基于虚拟样机技术外骨骼机器人机构设计

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1、基于虚拟样机技术外骨骼机器人机构设计　　摘要：为了提高人类的负重能力，并降低人类在行进中的能量消耗，设计了一种液压驱动的可穿戴外骨骼机器人，进行了机构设计并确定了液压系统的关键参数，其中腿机构设计是关键部分。通过数学公式分析了外骨骼机器人腿部受力，并对外骨骼机器人简化模型进行虚拟仿真，确定各关节运动所需的力矩。在此基础上，完成了机器人机构和液压系统设计。最后通过虚拟样机技术，验证了机构设计参数选取的合理性及所确定的液压系统满足设计要求。关键词：外骨骼机器人；虚拟样机技术；机构设计；液压系统中图分类号：TN911?34；TP319文献标识

2、码：A文章编号：1004?373X（2014）04?0056?04MechanismdesignofexoskeletonrobotbasedonvirtualprototypetechnologyWANGChao，SONGHui?xin（ChinaNorthVehicleResearchInstitute，Beijing100072，China）Abstract：Inordertoimprovetheabilityofcarryingheavyloadsandreducetheenergyconsumptionofpeoplemovi

3、ngundertheirway，a10wearableexoskeletonrobotdrivenbyhydraulicpressurewasdesignedinthispaper.Thekeypartinthedesignisthelegmechanismdesign.Thelegstressoftheexoskeletonrobotisanalyzedwithmathematicalformulas.Thedrivingtorqueneededbyeachjointwasderivedbasedonsimulationsofthes

4、implifiedexoskeletonrobotmodel.Onthebasisoftheaboveanalysis，thedesignsofexoskeletonrobotmechanismandthehydaulicsystemwerecompleted.Thevirtualprototypetechnologywasusedtoshowthattheselectionofthemechanismdesignparametersisreasonableandthehydraulicsystemmeetsthedesignrequi

5、rements.Keywords：exoskeletonrobot；virtualprototypetechnology；mechanismdesign；hydraulicsystem0引言足式机器人与轮履式机器人相比，具有较强的地形适应能力和越障能力，一直是机器人研究领域的热点。其中可穿戴式外骨骼机器人既具有超过普通2足机器人的稳定性和高通过性，又避免了4足机器人的机构冗余性和控制复杂性，因而更加受到各国的重视[1?2]。10目前研制的大多数外骨骼机器人均存在自身质量较重，穿戴复杂，需外接能源等问题，实际应用受到限制，基本停留在实验室

6、研究阶段，如美国的“XOS”系列外骨骼机器人[3]、日本的外骨骼机器人“HAL”[4]等。美国洛克希德?马丁公司的下肢外骨骼机器人“HULC”采用液压驱动，是当今世界上最先进的外骨骼机器人，已经在战场上试用[5?6]。为了实现重物背负并降低人类在行进中的能量消耗，以液压驱动外骨骼机器人为研究对象进行了机构设计，并通过虚拟样机技术验证了机构设计满足要求。1外骨骼机器人机构设计在借鉴分析外骨骼机器人“HULC”的基础上，进行液压驱动外骨骼机器人的机构设计。初步选定该机器人自重约为30kg，负重50kg，行走速度能达到约1m/s。1.1腿部结

7、构设计腿部设计是外骨骼机器人设计中最为关键的部分之一，直接决定着外骨骼机器人的各项性能。为了便于设计，仿照人体解剖学将外骨骼机器人的腿部分为三段，分别为大腿、小腿和足部，通过关节实现连接。其中髋关节具有1个主动自由度和2个被动自由度，膝关节具有1个主动自由度，踝关节具有3个被动自由度。通过单腿具有的2个主动自由度和5个被动自由度实现对人体的助力行走。系统整体框架如图1所示。10本文以下肢外骨骼的膝关节设计为例，分析膝关节处所受力矩，图2为单腿的结构二维图。其中A点为液压缸端，B为膝关节处，C为活塞杆端，设AB=c，BC=a，CA=b，[

8、θ]为AB与BC间夹角，即膝关节角，设定[θ]允许转动范围为45°～180°，h为B到AC的距离，即膝关节转动力臂。由此可以得到膝关节处参数间的几何关系，如下：[b2=a2+c2-2accosθ]（1）[h