搬運(yùn)助力外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

黃彬鑫

（重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 10618）

0 引言

外骨骼是指模仿人體運(yùn)動(dòng)形式幫助穿戴者分擔(dān)外界重量、保護(hù)身體和增強(qiáng)人體能力的機(jī)器，是融合機(jī)械、電氣、傳感器、控制等綜合技術(shù)于一體的智能設(shè)備?？纱┐魇酵夤趋朗悄芟褚路粯雍芊奖愕摹按痹谌梭w身上，增加人體力量和輔助人體運(yùn)動(dòng)，不會(huì)對(duì)人自身的運(yùn)動(dòng)造成干涉或者阻礙。可穿戴式助力外骨骼在軍事、醫(yī)療、救援和日常生活中發(fā)揮著重要的作用。如今助力外骨骼機(jī)器人的研究已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)[1]。在國外，針對(duì)助力外骨骼機(jī)器人的研究較早，美國和日本在外骨骼研究領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位，相關(guān)技術(shù)比較完善。如美國加州大學(xué)伯克利分校研制的BLEEX外骨骼助力機(jī)器人[2]、美國雷神公司的XOS-2助力外骨骼機(jī)器人[3]、美國洛克希德·馬丁公司研制的HULC外骨骼機(jī)器人[4]等，都能很好地給予穿戴者一定的力量輔助，常用于軍事行動(dòng)中。美國華盛頓大學(xué)研制的可穿戴式外骨骼機(jī)器人CADEN-7[5]能夠達(dá)到主動(dòng)訓(xùn)練人體上肢的目的，日本筑波大學(xué)研制的HAL外骨骼機(jī)器人[6]，可以較好地幫助人們進(jìn)行日?；顒?dòng)和輔助行走。但這些助力外骨骼機(jī)器人大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴或者只側(cè)重于單方面助力，國內(nèi)外對(duì)外骨骼助力機(jī)器人的研究較多的集中于軍事行動(dòng)與康復(fù)領(lǐng)域，在民用領(lǐng)域涉及較少。因此有必要設(shè)計(jì)出一款結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，適用于大多數(shù)勞動(dòng)者需求的助力外骨骼機(jī)器人，能夠給予穿戴者在作業(yè)過程中一定的力量輔助來減輕勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，還可以提高工作效率。

1 搬運(yùn)助力外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 人體運(yùn)動(dòng)分析

根據(jù)人體結(jié)構(gòu)特征可知，人體基本結(jié)構(gòu)主要?jiǎng)澐譃槭笭蠲?、額狀面與水平面三個(gè)平面，如圖1所示。這三個(gè)平面分別將人體劃分為左右兩面、前后兩面與上下兩面[7]。三條基準(zhǔn)軸分別是矢狀軸、額狀軸與垂直軸，這三條軸線分別垂直于額狀面、矢狀面與水平面[8]。對(duì)于搬運(yùn)助力外骨骼機(jī)器人所涉及的搬運(yùn)動(dòng)作，基本運(yùn)動(dòng)都是圍繞著這三個(gè)參考平面和參考軸進(jìn)行的。人體是一個(gè)極其復(fù)雜且精細(xì)劃的組織結(jié)構(gòu)，其自由度較多，運(yùn)動(dòng)方式也很復(fù)雜?？紤]到外骨骼在滿足穿戴者需求的前提下，要求使外骨骼結(jié)構(gòu)簡單，因此，對(duì)人體腕關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)暫不考慮外骨骼的助力，主要考慮上肢肩關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)，下肢髖關(guān)節(jié)助力，人體上肢自由度分布如圖2所示，即肩關(guān)節(jié)的屈伸、外展內(nèi)收與旋內(nèi)旋外運(yùn)動(dòng)，肘關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動(dòng)。

圖1 人體空間劃分圖

圖2 人體上肢自由度

1.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于人體運(yùn)動(dòng)機(jī)理與GB10000—88中國成年人人體尺寸相關(guān)參數(shù)，設(shè)計(jì)了搬運(yùn)助力外骨骼機(jī)器人三維圖，如圖3所示。

