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1、SheiuFenxi■设计与分析?jy外骨骼机器人结构设计与动力学仿真张楠易子凯215137(苏州大学机电工程学院,江苏苏州〉?DAMS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A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]正常行走时,在人体,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
2、,只在膝关节i或帮助其实现正常行走,也于帮助下肢瘫痪患者进行康复y丨练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,1所示头肌的位咒,外骨骼机器人驱动原理如图。如]广阔的应用前景。1.3驱动器模块设计?LC美国
3、洛克希德马丁公司研制的HU(Hu_Universal驱动器的结构如fl2所示、,,由电机滚珠丝杠副构成具有^adarrerICi)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
4、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。bridAssistvemb研制的HALCHyiLi)外骨骼机器人主要
5、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fmj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\w康复训练、摆脱轮椅的外骨ff机器人.。\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am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一外骨骼机器人的研制过程中,其驱动方法是项重要的研究内f￥一容。本文设计了种可用于帮助患者实现站立行走、进
6、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。4外骨骼机器人结构1入*构设计1外骨骼机器人4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Mf,人体单下肢共有7个自由度,rt与人体的运动实现的,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有3个A由度
7、,以增加外竹骼机器人的兼容性和舒适性。,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
8、^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、‘ifHftfh,MMfS,.wi/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nln^?ft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
9、节的屈/伸、踝关节的跖屈/背屈。VY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:2011379,项目编号BK图3外骨骼机器人结构106SheiuFenxi?jy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旋转驱动依据。因此,动力学分析是外骨骼结构设计的关键步骤。借助软件膝关节旋转刚旋转驱动实现膝关节的摆动SolidWorks和
10、ADAMS对外骨骼机器人进行动力学建模与仿真,计算出外骨骼机器人的动力学参数,可为外骨骼机器jg.做直线丨申缩动人的结构设计提供依据。隨A侧藝动别上端校链2.1ADAMS动力学仿真,,卜一SV般利用ADAM/iew提供的建模构件工具可以直接建定义。地_一—^模,但由于外骨骼机器人结构较为复杂,般采用其他CAD软件进行建模,然后通过ADAMS提供
