外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)及其機(jī)械結(jié)構(gòu)的有限元分析_第1頁
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1、2016年2月第44卷第3期機(jī)床與液壓MACHINETOOL&HYDRAULICSFeb2016V0144No3DoI:103969/jissn100卜3881201603003外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)及其機(jī)械結(jié)構(gòu)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(xué)機(jī)械工程學(xué)院,山東淄博255000)摘要:為了提高士兵的承載能力,降低在運(yùn)動(dòng)過程中的能量損耗,設(shè)計(jì)了一種液壓驅(qū)動(dòng)的可穿戴外骨骼機(jī)器人,該外骨骼機(jī)器人下肢具有12個(gè)自由度。根

2、據(jù)外骨骼機(jī)器人的功能和工作原理,分析了外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵部位,并設(shè)計(jì)了外骨骼機(jī)器人的各部分的尺寸。利用有限元軟件ANsYs對(duì)外骨骼機(jī)器人進(jìn)行建模,對(duì)下外骨骼機(jī)器人進(jìn)行有限元靜力學(xué)仿真,并對(duì)大腿部位進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真。通過仿真研究分析,驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,對(duì)外骨骼機(jī)器人的進(jìn)一步研究提供了參考。關(guān)鍵詞:外骨骼機(jī)器人;可穿戴;液壓驅(qū)動(dòng);瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)中圖分類號(hào):TP242文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):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(jī)械結(jié)構(gòu),它能夠給穿戴外骨骼的人提供支持、保護(hù),并且增強(qiáng)穿戴者的運(yùn)動(dòng)能力,還能夠在操作者的控制下完成一定的功能和任務(wù)。它能夠和人一起行走,并且承擔(dān)人背負(fù)的絕大部分的質(zhì)量1。這種外骨骼依靠人的運(yùn)動(dòng)信息來控制,通過外骨

8、骼機(jī)器人可以用來完成僅靠人體自身無法完成的任務(wù)、負(fù)重等。該裝置可以讓使用者使用很少的力量便可以擔(dān)起相當(dāng)沉重的貨物。目前,世界上各國積極對(duì)外骨骼機(jī)器人進(jìn)行研究。根據(jù)對(duì)人體生理構(gòu)造的研究設(shè)計(jì)出負(fù)重外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)舊1,并利用ANSYs軟件對(duì)外骨骼機(jī)器人進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。通過該研究,為下肢外骨骼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和外骨骼控制的實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。1外骨骼機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)711設(shè)計(jì)要求外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是整個(gè)外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)

9、過程中的第一步,同時(shí)也是最重要的一步,外骨骼機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接影響系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)程度。因此在外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中包括關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng),運(yùn)動(dòng)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(xué)的思想,最大可能的模擬人體下肢的運(yùn)動(dòng)功能,從而最大可能的模擬人類真實(shí)肢體功能。根據(jù)《GB一1000088中國成年人人體尺寸》中的測(cè)量數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)出外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸。外骨骼機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)必須具有長度可調(diào)節(jié)性、身材兼容性,

10、由于不同的人身材不同,相應(yīng)的下肢的幾何尺寸也不盡相同。所以,設(shè)計(jì)的外骨骼機(jī)器人的機(jī)械下肢尺寸在一定范圍內(nèi)必須可以調(diào)節(jié),從而可以滿足大多數(shù)人的使用要求。外骨骼機(jī)器人同時(shí)要具有堅(jiān)固且輕巧的特點(diǎn),機(jī)械結(jié)構(gòu)不僅要能夠承受載物架上的負(fù)載的質(zhì)量,還要承受在行走過程中的沖擊力。為實(shí)現(xiàn)外骨骼機(jī)器人與人的良好結(jié)合,現(xiàn)確定單收稿日期:2014—1l—12基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51505263);山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014GGxl

11、03007);山東省高等學(xué)??萍加?jì)劃項(xiàng)目(J15LB08);山東省淄博市科技計(jì)劃項(xiàng)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(dǎo)師,主要研究方向?yàn)橥夤趋罊C(jī)器人研究,多體復(fù)雜系統(tǒng)建模、仿真、多學(xué)科優(yōu)化。E—mail:zwqawkl987@163com。萬方數(shù)據(jù)12機(jī)床與液壓第44卷的載荷,踝關(guān)節(jié)是與地面相接觸的部位,踝關(guān)節(jié)采用全約束。限制其x、y、z3個(gè)方向的自由度。最后求解。23靜態(tài)分析根據(jù)有限

12、元模型,進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算‘5‘61,得到應(yīng)力云圖,如圖3所示。圖3靜力狀態(tài)下應(yīng)變與應(yīng)力云圖(1)結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)從分析結(jié)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(yīng)變?yōu)閟:竽:娑:o0312‘二J彈性階段內(nèi)可承受的最大變形:&=224mm在彈性階段最大形變224mm遠(yuǎn)大于078mm,所以應(yīng)變符合要求。(2)材料安全性評(píng)價(jià)外骨骼機(jī)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(jī)械性能3瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析31瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)“11需要考慮慣性力的作用,在慣性力作用下外骨骼機(jī)器人應(yīng)力應(yīng)變不在隨外力呈線性變化。所以有必要對(duì)外骨骼機(jī)器人關(guān)鍵部位進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。大腿在運(yùn)動(dòng)時(shí),驅(qū)動(dòng)力在大腿和液壓缸的位置傳遞載荷,可以認(rèn)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(yīng)力、應(yīng)變和方向速度會(huì)在慣性力作用下隨時(shí)間變化。應(yīng)用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)計(jì)算大腿結(jié)構(gòu)在時(shí)間載荷作用下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng),目的是得到大腿結(jié)構(gòu)在慣性力作用下的應(yīng)力,應(yīng)變和方向速度。大腿部分采用自由網(wǎng)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?jiǎng)澐帜P?2瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)載荷的添加及其設(shè)置根據(jù)外骨骼機(jī)器人在行走

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