搬運助力外骨骼結構設計與仿真分析

黃彬鑫

（重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶 10618）

0 引言

外骨骼是指模仿人體運動形式幫助穿戴者分擔外界重量、保護身體和增強人體能力的機器，是融合機械、電氣、傳感器、控制等綜合技術于一體的智能設備?？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動，不會對人自身的運動造成干涉或者阻礙。可穿戴式助力外骨骼在軍事、醫療、救援和日常生活中發揮著重要的作用。如今助力外骨骼機器人的研究已經成為全球范圍內的研究熱點[1]。在國外，針對助力外骨骼機器人的研究較早，美國和日本在外骨骼研究領域中處于領先地位，相關技術比較完善。如美國加州大學伯克利分校研制的BLEEX外骨骼助力機器人[2]、美國雷神公司的XOS-2助力外骨骼機器人[3]、美國洛克希德·馬丁公司研制的HULC外骨骼機器人[4]等，都能很好地給予穿戴者一定的力量輔助，常用于軍事行動中。美國華盛頓大學研制的可穿戴式外骨骼機器人CADEN-7[5]能夠達到主動訓練人體上肢的目的，日本筑波大學研制的HAL外骨骼機器人[6]，可以較好地幫助人們進行日常活動和輔助行走。但這些助力外骨骼機器人大多結構復雜，造價昂貴或者只側重于單方面助力，國內外對外骨骼助力機器人的研究較多的集中于軍事行動與康復領域，在民用領域涉及較少。因此有必要設計出一款結構相對簡單，適用于大多數勞動者需求的助力外骨骼機器人，能夠給予穿戴者在作業過程中一定的力量輔助來減輕勞動負擔，還可以提高工作效率。

1 搬運助力外骨骼結構設計

1.1 人體運動分析

根據人體結構特征可知，人體基本結構主要劃分為矢狀面、額狀面與水平面三個平面，如圖1所示。這三個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]。對于搬運助力外骨骼機器人所涉及的搬運動作，基本運動都是圍繞著這三個參考平面和參考軸進行的。人體是一個極其復雜且精細劃的組織結構，其自由度較多，運動方式也很復雜?？紤]到外骨骼在滿足穿戴者需求的前提下，要求使外骨骼結構簡單，因此，對人體腕關節、膝關節和踝關節暫不考慮外骨骼的助力，主要考慮上肢肩關節與肘關節，下肢髖關節助力，人體上肢自由度分布如圖2所示，即肩關節的屈伸、外展內收與旋內旋外運動，肘關節的屈伸運動。

圖1 人體空間劃分圖

圖2 人體上肢自由度

1.2 整體結構設計

基于人體運動機理與GB10000—88中國成年人人體尺寸相關參數，設計了搬運助力外骨骼機器人三維圖，如圖3所示。

圖3 搬運助力外骨骼機器人三維圖

搬運助力外骨骼機器人主要包括上肢助力外骨骼與髖關節助力外骨骼兩部分，外骨骼的背部采用鏤空結構，便于散熱、減重。外骨骼機器人肩關節處有3個自由度，能實現肩關節的屈伸、外展內收與旋內旋外，考慮到安全性問題，設置了限位機構。肘關節和髖關節各1個屈伸自由度。為保證外骨骼能與不同穿戴者進行良好的契合，在外骨骼肩部連接板、大臂支撐板和腰部支撐架分別設計了長度調節機構。在搬運行走過程中，人體主要受力關節為肩關節、肘關節和髖關節，為節約成本、簡化結構，只在主要受力關節處設置驅動裝置，驅動裝置結構示意圖如圖4所示，驅動方式選擇電機驅動。

圖4 驅動裝置結構示意圖

2 搬運助力外骨骼靜力學分析

搬運助力外骨骼穿戴在人體外側，在設計外骨骼機構時，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其造成的影響。人體在搬運物體時會受到來自物體的沖擊與振動，因此對外骨骼機構進行靜力分析是非常有必要的。

搬運助力外骨骼機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，故對大臂支撐板和小臂支撐板進行靜力學分析。將創建的模型導入到ANSYS中，然后定義材料屬性為06Cr19Ni10（304不銹鋼)，最后對所導入的模型進行網格劃分、添加約束與載荷，分析結果如圖5、圖6所示。