圖3 搬運(yùn)助力外骨骼機(jī)器人三維圖

搬運(yùn)助力外骨骼機(jī)器人主要包括上肢助力外骨骼與髖關(guān)節(jié)助力外骨骼兩部分，外骨骼的背部采用鏤空結(jié)構(gòu)，便于散熱、減重。外骨骼機(jī)器人肩關(guān)節(jié)處有3個(gè)自由度，能實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的屈伸、外展內(nèi)收與旋內(nèi)旋外，考慮到安全性問題，設(shè)置了限位機(jī)構(gòu)。肘關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)各1個(gè)屈伸自由度。為保證外骨骼能與不同穿戴者進(jìn)行良好的契合，在外骨骼肩部連接板、大臂支撐板和腰部支撐架分別設(shè)計(jì)了長度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。在搬運(yùn)行走過程中，人體主要受力關(guān)節(jié)為肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)，為節(jié)約成本、簡化結(jié)構(gòu)，只在主要受力關(guān)節(jié)處設(shè)置驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，驅(qū)動(dòng)方式選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

圖4 驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 搬運(yùn)助力外骨骼靜力學(xué)分析

搬運(yùn)助力外骨骼穿戴在人體外側(cè)，在設(shè)計(jì)外骨骼機(jī)構(gòu)時(shí)，要求外骨骼具有穿戴舒適、使用安全、高效助力等特性，因此需要考慮外界因素對(duì)其造成的影響。人體在搬運(yùn)物體時(shí)會(huì)受到來自物體的沖擊與振動(dòng)，因此對(duì)外骨骼機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力分析是非常有必要的。

搬運(yùn)助力外骨骼機(jī)器人主要的受力部位為外骨骼的上肢，其中大臂支撐板和小臂支撐板起主要受力作用，故對(duì)大臂支撐板和小臂支撐板進(jìn)行靜力學(xué)分析。將創(chuàng)建的模型導(dǎo)入到ANSYS中，然后定義材料屬性為06Cr19Ni10（304不銹鋼)，最后對(duì)所導(dǎo)入的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、添加約束與載荷，分析結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 大臂支撐板應(yīng)力和應(yīng)變分布云圖

圖6 小臂支撐板應(yīng)力和應(yīng)變分布云圖

由圖5可以看出：在施加載荷時(shí)，大臂支撐板的最大應(yīng)力為6.33 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.001 6 mm，因大臂支撐板選用304不銹鋼，其屈服強(qiáng)度為205 MPa，為滿足要求取該材料的安全系數(shù)為1.5，故可知應(yīng)力最大值遠(yuǎn)低于304不銹鋼的許用應(yīng)力137 MPa，且最大變形位移與整體尺寸相比可忽略不計(jì)，可見，肩關(guān)節(jié)支撐板設(shè)計(jì)合理。由圖6可以看出：在施加載荷時(shí)，小臂支撐板的最大應(yīng)力為23.2 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.023 mm，該處的材料與大臂支撐板相同，故可知應(yīng)力最大值遠(yuǎn)低于304不銹鋼的許用應(yīng)力137 MPa，且最大變形位移與整體尺寸相比可忽略不計(jì)，因此，小臂支撐板設(shè)計(jì)合理。

3 搬運(yùn)助力外骨骼運(yùn)動(dòng)仿真分析

搬運(yùn)助力外骨骼機(jī)器人的虛擬樣機(jī)仿真[9]，主要是針對(duì)外骨骼機(jī)器人的主要運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即搬運(yùn)狀態(tài)進(jìn)行仿真。由于搬運(yùn)助力外骨骼機(jī)器人在進(jìn)行搬運(yùn)動(dòng)作時(shí)上肢外骨骼起主導(dǎo)作用，而髖關(guān)節(jié)外骨骼達(dá)到助行輔助的作用，所以只對(duì)上肢外骨骼進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。首先在三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks中建立好上肢外骨骼模型，并另存為Parasolid（*.x_t)格式，然后導(dǎo)入到虛擬樣機(jī)軟件ADAMS中。因?yàn)槿梭w搬運(yùn)動(dòng)作是在矢狀面內(nèi)進(jìn)行的，為簡化仿真，將上肢肩關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)的屈/伸關(guān)節(jié)設(shè)置為主動(dòng)驅(qū)動(dòng)，肩關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展和旋內(nèi)/旋外設(shè)置為固定約束。因?yàn)樵谶M(jìn)行搬運(yùn)動(dòng)作時(shí)，上肢右臂與左臂動(dòng)作總是同步，故只對(duì)右臂進(jìn)行仿真分析即可。上肢外骨骼仿真模型的初始位置如圖7所示，上臂與前臂成豎直狀態(tài)。

