下肢外骨骼助力装置结构与动力学分析

刘秀华 闫磊

摘 要：随着科学技术的进步和人们对于增强自身能力的渴望，下肢外骨骼助力机器人已成为国内外“人机一体化”的一个重要研究方向。文章介绍了下肢外骨骼助力装置的研究意义，具体阐述了下肢外骨骼助力机器人整体结构的设计、及动力学分析等。通过实验仿真验证驱动电机选型的可靠性。全面阐述了下肢外骨骼助力机器人的结构设计方案。

关键词：下肢外骨骼机器人；结构设计；动力学；仿真

引言

现在的交通越来越发达，人们可以用各种各样的交通工具来运载重物以及帮助人们到达目的地，但是在自然界中许多崎岖不平甚至很陡峭的地方交通工具也很难到达；随着时代的发展，老龄化问题也越来越严重，越来越多的老年人需要被照料；再者，残疾人士（更多的是下肢瘫痪或者行走困难的人）也需要借助一些工具来适应这个世界，因此开发出一些操作简单、价格合理的智能机械装置用于帮助人们运载重物、辅助老年人以及残疾人，帮助他们照料自己或者进行康复训练无疑是解决目前老龄化问题的一个有效措施。下肢外骨骼助力系统实质上是一种可穿戴的人机一体化系统，其以人为核心，由穿着者进行控制操作，所以机械结构的设计需要尽量的拟人化，这样才能更好的配合穿戴者完成任务。

1 结构设计

1.1 结构设计原则

根据下肢外骨骼机器人可穿戴性的特点，在对其机械结构进行设计时，应当充分考虑以下四个设计原则。（1）安全可靠。由于下肢外骨骼机器人的使用对象是人，所以机械结构应当保证机器人在正常使用的时候和出现故障时，都能较好地确保穿戴者的人身安全。（2）拟人化设计。机械结构应尽量模拟真实的人体下肢运动关节及大小腿骨；在自由度配置和各关节的设计上，尽力满足人体下肢关节活动范围要求。（3）可伸缩性。由于不同的人的身材不同，因而其下肢的几何尺寸也不相同。因此，要求机械腿的长度在一定范围可调，提高下肢外骨骼机器人的通用性。（4）坚固耐用、轻巧便携。下肢外骨骼机器人在使用时，即要承受其自身重量又要承载穿戴者的重量，同时还需承受外界的刚性冲击[1]。

1.2 整体结构设计方案

人的行走、起立、坐下等下肢动作是由髋、膝和踝关节的相互运动而成的]，而人在行走过程中驱动力最主要是由髋关节和膝关节提供，因此文章确定髋、膝关节的屈/伸自由度为主动自由度，称髋关节和膝关节为主动关节；髋关节的内收/外展、旋内/旋外以及踝关节的背屈/趾屈作为被动自由度，使其随穿戴者自由运动。文章以辅助穿戴者行走为主要设计目标，提出一种轻便型结构设计方案：（1）驱动设备采用直线推杆电机，利用推杆电机输出直线运动的特点，优化设计主动关节结构；（2）设计主动关节零部件将推杆电机的直线运动和推力转化为主动关节的屈/伸运动和扭矩；（3）大小腿连杆和腰托结构均采用可伸缩式设计，即大小腿连杆和腰托结构分别设计成带有调整滑块的两段，提高机器人的穿戴者身材兼容性；（4）在腰托结构上实现髋关节被动自由度；设计踝关节结构实现背屈/趾屈被动自由度，简化机械结构；（5）脚底采用两段式设计，两段中间加入簧片，提高人体穿戴舒适性；（6）整体机械结构由铝合金材料打造，刚度好，重量轻。

2 动力学分析

文章选择在三维建模软件Solidworks中建立使用者穿戴下肢外骨骼机器人的三维模型，并利用数据转换技术将其添加到 ADAMS中进行动力学仿真，如图1所示。

仿真的步骤如下：（1）在Solidworks中建立穿戴者穿戴下肢外骨骼机器人的三维虚拟样机模型，并保存成Parasolid格式文件；（2）通过数据转换技术将Parasolid格式文件导入到ADAMS中；（3）设置仿真参数，运行仿真。

下肢外骨骼机器人是一种由腰部连杆、大小腿连杆、脚掌连杆以髋、膝、踝关节连接成的串联机器人，为了方便进行动力学分析，文章将该机器人的各连杆简化为矢状面内的刚性连杆结构（其中腰托连杆为实际行走时腰托结构在矢状面内的投影），将主动关节的屈/伸及踝关节的背屈/趾屈运动简化为转动副。

根据所设计的机器人机械结构，建立髋关节运动机构模型如图2所示，计算机器人髋关节运动范围。

在该模型中关节旋转件简化为杆AB；大腿连杆和与其固连的电机支架简化成“L”型杆件BCD；推杆电机简化成滑块机构AD。

根据图2，已知AB、BC、CD、AD，设髋关节屈/伸运动角度为？琢“伸”为“-”），电机伸缩量L=AD-AD'。

由反三角函数关系可以得出：

由三角函数关系可以得出：

则结合式（1）和式（2），可得：

（3）

根据式（3）得出电机伸缩量与髋关节屈/伸运动角度的关系，即可得出所选的电机合适与否。

如图2所示，推杆电机的推力F可分解为垂直于“L”型杆件BCD的Fy和平行于BCD的Fx；

My=Fy.D'C'

由上式即可得出推杆电机的推力F与髋关节驱动扭矩的关系，再根据仿真得出的扭矩结果，即可算出推杆电机的推力F。电机伸缩量与膝关节屈/伸运动角度的关系的算法以及推杆电机的推力F与膝关节驱动扭矩的关系与髋关节类似，不再赘述。

3 结束语

文章详细介绍了下肢外骨骼助力机器人核心部件的设计方法以及整体结构图，并对该机器人进行仿真和动力学分析，完成机器人驱动推力受力分析，并根据仿真结果计算出所需最大推力。

参考文献

[1]王志鹏，郭险峰.穿戴式下肢外骨骼康复机器人机械设计[D].北京航空航天大学，2012.

[2]熊冰.人体下肢运动学和动力学的研究[D].天津轻工业学院，1999.