空間六自由度外骨骼負重助力裝置結構設計與運動學分析

王玉杰 楊嘉凱 王曉洋 王磊

摘要：外骨骼，又稱動力裝甲或動力服，是一種由外骨骼框架組成且可讓人穿戴的機器，其中動力裝甲更傾向于軍用，融入了先進的控制、信息和通信技術的人-機系統(tǒng)，可以為穿戴者提供防護、支撐作用，并提供一定的輔助動力，大大增強人體自身能力。

關鍵詞：外骨骼；助力裝置；運動學分析；有限元分析

1 引言

軍事上，隨著單兵裝備的不斷升級與增加，士兵的負擔也越來越重。在沉重負荷下，士兵難以開展靈活的運動，而且負載過重會導致士兵體力下降，身體機能變?nèi)?，從而使抵抗力降低，最終使士兵戰(zhàn)斗力下降而無法參與戰(zhàn)斗。

而外骨骼機器人可提高士兵的承載能力、越障能力，從而提高士兵的單兵作戰(zhàn)能力。迄今為止，仿人機器人的發(fā)展大大提高了機器人的智能，但這種智能非常有限。外骨骼機器人的出現(xiàn)很好的解決了這一問題，它能夠有效的實現(xiàn)人的智能與機械力量之間的結合，增強了人類力量、速度和耐力。

2 總體方案介紹

外骨骼式助力機器人要能夠與人體之間產(chǎn)生緊密地機械耦合，作為牽引機構與肢體共同完成協(xié)調(diào)運動，其設計上主要考慮以下原則：

1）輕便、整體尺寸適中，易于驅(qū)動元件的配置；

2）具有足夠的強度和剛度來承受其自身與人體的載荷；

3）作為人體全身的外包圍結構，外骨骼式助力機器人的各部分尺寸、各關節(jié)位置及自由度分配等應與人體真實尺寸盡量一致。

3 材料選型

普通的外骨骼式全包圍結構在加強對人體的支撐和保護作用的同時也增加了機器人本體的重力。因而，針對普通串聯(lián)機器人負載低、末端剛度差的特點，我們選擇航空超硬鋁材料，并設計為外骨骼式雙邊結構，這種特殊的結構不僅減輕了機械臂自身重力又保證了剛度，同時能夠減輕視覺厚重感，容易為患者所接受。

4 自由度配置

作為軍事應用裝置，要求整體結構盡量緊湊，整體尺寸盡可能小，從而減輕機器人自身視覺厚重感及增加便攜性。從機器人外形尺寸、外觀緊湊的角度出發(fā)，肩部屈伸及外展內(nèi)收自由度驅(qū)動電機均由雙鋼輪諧波減速器與機構連接并放大驅(qū)動力，肘部屈伸自由度動力傳遞方式與肩部相似，并利用椎齒輪傳動系改變驅(qū)動力方向。

腕關節(jié)屈伸自由度驅(qū)動器件隱藏于中空手柄中，通過同步帶傳動。

機器人構型簡潔，結構緊湊，銀白色的噴漆處理增強了美觀程度及被患者接受的程度。

5 運動學分析

為驗證所設計的機構的正確性，以平地行走為例，將曲線和樣機模型導入ADAMS中進行驗證。人體軀干長度依據(jù)GB10000-88（中國成年人人體尺寸）設定，人體慣性參數(shù)依據(jù)GB/T17245-2004（成年人人體慣性參數(shù)）設定，為模擬士兵行軍時的負重，在外骨骼機器人的腰帶上面放置64kg重物，外骨骼機器人的材質(zhì)設定為碳纖維。將人體模型和外骨骼模型裝配起來。

由仿真結果，分別得到了一個步態(tài)周期內(nèi)兩腿各關節(jié)的力矩變化曲線。將各關節(jié)的力矩曲線以導入ADAMS中，作為樣機各關節(jié)的驅(qū)動力矩，在樣機和地面之間設置impact接觸，并將大腿和足部的綁帶簡化為剛性連接，可以看到樣機模型能夠在ADAMS里面順利平穩(wěn)的行走起來，各關節(jié)的角度變化曲線如圖所示，基本符合人體行走各關節(jié)的角度特性。

6 有限元分析結果

外骨骼機器人髖關節(jié)是主要承受力關節(jié)，在各位姿轉(zhuǎn)變時刻，均是髖關節(jié)承受的力較大。外骨骼結構的剛度和強度都應滿足設計要求，即最大應力和最大變形均在材料許用值范圍內(nèi)。

有限元分析顯示了外骨骼機器人結構在約束和載荷的強度和剛度特性，具體分析結果如下：

1、該外骨骼機器人結構的最大應力值為624.79MP，出現(xiàn)在右側(cè)髖關節(jié)處。

2、外骨骼機器人整體最大變形為0.0087999mm 出現(xiàn)在右側(cè)髖關節(jié)處。

3、外骨骼結構應力分布較為均勻，主要集中在62-260MP之間

有限元分析結果表明：整套外骨骼裝置最大可承擔負重為63.7Kg。人體感知重量為13.2Kg。

7 總結

人體外骨骼技術是近年來的熱點研究領域，屬于特種機器人的范疇，其研究內(nèi)容包括外骨骼機械裝置、人-機系統(tǒng)運動學分析、多傳感器信息融合理論、人體運動意圖的判別及控制方法等方面。隨著對外骨骼機器人的不斷研究與認識，人們對于其機構與控制方面的設計也越來越好，且更加著重于追求人機一體化。

參考文獻：

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