外骨骼机器人结构设计与动力学仿真

□设计与分析?ShejiyuFenxi外骨骼机器人结构设计与动力学仿真张楠易子凯(苏州大学机电工程学院,江苏苏州215137〉摘要:对外骨骼机器人进行了结构设计?重点介绍了外骨骼机器人的驱动器设计和工作原理。通过ADAMS动力学仿真,得到了外骨骼机器人髋关节、膝关节的动力学参数,分析了仿真结果的正确性,为外骨骼机器人的结构设计捉供了可靠的依据。关键词:外骨骼机器人;结构设计;动力学仿真0引言 1.2驱动型式设计? ^____ “ 研究表明[5],在人体正常行走时,能量消耗最大的是髋关节和膝关节,因此,在外骨職器人的设计过程中,只在膝关节于帮助下肢瘫痪患者进行康复yi丨练或帮助其实现正常行走,也 了可用于增强人細负纖力、!《少雑賴。外體腿人難人細关节翻方式,分膽联节纖关节安装丫*□入、胃―a;麵雑,与关节滅平翻杆浦,卿动翻直线运动术、信号_等学科' 成为学术界的转化成关节的旋转运动,实现2个关节的屈/伸运动。髋关节、外骨骼机器人的成珊膽捕醒賴备、单兵军輸雌联侧动励安驗s侧啦于人沐下細随肌、股二备、重劳动工作、新型环保代步工具等方面发挥重要作用,有着头肌的位咒,,外骨骼机器人驱动原理如图1所示。广阔的应用前景如]。 1.3驱动器模块设计美国洛克希德?马丁公司研制的HULC(Hu_Universal 驱动器的结构如ffl2所示,由电机、滚珠丝杠副构成,具有I^adCarrier)外骨骼机器人是军事应用的典型代表。HULC主足够的行程,满足关节摆/f|行程的要求,使外卄骼机器人能够要用于单兵军事强化,其采用液压驱动.负载能力强,结构简单,帮助人体正常行走,具有运动平稳、噪音小的特点。电机、滚珠但具打控制较难和易出现液压系统漏油的缺点。日本筑波大学 丝杠副需依椐外骨骼机器人的动力学建模与仿真进行选铟。研制的HALCHybridAssistiveLimb)外骨骼机器人主要用于帮助负重的核能工作者更好、更快地工作,也可以用于医疗,采用电机驱动,易于控制且运动控制梢度高,但提供的负载能力有限。 Jz外骨骼机器人在医疗方面也有广泛的应用前景,国内外学者已 jfm开展了大翻相关研究,并研制了用于帮聽者站立行走、进行 Y\\康复训练、摆脱轮椅的外骨ff机器人w。 \\\.\ 丝杠\ 联轴器由于外骨骼机器人主要用于支持人体或增强人体负载能 、丫力,因此需提供足够的驱动力,来帮助人体行走或负重,所以在 Z am外骨骼机器人的研制过程中,其驱动方法是一项重要的研究内 f $容。本文设计了一种可用于帮助患者实现站立行走、进行康复 图1外骨骼机器人 图2外骨骼机器人训练的外骨骼机器人装置,并对该机器人的驱动形式及其设计 驱动原理 驱动器结构方法进行了研究。 14外骨骼机器人结构1外骨骼机器人4*构设计 入驱动器模块、膝关节模块及踝关节模块,如图3所示。其硬质1.1自由度设计 铝合金材质的双板结构在保持刚性的前提下减轻了机器人本人体行走是依靠由肌肉驱动的髋关节、膝关节和踝关节的 体的质M,而且外骨骼大腿、小腿及髋部的尺寸可以根据不M运动实现的,人体单下肢共有7个自由度,髋关节和踝关节各 的穿戴者来调节,使外骨骷机器人的关节旋转轴尽frt与人体的有3个A由度,分别是围绕关节运动轴的屈/伸和跖屈/背屈运 关节轴线重合,以增加外竹骼机器人的兼容性和舒适性。动,外展/内收、旋内/旋外运动.膝关节只有1个绕关节运动轴的屈/伸运动,其中,屈/伸主要完成跨步功能,外展/内收调节 \|^ 邡及支t?槐块人体平衡状态,旋内/旋外可实现行走过程中改变方向的功能。 节模块因为外骨骼机器人是帮助患者站立行走和进行_鉍训练、 ifftf,`MHMfS ,.hwi/VI1l完成简軸直线行走及转向动作的,所以为降低结构的复杂 nfln^?t度,单下肢设计了4个主要自由度,分别为倘关节的屈/伸和旋 W内/旋外、膝关节的屈/伸、踝关节的跖屈/背屈。 