一種外骨骼機器人的移動機架設計與仿真分析

周福鑫，楊家春，李健

（廣西科技大學，廣西 柳州 545000）

0 引言

隨著科學技術的發(fā)展，人們設計出針對下肢的外骨骼機器人[1]。在發(fā)展初期，外骨骼機器人主要用于軍事方面，用于提高士兵在遇到崎嶇復雜的山路、難以通過的復雜路段時的機動性和負載能力。隨著外骨骼技術的逐漸成熟，下肢康復外骨骼開始應用于殘疾用戶的輔助康復訓練，為殘疾患者提供關節(jié)助力，幫助患者進行屈曲、伸展訓練[2]。

下肢外骨骼康復機器人如今主要分為大型固定式康復機器人、獨立的背負式外骨骼和移動式下肢康復機器人。固定式康復機器人結構龐大，功能全面，主要面向無肌力或肌力較弱的用戶，無法為用戶提供真實行走體驗，受到康復訓練場地的局限。背負式外骨骼是用戶穿著在身上，進行康復訓練，增加用戶負重，不利于用戶進行下肢康復訓練。而移動式下肢康復機器人是將移動平臺與外骨骼進行組合，既能提供真實的行走體驗，又能減輕用戶負擔。

本文針對實驗室所研制的下肢康復訓練外骨骼[3]，設計了一款移動機架來承載外骨骼進行康復訓練，達到減輕用戶負擔并實現(xiàn)移動的目的。移動平臺通過分析外骨骼機器人在康復訓練過程中的工作狀態(tài)，通過Hyperwork對移動平臺進行有限元分析，驗證所設計的結構的承載穩(wěn)定性，為保證外骨骼關節(jié)驅動電動機在工作過程中不因共振而損壞[4]，對模型進行模態(tài)分析，計算在一階、二階模態(tài)下的固有頻率，為外骨骼康復機器人的搭載提供電動機選擇依據(jù)，避免因同頻振動損壞所搭載的外骨骼電動機，保證設備運行的安全性。為保證移動平臺的良好通過性，在遇到輕微顛簸時能夠順利通行，在MSC Adams中搭建虛擬仿真系統(tǒng)，當康復機器人以健康人的行走速度運行時，驗證機器人在遇到障礙時的抗傾倒性，保證用戶在使用過程中避免傾倒的危險。

1 結構設計

針對在使用過程中所需要服務用戶群體的范圍，根據(jù)《中國成年人人體尺寸》（GB/T 10000-1988）[5]中的成年人男性和女性的人體尺寸數(shù)據(jù)，設計寬度尺寸為1 m，選用304不銹鋼材質的圓管作為結構的主要支撐。圖1為外骨骼機器人的移動機架結構示意圖，機架主要由機身、萬向輪和外骨骼調節(jié)機構三部分組成，機身是由304不銹鋼管組成的U形結構，環(huán)繞用戶，給用戶充足的安全感；4個萬向輪分布在車身底面四角，給機架提供移動能力，選擇圖2所示具有雙剎車功能的萬向輪，既可以鎖定萬向輪轉動方向，進行直線行走，也可以解鎖實現(xiàn)全向移動，為用戶提供不同的行走方案；外骨骼調節(jié)機構如圖3所示，由蝸輪蝸桿升降機和絲桿滑臺組成，蝸輪蝸桿機構的自鎖功能[6]可以保持在固定高度不會發(fā)生變化。調節(jié)機構作為外骨骼與移動機架的鏈接部分，可以根據(jù)用戶身材和外骨骼結構的不同進行寬度和高度的調節(jié)。

圖1 移動機架示意圖

圖2 雙剎萬向輪

圖3 外骨骼調節(jié)機構

2 有限元靜力學仿真分析

在將外骨骼安裝在康復機器人進行使用的過程中，除了要考慮用戶使用的舒適性，最基礎的就是要保證外骨骼安裝的穩(wěn)定性和用戶使用的安全性。本文所表述的外骨骼移動機架是剛性結構，既要承受下肢外骨骼的質量，同時還要承擔用戶自身的部分質量。移動機架作為外骨骼和用戶的支撐結構，其穩(wěn)定性直接影響到其功能的可行性。本文通過Hypermesh對移動機架進行仿真，分析其結構穩(wěn)定性。