根據(jù)以后要建立的樣機(jī)的實(shí)際材料與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為導(dǎo)入后的模型添加材料、約束及自由度等必需的前處理要求，再根據(jù)實(shí)際的搬運(yùn)動(dòng)作狀態(tài)為導(dǎo)入后的模型添加準(zhǔn)確的驅(qū)動(dòng)函數(shù)。虛擬模型的運(yùn)動(dòng)控制需要知道各個(gè)關(guān)節(jié)角度變化規(guī)律。在ADMAS運(yùn)動(dòng)學(xué)控制中，最常用的控制函數(shù)為STEP函數(shù)，基本格式為STEP（x，x0，h0，x1，h1）[10]。其中x——變量；可以是時(shí)間或者時(shí)間的任意函數(shù)；x0和x1——變量x的初始值和終止值?？梢允浅?shù)、函數(shù)表達(dá)式或設(shè)計(jì)變量；h 0和h1——對(duì)應(yīng)x0和x1的函數(shù)值?？梢允浅?shù)、設(shè)計(jì)變量或其它函數(shù)表達(dá)式。

圖7 上肢外骨骼仿真模型

施加在肩關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)如下：右肩關(guān)節(jié)：-（Step（time，0，0 d，5，25 d)），右肘關(guān)節(jié)：-（Step（time，0，0 d，5，65 d)）。通過Adams中的Simulation工具，設(shè)定仿真時(shí)間為5 s，仿真步數(shù)為200，進(jìn)行仿真運(yùn)算后，得到上肢外骨骼搬運(yùn)的仿真過程，如圖8。

圖8 上肢外骨骼搬運(yùn)仿真過程

ADAMS仿真解算過程主要包括：數(shù)據(jù)導(dǎo)入驅(qū)動(dòng)器、數(shù)據(jù)檢查、機(jī)構(gòu)裝配及約束情況的檢驗(yàn)、運(yùn)動(dòng)函數(shù)的形成、運(yùn)算過程中的錯(cuò)誤檢查和信息輸出、結(jié)果輸出及曲線圖繪制與后處理分析等。一般來說對(duì)ADAMS/View模塊下設(shè)置好的系統(tǒng)，ADAMS/Solver模塊會(huì)自動(dòng)求解，對(duì)于求解存在的錯(cuò)誤及問題將會(huì)輸出詳細(xì)的報(bào)告，求解成功進(jìn)入Postprocessor分析處理。

通過仿真處理模塊Postprocessor將數(shù)據(jù)導(dǎo)出后得到上臂與前臂質(zhì)心的位置與速度變化曲線，如圖9～圖11。由圖可知，在搬運(yùn)物體的過程中，外骨骼上臂與前臂質(zhì)心在Y、Z方向位移均增大，其中上臂質(zhì)心在Y、Z方向的位移變化較小，前臂質(zhì)心在Y、Z方向的位移變化較大；上臂與前臂質(zhì)心的速度變化曲線規(guī)律相似，呈先增后減變化趨勢(shì)，相比于上臂，前臂的質(zhì)心速度變化趨勢(shì)更為突出。這與人體上肢搬運(yùn)物體的特征相符合。仿真結(jié)果表明，上肢外骨骼能夠達(dá)到搬運(yùn)物體的要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案具有較高可行性。

圖9 外骨骼上臂與前臂質(zhì)心在Y方向變化曲線

圖10 外骨骼上臂與前臂質(zhì)心在Z方向變化曲線

圖11 外骨骼上臂與前臂質(zhì)心速度變化曲線

4 結(jié)語

考慮到現(xiàn)有搬運(yùn)助力外骨骼結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能單一的問題，提出并設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，且能同時(shí)實(shí)現(xiàn)人體上肢助力與髖關(guān)節(jié)助力，適用于大多數(shù)勞動(dòng)者需求的搬運(yùn)助力外骨骼機(jī)器人。通過對(duì)人體運(yùn)動(dòng)機(jī)理的分析，利用Solidworks軟件完成了對(duì)外骨骼的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的建模，同時(shí)對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行了靜力學(xué)分析，確定了零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。結(jié)合上肢三維模型、人體搬運(yùn)動(dòng)作要求與驅(qū)動(dòng)函數(shù)，在Adams軟件中對(duì)外骨骼進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析，得到了上臂與前臂做屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)質(zhì)心位置與速度變化曲線圖，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果基本一致，表明該外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案具有較高可行性，為后續(xù)樣機(jī)的制作與控制方法研究奠定了理論基礎(chǔ)。