V Y踝关节校块项目名称:江苏省ft然科学基金项目“主被动混合驱动的非完 ^整约束助行机器人研究”,项目编号:BK2011379 图3外骨骼机器人结构106ShejiyuFenxi?设计与分析□2夕卜骨能机器人ADAMS动力学仿真 表1动力学模型中的运动副及驱动穿戴式外骨骼机器人的结构设计涉及仿生学和动力学,设 ~?:^ 计必须具有可靠性,关键零部件的选型需要可靠的动力学设计依据。因此,动力学分析是外骨骼结构设计的关键步骤。借助 旋转驱动软件SolidWorks和ADAMS对外骨骼机器人进行动力学建模 膝关节旋转刚旋转驱动 实现膝关节的摆动与仿真,计算出外骨骼机器人的动力学参数,可为外骨骼机器.做直线丨申缩jg动人的结构设计提供依据。2.1ADAMS动力学仿真 隨A侧藝,,动别上端校链一般利用ADAMS/View提供的建模构件工具可以直接建 卜模,但由于外骨骼机器人结构较为复杂,一般采用其他CAD软 — ^ 定义。地_ 件进行建模,然后通过ADAMS提供的CAD模型数据接口导 实验测得的人体行走过程中关节角位移定义对应关节的旋转人CAD软件中的模型后进行仿真。具体仿真过程如下: 驱动,如图5所示。(1)在CAD软件SolidWorks中绘制外骨骼机器人模型, 4() 保存为格式。 。30:0[~7\—7\“7\—~7\—~7ST(2)模型?过数据接口导A到ADAMS中,首先编辑构件 |20°:/\/V\/\/\诚性,将相对静止的零部件定义为一个刚体,即减少独立的刚義l00°J\J\J\J\J\体个数,以方便定义模型中零部件的材料。本文将外骨骼的躯-id.oi^^ ^^0.01.02.03.04.05.06.0十零部件定义为招合金材料,驱动器模块的零部件定义为钢Ana丨一Last_Run _/s 2012-06-12T14:57:17材料。 _ Lh,模型整体坐标系:模型中X轴为人体的前后方向,即矢状 10.0^~; ; — 轴y轴为人体的上下方向,即垂直轴;z轴为人体的左右方向,、°0°\A7\AA7即额状轴。AT平面为矢状面,XZ平面为水平面.yz平面为 I-2ao\\/\\\I额状面。 ^3。°:\J\J\J\J\J添加运动副:在模型的上身添加点面基本副.限制腰部绕 1.02.03.04.05.06.0各个坐标轴的旋转自由度及额状轴方向的平动白由度,即只保Ana|y- 2012-06-12TH,57,17稱外骨骼上肢的矢状轴、额状轴方向的平动自由度,使腰部只 60.0j~jr jr~^ jr ,fig在矢状00内做平移运动,模拟人体行走时上身保持直立;在 ^:0\\\\\?节、—添加旋_及—;fr—J上端狡 |2^:0/1/\/\/\\链处添加旋转副,下端铰链处添加点线基木副;为简化校型,将 [0ArJ\rJ\rJ\rJ\rJ\滚珠丝杠副定义为滑动副,模型如ffl4所示。在模型中添加地 ''0g'01*203,0`1。'5.。60面模型,将踝关节简化为一个小球,并在足部与地面之间添加 An—is:Ust_Run时间/s 2012-06-12T14,57.17接触副iM]。模塑中的运动副及驱动的添加情况如表1所示。 Unee除此之外,由于外骨骼模型在行走过程中与地面接触时会有冲 =°0VK A fTA A 击.影响仿真结果,所以将足部定义为球状并ii过拉伸弹簧与 ^^:0:/\\\\\小腿连接.同时选择适当的弹性系数,使地面冲击对仿真结果 g0-0.1\n/\^i\^I\^I\?的影响最小。 -to:0:\A^\A^ `-20.03 0.01.02.03.04.05.06.0腰部瓶部 Analysis:Last一Run 时间/s 2012-06-12T14:57:17图5髓关节、膝关节角位移曲线大腿\^5^^?关节 将5个步态周期的关节角位移数据进行初始化,即将0时刻HI _1V 的角位移定义为0,然后导人ADAMS建立对应的JointAngle样WT_m 条曲线,并借助ADAMS巾的Cubic3次样条函数[CUBSPL小H!nif .... (time'0,JointAngle,0)]定义对应关节的驱动函数,而且对外骨骼—1 校型的髋约束其在X、y、z方向的旋转运动和z方向的平动,这^\v 样便可以实现外骨骼的直立行走。