本節(jié)有限元分析主要分為4個過程：

1）本文主要研究對象為移動機架的結構穩(wěn)定性、抗變形能力，在進行仿真之前，在SolidWorks軟件中對結構中不起承重作用的部分進行幾何清理，避免因外界因素影響網格質量和仿真效果，而后將模型導入Hypermesh進行后續(xù)處理，同時選擇UNIT SYSTEM（單位系統(tǒng)）: mm, t,s, N。

2）對研究對象進行有限單元網格劃分。在主菜單中選擇3D下的tetramesh（四面體網格劃分）命令，選擇Volume tetra（體積四面體網格劃分）選項，單元尺寸設置為2，其余參數(shù)默認設置，最后點擊mesh，完成網格劃分。

3）有限元模型材料屬性參數(shù)設置。考慮到移動機架的使用環(huán)境，在設計時，選用304不銹鋼為主體材料。在Hypermesh中單擊Materials命令，打開材料創(chuàng)建面板，設置材料名稱，將材料類型設為ISOTROPIC，選擇材料卡片為MAT1，單擊create/edit按鈕，創(chuàng)建材料304（參考GB/T 699-1999設置）并打開材料選項卡編輯面板，在數(shù)據(jù)表中設置Young's Modulus（彈性模量）為190 GPa，Poisson's Ratio（泊松比）為0.29，Mass Density（質量密度）為8000 kg/m3，其余參數(shù)不變。在Hypermesh快捷工具欄中單擊Properties（Materials命令右側）命令，打開單元屬性創(chuàng)建面板，輸入屬性名稱，屬性類型選擇3D，card image設為PSOLID，材料選擇上步中創(chuàng)建的304材料。單擊create/edit按鈕，創(chuàng)建單元屬性并打開單元屬性選項卡面板。然后返回，選擇assign，打開assign子面板。在elems中選擇需要添加屬性的單元，設置type為3D，在property中選擇上步創(chuàng)建的solid屬性。單擊assign按鈕將單元屬性賦給有限元模型。

4）載荷及邊界條件設置。移動機架的負載除自身質量外，主要包括外骨骼質量和用戶的部分體重，在進行仿真時，外骨骼整體質量為15 kg，用戶質量設為65 kg，共80 kg，乘上安全系數(shù)1.2，以96 kg的總負載進行仿真分析，對兩側髖關節(jié)固定板的關節(jié)中心點處分別施加沿-Y 方向480 N的集中力，在底部4個輪子安裝位置設置固定約束，如圖4所示。

圖4 載荷和邊界條件設置

5）求解及后處理。利用Optistruct求解器進行求解，并通過Hyperview查看求解結果，靜力分析應力云圖和變形云圖如圖5所示。同時為了保證本移動機架在搭載外骨骼過程中不會與下肢外骨骼發(fā)生共振，對移動機架進行了一階、二階模態(tài)分析，仿真效果如圖6所示。

圖6 移動機架模態(tài)分析變形云圖

由圖5可以看出，在受到96 kg的負載時，云圖大范圍呈藍色，移動機架沿Z向最大應變?yōu)?.471 mm，最大應力為928.214 MPa，因為外骨骼連接在滑臺最內部，且滑臺完全探出后，受到極大的力矩，應力集中在滑臺與外骨骼連接處。在最大應變位置（滑臺端）的綜合變形為6.465 mm，因此當用戶在使用該款康復機器人移動平臺時能夠保證用戶安全，完成目標運動。

圖5 移動機架應力云圖和變形云圖

從對一階、二階模態(tài)仿真的結果來看，在一階振型時，變形主要集中在水平滑臺處，最大變形為6.646 mm，頻率為8.204 Hz；在二階振型時，變形主要集中在模型的后端突出部分，最大變形為8.525 mm，頻率為15.534 Hz。正常人行走過程中的擺動頻率為2 Hz左右，而使用下肢外骨骼的用戶的行走頻率，均不高于正常人的行走頻率，因此該機架不會在搭載用戶進行康復訓練的過程中產生共振。

3 防傾倒仿真分析

外骨骼康復機器人主要面向身體殘疾用戶，因此其工作環(huán)境是路況相對良好的醫(yī)院、家庭社區(qū)等環(huán)境，用戶在使用康復機器人的過程中，為防止機器人對患者產生二次傷害，要求康復機器人有良好的運動防傾翻的穩(wěn)定性，在工作過程中能夠保證安全，不因環(huán)境影響造成傾覆，達到預期的運動目標。通過查閱文獻[7]可知，穩(wěn)定性判別方法主要是重心投影法（CG Projection Method）與穩(wěn)定邊界法。在不同的應用背景下機器人所需的判別標準也不同，合適的判別標準可以使機器人的各項運動指標均能得到優(yōu)化，反之亦然[7-8]。

