一种外骨骼机器人的移动机架设计与仿真分析
时间：2023-03-04 12:20:04 来源：千叶帆 本文已影响人
周福鑫，杨家春，李健
（广西科技大学，广西 柳州 545000）
随着科学技术的发展，人们设计出针对下肢的外骨骼机器人[1]。在发展初期，外骨骼机器人主要用于军事方面，用于提高士兵在遇到崎岖复杂的山路、难以通过的复杂路段时的机动性和负载能力。随着外骨骼技术的逐渐成熟，下肢康复外骨骼开始应用于残疾用户的辅助康复训练，为残疾患者提供关节助力，帮助患者进行屈曲、伸展训练[2]。
下肢外骨骼康复机器人如今主要分为大型固定式康复机器人、独立的背负式外骨骼和移动式下肢康复机器人。固定式康复机器人结构庞大，功能全面，主要面向无肌力或肌力较弱的用户，无法为用户提供真实行走体验，受到康复训练场地的局限。背负式外骨骼是用户穿着在身上，进行康复训练，增加用户负重，不利于用户进行下肢康复训练。而移动式下肢康复机器人是将移动平台与外骨骼进行组合，既能提供真实的行走体验，又能减轻用户负担。
本文针对实验室所研制的下肢康复训练外骨骼[3]，设计了一款移动机架来承载外骨骼进行康复训练，达到减轻用户负担并实现移动的目的。移动平台通过分析外骨骼机器人在康复训练过程中的工作状态，通过Hyperwork对移动平台进行有限元分析，验证所设计的结构的承载稳定性，为保证外骨骼关节驱动电动机在工作过程中不因共振而损坏[4]，对模型进行模态分析，计算在一阶、二阶模态下的固有频率，为外骨骼康复机器人的搭载提供电动机选择依据，避免因同频振动损坏所搭载的外骨骼电动机，保证设备运行的安全性。为保证移动平台的良好通过性，在遇到轻微颠簸时能够顺利通行，在MSC Adams中搭建虚拟仿真系统，当康复机器人以健康人的行走速度运行时，验证机器人在遇到障碍时的抗倾倒性，保证用户在使用过程中避免倾倒的危险。
针对在使用过程中所需要服务用户群体的范围，根据《中国成年人人体尺寸》（GB/T 10000-1988）[5]中的成年人男性和女性的人体尺寸数据，设计宽度尺寸为1 m，选用304不锈钢材质的圆管作为结构的主要支撑。图1为外骨骼机器人的移动机架结构示意图，机架主要由机身、万向轮和外骨骼调节机构三部分组成，机身是由304不锈钢管组成的U形结构，环绕用户，给用户充足的安全感；
4个万向轮分布在车身底面四角，给机架提供移动能力，选择图2所示具有双刹车功能的万向轮，既可以锁定万向轮转动方向，进行直线行走，也可以解锁实现全向移动，为用户提供不同的行走方案；
外骨骼调节机构如图3所示，由蜗轮蜗杆升降机和丝杆滑台组成，蜗轮蜗杆机构的自锁功能[6]可以保持在固定高度不会发生变化。调节机构作为外骨骼与移动机架的链接部分，可以根据用户身材和外骨骼结构的不同进行宽度和高度的调节。
图1 移动机架示意图
图2 双刹万向轮
图3 外骨骼调节机构
在将外骨骼安装在康复机器人进行使用的过程中，除了要考虑用户使用的舒适性，最基础的就是要保证外骨骼安装的稳定性和用户使用的安全性。本文所表述的外骨骼移动机架是刚性结构，既要承受下肢外骨骼的质量，同时还要承担用户自身的部分质量。移动机架作为外骨骼和用户的支撑结构，其稳定性直接影响到其功能的可行性。本文通过Hypermesh对移动机架进行仿真，分析其结构稳定性。
本节有限元分析主要分为4个过程：
1）本文主要研究对象为移动机架的结构稳定性、抗变形能力，在进行仿真之前，在SolidWorks软件中对结构中不起承重作用的部分进行几何清理，避免因外界因素影响网格质量和仿真效果，而后将模型导入Hypermesh进行后续处理，同时选择UNIT SYSTEM（单位系统）: mm, t,s, N。
2）对研究对象进行有限单元网格划分。在主菜单中选择3D下的tetramesh（四面体网格划分）命令，选择Volume tetra（体积四面体网格划分）选项，单元尺寸设置为2，其余参数默认设置，最后点击mesh，完成网格划分。
3）有限元模型材料属性参数设置。考虑到移动机架的使用环境，在设计时，选用304不锈钢为主体材料。在Hypermesh中单击Materials命令，打开材料创建面板，设置材料名称，将材料类型设为ISOTROPIC，选择材料卡片为MAT1，单击create/edit按钮，创建材料304（参考GB/T 699-1999设置）并打开材料选项卡编辑面板，在数据表中设置Young"s Modulus（弹性模量）为190 GPa，Poisson"s Ratio（泊松比）为0.29，Mass Density（质量密度）为8000 kg/m3，其余参数不变。在Hypermesh快捷工具栏中单击Properties（Materials命令右侧）命令，打开单元属性创建面板，输入属性名称，属性类型选择3D，card image设为PSOLID，材料选择上步中创建的304材料。单击create/edit按钮，创建单元属性并打开单元属性选项卡面板。然后返回，选择assign，打开assign子面板。在elems中选择需要添加属性的单元，设置type为3D，在property中选择上步创建的solid属性。单击assign按钮将单元属性赋给有限元模型。