然后,设置适当的仿A参数.仿真步数设为5000,进行动力'7:仿A...通过仿真可以在ADAMS的后处理模块中测量得图4外骨贿机器人动力学模型 到驱动器的行程曲线(阁6),可ff出驱动器行程曲线趋势和关(3)设汽仿真参数,进行仿节角位移趋势相同。髋关节职动器的i|4大行程为75mm,膝关首先,在外骨骼模咽髋关节和膝关节上添加旋转驱动,丨丨丨节驱动器的最大行程为90mm?机电信息2014年第3期总第393期107!□设计与分析?ShejiyuFenxi, RWP 通过比较仿真测得的各关节所需驱动力矩与实验测得的.J:水AAf\A/I 人体关节力矩曲线,可以看出仿真测得的力矩曲线峰值与标准|-35.0:\\\\/\/ 的人体关节力矩_相近,峰值所处的步态周期位置相同。但^-55.0^\J\J\J\J\J 是由于外?ftffiMSIM分布与A体的质It分?布不同,导致2条Ittl75.~^~^~^~线趋势有所不同,总体相近。可以推断出所建的动力学模型是0.01.02.03.04.05.06.0 一Analysis:Last_Run时间/s2012-06-12T14:57:17 正确的,可进行下一步仿真。Lhip (4)应用逆运动学的思想,变换驱动方式。删除髋关节和1°5°\f\f\f\AA 膝关节已定义的旋转驱动,在它们的驱动器滑动副上添加直线|40:0/\/\/\/\\ 驱动。然后以ffl6中测得的各关节驱动器行程定义对应的直|\\\\\ 线-驱动,将图6中的驱动器行程曲线转化成Spline样条|lt|线,'o:|f\J\/\JV/VJ 同理借助Cubic3次样条函数[CUBSPL(time,0,Actua-一,SU2°:4'° 咖St—A]定义对应直线驱动模块的驱动函数。然后进行20 Rknce 外骨骼机器人的行走运动仿真。:;:;1(V\/V\/\a/\A/V^l 在后处理模块中可以得到髋关节、膝关节驱动器驱动力、I\\\ -驱动速率、驱动功率曲线。同理,由于仿真模型采用刚体模型_,Iw\j\/ 仿真过程中无法避免足部与地面之「司的冲击对结果的影响.因-70°1^^ -V VV 此,借助Matlab对结果$行滤波处理,并截取一个步态周期的0.01.02.03.04.05.06.0 /,r$iofiC^Analysis:Last_Run时间/s2012-06I2T14:57s17 奴促,如丨冬I8所不。Lknee 2500i~n?1 1从x…1—I100 IviK1 i^yij0.01.02.03.04.05.06.0 50oLI?I'S ;?Analysis:LastRun时间/s2012-06-12T14:57:17 0204060801000 步态周期/°/。图6髋关节、膝关节驱动器行程曲线 (a)通过仿真还可以得到外骨骼机器人行走过程中关节的驱动力矩。由于仿真投甩采用刚体模型,仿真过程中无法避免足 4W` n部与地面之间的冲击对结果的影响,因此,在Mmlab中借助 雜|300A~'m'ButtorcKwp.ws.Rp.As)闲数对仿真结果进行滤波处理,并截 墓孕200.,/V取一个步态周期的数据,如图7所示。图7中的虚线为仿真得 ^J到的體关节、膝关节力矩曲线,实线为经过滤波后的关节力矩 .^wf曲线,点线为实验所测得的人体对应关节力矩曲线。 “°02040一“6080100步态周期/°/?2001 「| (b)1^咖in,j,s,?ol—一1iEin i|020:期:80100 袋S-I(a) 200020406080100步态煳期/%(c)150!! …仿k—~!innI; _滤波后:|:!lL???娜“ 2000,1\, I`發-50.f“ InJ、20“::80