外骨骼機器人設(shè)計及其機械結(jié)構(gòu)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(shè)計及其機械結(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，降低在運動過程中的能量損耗，設(shè)計了一種液壓驅(qū)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(jù)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(guān)鍵部位，并設(shè)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(jìn)行建模，對下外骨骼機器人進(jìn)行有限元靜力學(xué)仿真，并對大腿部位進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)仿真。通過仿真研究分析，驗證了機構(gòu)設(shè)計的合理性，對外骨骼機器人的進(jìn)一步研究提供了參考。關(guān)鍵詞：外骨骼機器人；可穿戴；液壓驅(qū)動；瞬態(tài)動力學(xué)中圖分類號：TP242文獻(xiàn)標(biāo)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(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(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(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，世界上各國積極對外骨骼機器人進(jìn)行研究。根據(jù)對人體生理構(gòu)造的研究設(shè)計出負(fù)重外骨骼機器人的結(jié)構(gòu)舊1，并利用ANSYs軟件對外骨骼機器人進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析和瞬態(tài)動力學(xué)分析。通過該研究，為下肢外骨骼機器人運動學(xué)和外骨骼控制的實施奠定了基礎(chǔ)。1外骨骼機器人機構(gòu)的設(shè)計711設(shè)計要求外骨骼機器人結(jié)構(gòu)的設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中包括關(guān)節(jié)機構(gòu)的設(shè)計和驅(qū)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(xué)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(jù)《GB一1000088中國成年人人體尺寸》中的測量數(shù)據(jù)，設(shè)計出外骨骼機器人的結(jié)構(gòu)尺寸。外骨骼機器人的機械結(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)計的外骨骼機器人的機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。外骨骼機器人同時要具有堅固且輕巧的特點，機械結(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。為實現(xiàn)外骨骼機器人與人的良好結(jié)合，現(xiàn)確定單收稿日期：2014—1l—12基金項目：國家自然科學(xué)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(xué)?？萍加媱濏椖?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(dǎo)師，主要研究方向為外骨骼機器人研究，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)行強度計算‘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)安全性評價從分析結(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(xué)分析31瞬態(tài)動力學(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器人應(yīng)力應(yīng)變不在隨外力呈線性變化。所以有必要對外骨骼機器人關(guān)鍵部位進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析。大腿在運動時，驅(qū)動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)變和方向速度會在慣性力作用下隨時間變化。應(yīng)用瞬態(tài)動力學(xué)計算大腿結(jié)構(gòu)在時間載荷作用下的動力學(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外骨骼大腿有限元劃分模型32瞬態(tài)動力學(xué)載荷的添加及其設(shè)置根據(jù)外骨骼機器人在行走