下肢外骨骼运动学与ADAMS仿真分析

曹宇飞 樊 军

（新疆大学 机械工程学院，乌鲁木齐 830047）

当前，我国农业和工业生产过程中仍然存在很多的手工作业环节，工作量大、效率低下。因此，本文设计了一个3-DOF下肢外骨骼机构，对其运动学进行分析，然后通过控制跨步调整脚着地位置的方法，确保了机构的稳定性。最后通过ADAMS仿真，结果显示，本文建立的外骨骼机构稳定性良好，实现了助力目的，满足设计要求。

1 下肢外骨骼模型的构建

下肢外骨骼机构在工作时需具备负载能力大、强度大及仿人形运动等特点[1]。为了使下肢外骨骼穿戴方便及运动灵活，本文设计了一个具有3-DOF的下肢外骨骼机构，模型如图1所示[2]。

图1 下肢外骨骼机构设计模型

此机构主要由髋关节、膝关节、踝关节及足部等构成。该设计机构可以满足穿戴者仿照正常的步态行走运动，准确地模拟人体行走过程中的复杂耦合运动，可一定程度上保证行走的稳定性。

2 动力学建模

2.1 位置正反解分析

机构位置正解问题用指数积公式法来进行分析[3]。并联结构的正运动学公式可表示为：

矩阵的指数形式表示为式（2）：

根据式（2），可推出O3点的位置公式：

机器人的运动学反解问题指已知其末端运动执行器的位形，求此时机构的所有关节转角及位移的问题[4]。对于n自由度的开链机构，在式（1）两边均乘以(0)，则可表达为：

2.2 机构的雅克比矩阵及其奇异性

˙

机构各个支链的伸缩速度表示为L ，末端运动执行器的广义速度表示为X，并且要求。机构的输入和输出的速度应当为，其中J=J2-1J1，J1表示逆雅克比矩阵，J2表示正雅克比矩阵[5]。

由以上可以发现，此机构J1的行列式不等于0。因此，下面基于J2来分析它的奇异位形。令det（J2）=0，可整理得：

由式（5）可知，当a1=a3，a2=a4时，B点与H点重合，此处即为髋关节奇异位形处，即死点位置。

3 控制策略

本文通过调整跨步腿落脚点的位置以改变支撑多边形，使其在运动时可以跨过奇异位置，实现下肢外骨骼系统的运动连贯性和稳定性，如图2所示。

图2 外骨骼系统脚着地位置的确定

根据式（6）可得脚的移动方向改变角αf，即奇异位置时欧拉角的逆运动角。

根据式（7）可得脚所移动的距离lf。

在因腿部的额外移动导致的重心变化量可忽略不计的情况下，当下肢外骨骼系统位于新的落脚位置时，系统将处于稳定状态。

4 人-机系统联合负重仿真

在腰部支架上添加一个重40kg的重物作为负载块，并认为负载的重量完全作用在外骨骼上，构建了人-机系统联合负重模型，如图3所示。

图3 人-机系统联合负重行走模型

4.1 仿真过程

运动学仿真过程如下：记录仿真过程中的髋、膝和踝关节力矩变化；建立垂直于地面的支撑，在外骨骼足部底面与底面之间建立“固固相连”类型的接触，并将重力加速度的大小和方向设定好；运行仿真，时间为2s，步数为50步。

4.2 仿真结果

如图4所示，通过与人体负重时，各关节的力矩进行对比可以发现，在穿戴上外骨骼后进行负重运动，人体下肢各关节的力矩与之前相比有明显的减小，这说明本文所建立的下肢外骨骼具有助力特性而且效果突出，尤其是在髋关节以及膝关节处更为明显。

5 结语

本文首先建立了一个3-DOF下肢外骨骼的模型，对其运动学进行了分析，然后利用跨步调整脚着地位置的控制策略方法，确保机构的稳定性。最后通过ADAMS仿真，对比穿戴外骨骼前后人体各关节力矩，结果显示，本文建立的下肢外骨骼机构稳定性良好，实现了助力目的，满足设计要求。

图4 穿戴外骨骼前后人体各关节力矩对比曲线