要獲得理想的運動必須提供穩(wěn)定的支撐，當機器人的重心在水平方向的投影位于機器人各輪與地面的接觸點構成的凸多邊形在水平方向上的投影內時，機器人即處于穩(wěn)定狀態(tài)[9]：

式中：（xc，yc，zc）為康復機器人的重心；mi為構件i的質量；（xc，yc，zc）為構件i的質心在絕對坐標系∑O中的位置坐標；∑O為移動平臺中心建立坐標系的原點。

將在SolidWorks中繪制的模型導入MSC Adams中，進行移動機架的運動仿真。仿真路況如圖5所示，分別設置有一端±5°的坡，一段長度為1.2 m，間距為10 mm，深度為10 mm的模擬連續(xù)抖動路面，一段長度為10 cm，間距為20 mm的模擬電梯入口銜接路面。通過測試機架分別在以上位置的質心位置在X、Y及Z軸方向軌跡，其中前進方向為X軸正方向，垂直地面向上為Y軸正方向，垂直紙面向外為Z軸正方向，判斷移動機架的穩(wěn)定性。

圖7 仿真路況示意圖

圖8～圖10分別為移動機架質心及各車輪在X、Y和Z方向的質心位置變化圖。根據(jù)重心投影法穩(wěn)定判據(jù)，可以看出康復機器人整體重心在水平面的投影一直在康復機器人各輪與地面的接觸點構成的穩(wěn)定區(qū)域內，故康復機器人處于穩(wěn)定，不會發(fā)生傾翻情況。

圖8 質心與各車輪在Y方向上的位置變化

圖9 質心與各車輪在Y方向上的位置變化

圖10 質心與各車輪在Z方向上的位置變化

為測試在靜態(tài)環(huán)境下，康復機器人受到一個外力時的抗傾翻能力，通過施加側向力進行穩(wěn)定性實驗（如圖11）。當力使其中一個輪胎與地面的接觸力接近0時，即可認為康復機器人將不穩(wěn)定。在康復機器人框架上側施加一個外力，STEP函數(shù)為：STEP（time，0，0，10，1000），該函數(shù)施加力的效果為從0 s開始至10 s，外力從0 N增加至1000 N，施加外力曲線如圖12所示。可獲得康復機器人4個輪及重心在X、Y和Z軸方向的投影如圖13～圖15所示。

圖11 抗傾翻施力示意圖

圖12 外力曲線示意圖

圖13 質心與各車輪在X方向上的位置變化

圖14 質心與各車輪在Y方向上的位置變化

圖15 質心與各車輪在Z方向上的位置變化

通過仿真可以發(fā)現(xiàn)，當外力施加到6.5 s時車架在Z方向上發(fā)生偏移，7 s時超出安全區(qū)域，此時外力達到700 N時，框架的質心越過了康復機器人各輪與地面的接觸點構成的穩(wěn)定區(qū)域內，發(fā)生側翻。在移動機架正常使用環(huán)境下，很難在此類位置受到如此大的外力作用，故移動機架整體穩(wěn)定。

通過MSC Adams軟件對所繪制模型進行了運動仿真分析，驗證了其復雜路面的通過性和受到外力時的抗傾倒能力，為進行實物搭建提供了理論依據(jù)。

4 結論

本文使用三維建模軟件SolidWorks建立了針對下肢康復外骨骼的移動機架，在完成結構設計后，使用有限元法軟件Hypermesh對整體框架進行了結構的靜力學分析和模態(tài)分析。通過靜力學分析，證明了針對下肢康復外骨骼設計的移動機架的結構強度是符合要求的，通過模態(tài)分析，確定了移動平臺的固有頻率不會與下肢康復外骨骼發(fā)生共振。在MSC Adams中進行在復雜使用環(huán)境下的路況仿真，證明了移動機架在搭載穿戴下肢康復外骨骼的用戶后，能夠順利地在家庭、社區(qū)和醫(yī)院等康養(yǎng)環(huán)境下進行康復訓練，滿足設計要求。