外骨骼機器人設計及其機械結構的有限元分析

1、2016年2月第44卷第3期機床與液壓MACHINETOOL&HYDRAULICSFeb2016V0144No3DoI：103969／jissn100卜3881201603003外骨骼機器人設計及其機械結構的有限元分析趙彥峻，葛文慶，劉小龍，王瀅，張萬青(山東理工大學機械工程學院，山東淄博255000)摘要：為了提高士兵的承載能力，降低在運動過程中的能量損耗，設計了一種液壓驅動的可穿戴外骨骼機器人，該外骨骼機器人下肢具有12個自由度。根

2、據外骨骼機器人的功能和工作原理，分析了外骨骼機器人的關鍵部位，并設計了外骨骼機器人的各部分的尺寸。利用有限元軟件ANsYs對外骨骼機器人進行建模，對下外骨骼機器人進行有限元靜力學仿真，并對大腿部位進行瞬態(tài)動力學仿真。通過仿真研究分析，驗證了機構設計的合理性，對外骨骼機器人的進一步研究提供了參考。關鍵詞：外骨骼機器人；可穿戴；液壓驅動；瞬態(tài)動力學中圖分類號：TP242文獻標志碼：A文章編號：100卜3881(2016)3—010—4Des

3、ignofExoskeletonRobotandFiniteElementAnalysisofMechaIIicalStructIlreZHAOYanjun，GEWenqing，LIUXiaolong，WANGYing，ZHANGWanqing(SchoolofMechaniealEngineering，ShandongUniversityofTechnology，ZiboShandong255000，China)Abstract：In

4、ordertoimprovetheabilityofcarryingheavyloadsandreducetheenergyconsumption0fsoldierunderthewayofexercises，aweambleexoskeletonmbot出venbyhydraulicpressurewasdesigned，祈tIlthelowerextremityexoskeletonmbothavingmelVedegreesoff

5、reedom(12一DOFs)Accordingtoitsfunctionandworkingprinciple，thekeypartsinthestmcturewereanalyzed，andthesizesofeachpartoftheexoskeletonrobotweredesi#；IledTheexoskeletonmbotmodelingwasped’o瑚edbytllefiniteelementsoftware，the矗n

6、iteelementstaticssimulationwasusedontheexoskeletonrobot，andthetransientdvnamicssimulationofthighwasc州edoutThmughthesimulationstudyandanalysis，themtionalityofmechanismdesignisverified，whichprovidesthereferenceforthefhnher

7、studyoftheexoskeletonmbotKeywords：Exoskeletonmbot；Wearable；Hydmulicdrive；TmnsientdynamicsO前言穿戴式外骨骼是一種可以穿戴在人體身體外部的機械結構，它能夠給穿戴外骨骼的人提供支持、保護，并且增強穿戴者的運動能力，還能夠在操作者的控制下完成一定的功能和任務。它能夠和人一起行走，并且承擔人背負的絕大部分的質量1。這種外骨骼依靠人的運動信息來控制，通過外骨

8、骼機器人可以用來完成僅靠人體自身無法完成的任務、負重等。該裝置可以讓使用者使用很少的力量便可以擔起相當沉重的貨物。目前，世界上各國積極對外骨骼機器人進行研究。根據對人體生理構造的研究設計出負重外骨骼機器人的結構舊1，并利用ANSYs軟件對外骨骼機器人進行有限元靜力學分析和瞬態(tài)動力學分析。通過該研究，為下肢外骨骼機器人運動學和外骨骼控制的實施奠定了基礎。1外骨骼機器人機構的設計711設計要求外骨骼機器人結構的設計是整個外骨骼機器人系統(tǒng)開發(fā)

9、過程中的第一步，同時也是最重要的一步，外骨骼機器人機械結構設計的好壞直接影響系統(tǒng)功能的實現(xiàn)程度。因此在外骨骼機器人結構設計的過程中包括關節(jié)機構的設計和驅動，運動自由度的分配和布置等工作，都要充分體現(xiàn)擬人化“。和仿生學的思想，最大可能的模擬人體下肢的運動功能，從而最大可能的模擬人類真實肢體功能。根據《GB一1000088中國成年人人體尺寸》中的測量數(shù)據，設計出外骨骼機器人的結構尺寸。外骨骼機器人的機械結構必須具有長度可調節(jié)性、身材兼容性，

10、由于不同的人身材不同，相應的下肢的幾何尺寸也不盡相同。所以，設計的外骨骼機器人的機械下肢尺寸在一定范圍內必須可以調節(jié)，從而可以滿足大多數(shù)人的使用要求。外骨骼機器人同時要具有堅固且輕巧的特點，機械結構不僅要能夠承受載物架上的負載的質量，還要承受在行走過程中的沖擊力。為實現(xiàn)外骨骼機器人與人的良好結合，現(xiàn)確定單收稿日期：2014—1l—12基金項目：國家自然科學基金青年基金資助項目(51505263)；山東省科技發(fā)展計劃項目(2014GGxl

11、03007)；山東省高等學校科技計劃項目(J15LB08)；山東省淄博市科技計劃項目(2叭5Ⅺ100061)作者簡介：趙彥峻(1970一)，女，博士，副教授，碩士研究生導師，主要研究方向為外骨骼機器人研究，多體復雜系統(tǒng)建模、仿真、多學科優(yōu)化。E—mail：zwqawkl987@163com。萬方數(shù)據12機床與液壓第44卷的載荷，踝關節(jié)是與地面相接觸的部位，踝關節(jié)采用全約束。限制其x、y、z3個方向的自由度。最后求解。23靜態(tài)分析根據有限

12、元模型，進行強度計算‘5‘61，得到應力云圖，如圖3所示。圖3靜力狀態(tài)下應變與應力云圖(1)結構安全性評價從分析結果可以看出，外骨骼最大變形處是在連桿上，連桿部分材料是鋁合金，最大變形△f=078姍，其彈性模量E=72GPa，連桿長度為25nm，則應變?yōu)閟：竽：娑：o0312‘二J彈性階段內可承受的最大變形：＆=224mm在彈性階段最大形變224mm遠大于078mm，所以應變符合要求。(2)材料安全性評價外骨骼機器人液壓處采用00Crl

13、8M02不銹鋼，其他部分采用7050t17451鋁合金材料，材料性能如表1所示。表1所選材料的機械性能3瞬態(tài)動力學分析31瞬態(tài)動力學有限元模型的建立由于靜力分析是線性變化，不需要考慮慣性力的作用，瞬態(tài)動力學“11需要考慮慣性力的作用，在慣性力作用下外骨骼機器人應力應變不在隨外力呈線性變化。所以有必要對外骨骼機器人關鍵部位進行瞬態(tài)動力學分析。大腿在運動時，驅動力在大腿和液壓缸的位置傳遞載荷，可以認為一段受力，另一端全約束。大腿部分是鋁合金

14、，液壓裝置是不銹鋼。選擇大腿上端為全約束，在大腿和液壓缸的接觸面上添加力矩載荷。大腿部分的應力、應變和方向速度會在慣性力作用下隨時間變化。應用瞬態(tài)動力學計算大腿結構在時間載荷作用下的動力學響應，目的是得到大腿結構在慣性力作用下的應力，應變和方向速度。大腿部分采用自由網格劃分，大腿部分材料選用鋁合金(AluIllinumA110y)，劃分后的圖形如圖4所示。圖4外骨骼大腿有限元劃分模型32瞬態(tài)動力學載荷的添加及其設置根據外骨骼機器人在行走