圖5 大臂支撐板應力和應變分布云圖

圖6 小臂支撐板應力和應變分布云圖

由圖5可以看出：在施加載荷時，大臂支撐板的最大應力為6.33 MPa，最大應變為0.001 6 mm，因大臂支撐板選用304不銹鋼，其屈服強度為205 MPa，為滿足要求取該材料的安全系數為1.5，故可知應力最大值遠低于304不銹鋼的許用應力137 MPa，且最大變形位移與整體尺寸相比可忽略不計，可見，肩關節支撐板設計合理。由圖6可以看出：在施加載荷時，小臂支撐板的最大應力為23.2 MPa，最大應變為0.023 mm，該處的材料與大臂支撐板相同，故可知應力最大值遠低于304不銹鋼的許用應力137 MPa，且最大變形位移與整體尺寸相比可忽略不計，因此，小臂支撐板設計合理。

3 搬運助力外骨骼運動仿真分析

搬運助力外骨骼機器人的虛擬樣機仿真[9]，主要是針對外骨骼機器人的主要運動狀態，即搬運狀態進行仿真。由于搬運助力外骨骼機器人在進行搬運動作時上肢外骨骼起主導作用，而髖關節外骨骼達到助行輔助的作用，所以只對上肢外骨骼進行運動仿真分析。首先在三維設計軟件SolidWorks中建立好上肢外骨骼模型，并另存為Parasolid（*.x_t)格式，然后導入到虛擬樣機軟件ADAMS中。因為人體搬運動作是在矢狀面內進行的，為簡化仿真，將上肢肩關節與肘關節的屈/伸關節設置為主動驅動，肩關節內收/外展和旋內/旋外設置為固定約束。因為在進行搬運動作時，上肢右臂與左臂動作總是同步，故只對右臂進行仿真分析即可。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。

根據以后要建立的樣機的實際材料與運動狀態，為導入后的模型添加材料、約束及自由度等必需的前處理要求，再根據實際的搬運動作狀態為導入后的模型添加準確的驅動函數。虛擬模型的運動控制需要知道各個關節角度變化規律。在ADMAS運動學控制中，最常用的控制函數為STEP函數，基本格式為STEP（x，x0，h0，x1，h1）[10]。其中x——變量；可以是時間或者時間的任意函數；x0和x1——變量x的初始值和終止值?？梢允浅怠⒑瘮当磉_式或設計變量；h 0和h1——對應x0和x1的函數值?？梢允浅?、設計變量或其它函數表達式。

圖7 上肢外骨骼仿真模型

施加在肩關節與肘關節的驅動函數如下：右肩關節：-（Step（time，0，0 d，5，25 d)），右肘關節：-（Step（time，0，0 d，5，65 d)）。通過Adams中的Simulation工具，設定仿真時間為5 s，仿真步數為200，進行仿真運算后，得到上肢外骨骼搬運的仿真過程，如圖8。

圖8 上肢外骨骼搬運仿真過程

ADAMS仿真解算過程主要包括：數據導入驅動器、數據檢查、機構裝配及約束情況的檢驗、運動函數的形成、運算過程中的錯誤檢查和信息輸出、結果輸出及曲線圖繪制與后處理分析等。一般來說對ADAMS/View模塊下設置好的系統，ADAMS/Solver模塊會自動求解，對于求解存在的錯誤及問題將會輸出詳細的報告，求解成功進入Postprocessor分析處理。

通過仿真處理模塊Postprocessor將數據導出后得到上臂與前臂質心的位置與速度變化曲線，如圖9～圖11。由圖可知，在搬運物體的過程中，外骨骼上臂與前臂質心在Y、Z方向位移均增大，其中上臂質心在Y、Z方向的位移變化較小，前臂質心在Y、Z方向的位移變化較大；上臂與前臂質心的速度變化曲線規律相似，呈先增后減變化趨勢，相比于上臂，前臂的質心速度變化趨勢更為突出。這與人體上肢搬運物體的特征相符合。仿真結果表明，上肢外骨骼能夠達到搬運物體的要求，結構設計方案具有較高可行性。

圖9 外骨骼上臂與前臂質心在Y方向變化曲線

圖10 外骨骼上臂與前臂質心在Z方向變化曲線

圖11 外骨骼上臂與前臂質心速度變化曲線

4 結語

考慮到現有搬運助力外骨骼結構復雜、功能單一的問題，提出并設計了一款結構相對簡單，且能同時實現人體上肢助力與髖關節助力，適用于大多數勞動者需求的搬運助力外骨骼機器人。通過對人體運動機理的分析，利用Solidworks軟件完成了對外骨骼的整體機械結構的建模，同時對關鍵零部件進行了靜力學分析，確定了零部件結構設計的合理性。結合上肢三維模型、人體搬運動作要求與驅動函數，在Adams軟件中對外骨骼進行了運動仿真分析，得到了上臂與前臂做屈伸運動時質心位置與速度變化曲線圖，發現仿真結果與理論分析結果基本一致，表明該外骨骼機器人結構設計方案具有較高可行性，為后續樣機的制作與控制方法研究奠定了理論基礎。