4）载荷及边界条件设置。移动机架的负载除自身质量外，主要包括外骨骼质量和用户的部分体重，在进行仿真时，外骨骼整体质量为15 kg，用户质量设为65 kg，共80 kg，乘上安全系数1.2，以96 kg的总负载进行仿真分析，对两侧髋关节固定板的关节中心点处分别施加沿-Y 方向480 N的集中力，在底部4个轮子安装位置设置固定约束，如图4所示。
图4 载荷和边界条件设置
5）求解及后处理。利用Optistruct求解器进行求解，并通过Hyperview查看求解结果，静力分析应力云图和变形云图如图5所示。同时为了保证本移动机架在搭载外骨骼过程中不会与下肢外骨骼发生共振，对移动机架进行了一阶、二阶模态分析，仿真效果如图6所示。
图6 移动机架模态分析变形云图
由图5可以看出，在受到96 kg的负载时，云图大范围呈蓝色，移动机架沿Z向最大应变为3.471 mm，最大应力为928.214 MPa，因为外骨骼连接在滑台最内部，且滑台完全探出后，受到极大的力矩，应力集中在滑台与外骨骼连接处。在最大应变位置（滑台端）的综合变形为6.465 mm，因此当用户在使用该款康复机器人移动平台时能够保证用户安全，完成目标运动。
图5 移动机架应力云图和变形云图
从对一阶、二阶模态仿真的结果来看，在一阶振型时，变形主要集中在水平滑台处，最大变形为6.646 mm，频率为8.204 Hz；
在二阶振型时，变形主要集中在模型的后端突出部分，最大变形为8.525 mm，频率为15.534 Hz。正常人行走过程中的摆动频率为2 Hz左右，而使用下肢外骨骼的用户的行走频率，均不高于正常人的行走频率，因此该机架不会在搭载用户进行康复训练的过程中产生共振。
外骨骼康复机器人主要面向身体残疾用户，因此其工作环境是路况相对良好的医院、家庭社区等环境，用户在使用康复机器人的过程中，为防止机器人对患者产生二次伤害，要求康复机器人有良好的运动防倾翻的稳定性，在工作过程中能够保证安全，不因环境影响造成倾覆，达到预期的运动目标。通过查阅文献[7]可知，稳定性判别方法主要是重心投影法（CG Projection Method）与稳定边界法。在不同的应用背景下机器人所需的判别标准也不同，合适的判别标准可以使机器人的各项运动指标均能得到优化，反之亦然[7-8]。
要获得理想的运动必须提供稳定的支撑，当机器人的重心在水平方向的投影位于机器人各轮与地面的接触点构成的凸多边形在水平方向上的投影内时，机器人即处于稳定状态[9]：
式中：（xc，yc，zc）为康复机器人的重心；
mi为构件i的质量；
（xc，yc，zc）为构件i的质心在绝对坐标系∑O中的位置坐标；
∑O为移动平台中心建立坐标系的原点。
将在SolidWorks中绘制的模型导入MSC Adams中，进行移动机架的运动仿真。仿真路况如图5所示，分别设置有一端±5°的坡，一段长度为1.2 m，间距为10 mm，深度为10 mm的模拟连续抖动路面，一段长度为10 cm，间距为20 mm的模拟电梯入口衔接路面。通过测试机架分别在以上位置的质心位置在X、Y及Z轴方向轨迹，其中前进方向为X轴正方向，垂直地面向上为Y轴正方向，垂直纸面向外为Z轴正方向，判断移动机架的稳定性。
图7 仿真路况示意图
图8～图10分别为移动机架质心及各车轮在X、Y和Z方向的质心位置变化图。根据重心投影法稳定判据，可以看出康复机器人整体重心在水平面的投影一直在康复机器人各轮与地面的接触点构成的稳定区域内，故康复机器人处于稳定，不会发生倾翻情况。
图8 质心与各车轮在Y方向上的位置变化
图9 质心与各车轮在Y方向上的位置变化
图10 质心与各车轮在Z方向上的位置变化
为测试在静态环境下，康复机器人受到一个外力时的抗倾翻能力，通过施加侧向力进行稳定性实验（如图11）。当力使其中一个轮胎与地面的接触力接近0时，即可认为康复机器人将不稳定。在康复机器人框架上侧施加一个外力，STEP函数为：STEP（time，0，0，10，1000），该函数施加力的效果为从0 s开始至10 s，外力从0 N增加至1000 N，施加外力曲线如图12所示。可获得康复机器人4个轮及重心在X、Y和Z轴方向的投影如图13～图15所示。
图11 抗倾翻施力示意图
图12 外力曲线示意图
图13 质心与各车轮在X方向上的位置变化
图14 质心与各车轮在Y方向上的位置变化
图15 质心与各车轮在Z方向上的位置变化
通过仿真可以发现，当外力施加到6.5 s时车架在Z方向上发生偏移，7 s时超出安全区域，此时外力达到700 N时，框架的质心越过了康复机器人各轮与地面的接触点构成的稳定区域内，发生侧翻。在移动机架正常使用环境下，很难在此类位置受到如此大的外力作用，故移动机架整体稳定。
通过MSC Adams软件对所绘制模型进行了运动仿真分析，验证了其复杂路面的通过性和受到外力时的抗倾倒能力，为进行实物搭建提供了理论依据。
本文使用三维建模软件SolidWorks建立了针对下肢康复外骨骼的移动机架，在完成结构设计后，使用有限元法软件Hypermesh对整体框架进行了结构的静力学分析和模态分析。通过静力学分析，证明了针对下肢康复外骨骼设计的移动机架的结构强度是符合要求的，通过模态分析，确定了移动平台的固有频率不会与下肢康复外骨骼发生共振。在MSC Adams中进行在复杂使用环境下的路况仿真，证明了移动机架在搭载穿戴下肢康复外骨骼的用户后，能够顺利地在家庭、社区和医院等康养环境下进行康复训练，满足设计要求。
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