空间六自由度外骨骼负重助力装置结构设计与运动学分析

王玉杰 杨嘉凯 王晓洋 王磊

摘要：外骨骼，又称动力装甲或动力服，是一种由外骨骼框架组成且可让人穿戴的机器，其中动力装甲更倾向于军用，融入了先进的控制、信息和通信技术的人-机系统，可以为穿戴者提供防护、支撑作用，并提供一定的辅助动力，大大增强人体自身能力。

关键词：外骨骼；助力装置；运动学分析；有限元分析

1 引言

军事上，随着单兵装备的不断升级与增加，士兵的负担也越来越重。在沉重负荷下，士兵难以开展灵活的运动，而且负载过重会导致士兵体力下降，身体机能变弱，从而使抵抗力降低，最终使士兵战斗力下降而无法参与战斗。

而外骨骼机器人可提高士兵的承载能力、越障能力，从而提高士兵的单兵作战能力。迄今为止，仿人机器人的发展大大提高了机器人的智能，但这种智能非常有限。外骨骼机器人的出现很好的解决了这一问题，它能够有效的实现人的智能与机械力量之间的结合，增强了人类力量、速度和耐力。

2 总体方案介绍

外骨骼式助力机器人要能够与人体之间产生紧密地机械耦合，作为牵引机构与肢体共同完成协调运动，其设计上主要考虑以下原则：

1）轻便、整体尺寸适中，易于驱动元件的配置；

2）具有足够的强度和刚度来承受其自身与人体的载荷；

3）作为人体全身的外包围结构，外骨骼式助力机器人的各部分尺寸、各关节位置及自由度分配等应与人体真实尺寸尽量一致。

3 材料选型

普通的外骨骼式全包围结构在加强对人体的支撑和保护作用的同时也增加了机器人本体的重力。因而，针对普通串联机器人负载低、末端刚度差的特点，我们选择航空超硬铝材料，并设计为外骨骼式双边结构，这种特殊的结构不仅减轻了机械臂自身重力又保证了刚度，同时能够减轻视觉厚重感，容易为患者所接受。

4 自由度配置

作为军事应用装置，要求整体结构尽量紧凑，整体尺寸尽可能小，从而减轻机器人自身视觉厚重感及增加便携性。从机器人外形尺寸、外观紧凑的角度出发，肩部屈伸及外展内收自由度驱动电机均由双钢轮谐波减速器与机构连接并放大驱动力，肘部屈伸自由度动力传递方式与肩部相似，并利用椎齿轮传动系改变驱动力方向。

腕关节屈伸自由度驱动器件隐藏于中空手柄中，通过同步带传动。

机器人构型简洁，结构紧凑，银白色的喷漆处理增强了美观程度及被患者接受的程度。

5 运动学分析

為验证所设计的机构的正确性，以平地行走为例，将曲线和样机模型导入ADAMS中进行验证。人体躯干长度依据GB10000-88（中国成年人人体尺寸）设定，人体惯性参数依据GB/T17245-2004（成年人人体惯性参数）设定，为模拟士兵行军时的负重，在外骨骼机器人的腰带上面放置64kg重物，外骨骼机器人的材质设定为碳纤维。将人体模型和外骨骼模型装配起来。

由仿真结果，分别得到了一个步态周期内两腿各关节的力矩变化曲线。将各关节的力矩曲线以导入ADAMS中，作为样机各关节的驱动力矩，在样机和地面之间设置impact接触，并将大腿和足部的绑带简化为刚性连接，可以看到样机模型能够在ADAMS里面顺利平稳的行走起来，各关节的角度变化曲线如图所示，基本符合人体行走各关节的角度特性。

6 有限元分析结果

外骨骼机器人髋关节是主要承受力关节，在各位姿转变时刻，均是髋关节承受的力较大。外骨骼结构的刚度和强度都应满足设计要求，即最大应力和最大变形均在材料许用值范围内。

有限元分析显示了外骨骼机器人结构在约束和载荷的强度和刚度特性，具体分析结果如下：

1、该外骨骼机器人结构的最大应力值为624.79MP，出现在右侧髋关节处。

2、外骨骼机器人整体最大变形为0.0087999mm 出现在右侧髋关节处。

3、外骨骼结构应力分布较为均匀，主要集中在62-260MP之间

有限元分析结果表明：整套外骨骼装置最大可承担负重为63.7Kg。人体感知重量为13.2Kg。

7 总结

人体外骨骼技术是近年来的热点研究领域，属于特种机器人的范畴，其研究内容包括外骨骼机械装置、人-机系统运动学分析、多传感器信息融合理论、人体运动意图的判别及控制方法等方面。随着对外骨骼机器人的不断研究与认识，人们对于其机构与控制方面的设计也越来越好，且更加着重于追求人机一体化。

参考文献：

[1]瞿畅，吴炳，陈厚军，于陈陈，沈芳.体感控制的上肢外骨骼镜像康复机器人系统[J/OL].中国机械工程，2018（20）：1-5[2018-10-24].

[2]李剑锋，赵朋波，张雷雨，陶春静，季润，刘钧辉.一种新型自适应康复外骨骼机构及重力平衡优化[J].工程科学与技术，2018，50（05）：263-270.