動(dòng)。

機(jī)器人構(gòu)型簡潔，結(jié)構(gòu)緊湊，銀白色的噴漆處理增強(qiáng)了美觀程度及被患者接受的程度。

5 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)的正確性，以平地行走為例，將曲線和樣機(jī)模型導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行驗(yàn)證。人體軀干長度依據(jù)GB10000-88（中國成年人人體尺寸）設(shè)定，人體慣性參數(shù)依據(jù)GB/T17245-2004（成年人人體慣性參數(shù)）設(shè)定，為模擬士兵行軍時(shí)的負(fù)重，在外骨骼機(jī)器人的腰帶上面放置64kg重物，外骨骼機(jī)器人的材質(zhì)設(shè)定為碳纖維。將人體模型和外骨骼模型裝配起來。

由仿真結(jié)果，分別得到了一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)兩腿各關(guān)節(jié)的力矩變化曲線。將各關(guān)節(jié)的力矩曲線以導(dǎo)入ADAMS中，作為樣機(jī)各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩，在樣機(jī)和地面之間設(shè)置impact接觸，并將大腿和足部的綁帶簡化為剛性連接，可以看到樣機(jī)模型能夠在ADAMS里面順利平穩(wěn)的行走起來，各關(guān)節(jié)的角度變化曲線如圖所示，基本符合人體行走各關(guān)節(jié)的角度特性。

6 有限元分析結(jié)果

外骨骼機(jī)器人髖關(guān)節(jié)是主要承受力關(guān)節(jié)，在各位姿轉(zhuǎn)變時(shí)刻，均是髖關(guān)節(jié)承受的力較大。外骨骼結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度都應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，即最大應(yīng)力和最大變形均在材料許用值范圍內(nèi)。

有限元分析顯示了外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)在約束和載荷的強(qiáng)度和剛度特性，具體分析結(jié)果如下：

1、該外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值為624.79MP，出現(xiàn)在右側(cè)髖關(guān)節(jié)處。

2、外骨骼機(jī)器人整體最大變形為0.0087999mm 出現(xiàn)在右側(cè)髖關(guān)節(jié)處。

3、外骨骼結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布較為均勻，主要集中在62-260MP之間

有限元分析結(jié)果表明：整套外骨骼裝置最大可承擔(dān)負(fù)重為63.7Kg。人體感知重量為13.2Kg。

7 總結(jié)

人體外骨骼技術(shù)是近年來的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，屬于特種機(jī)器人的范疇，其研究內(nèi)容包括外骨骼機(jī)械裝置、人-機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、多傳感器信息融合理論、人體運(yùn)動(dòng)意圖的判別及控制方法等方面。隨著對(duì)外骨骼機(jī)器人的不斷研究與認(rèn)識(shí)，人們對(duì)于其機(jī)構(gòu)與控制方面的設(shè)計(jì)也越來越好，且更加著重于追求人機(jī)一體化。

參考文獻(xiàn)：

[1]瞿暢，吳炳，陳厚軍，于陳陳，沈芳.體感控制的上肢外骨骼鏡像康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)[J/OL].中國機(jī)械工程，2018（20）：1-5[2018-10-24].

[2]李劍鋒，趙朋波，張雷雨，陶春靜，季潤，劉鈞輝.一種新型自適應(yīng)康復(fù)外骨骼機(jī)構(gòu)及重力平衡優(yōu)化[J].工程科學(xué)與技術(shù)，2018，50（05）：263-270.