【名人堂作品展示3】基于ADAMS的外骨骼机器人仿真分析

作者介绍INTRODUTION作者：一二从事领域：汽车工艺单位：神龙汽车有限公司职位：工程师作品展示PREN...

作者介绍INTRODUTION

作者：一二

从事领域：汽车工艺

单位：神龙汽车有限公司

职位：工程师

作品展示PRENTATION

1. 背景介绍

我国行走不便的人群数量较大并呈逐年上升的趋势，其中主要包括行走不便的老人以及因外伤、疾病等原因导致的行走功能障碍的患者。

本文中所提及的外骨骼机器人的用途是帮助下肢行走不便的人穿戴行走，让他们能够脱离轮椅，独立自主的生活。

通过虚拟的行走仿真分析，不仅可以分析所设计步态的运动特征，还可以分析步态过程的动力学特征，为所设计的外骨骼机器人结构提供理论支持。

2. 外骨骼机器人三维模型介绍

外骨骼机器人的三维模型是基于PRO/E建模，其三维模型及穿戴如图1所示。3. 外骨骼机器人行走仿真分析

3.1 导入三维模型

PRO/E软件通过Parasolid格式作为中介，将三维模型导入到ADAMS软件，为了简化模型，将不影响运动关系的螺钉、电机等模型删除，导入的模型如图2所示。

外骨骼机器人三维模型导入Adams后，首先需要构建一个简易的“穿戴者”下肢模型，注意在构建下肢模型的过程中，一定要保证“穿戴者”的下肢模型要与外骨骼机器人的下肢匹配，特别是两者下肢的髋关节、膝关节和踝关节要保持严格的对应关系。

为了方便模型之间的匹配，可以直接在Adams软件环境中构建“穿戴者”模型；外骨骼机器人的“穿戴”模型如图3所示。

3.2 运动副和驱动设置

前面已经导入了外骨骼机器人三维模型，也构建了穿戴者的模型，将运动一致的构件进行布尔和运算将零件合并，经过模型的简化，总共有19个可移动构件。

接着需要建立各个构件之间的虚拟运动副以及虚拟驱动。所建立的模型结果信息如表1所示。



髋关节和膝关节的驱动结构的运动副和驱动设置是一致的，在螺杆上设置螺旋副和转动副，其中转动副设置为虚拟驱动，与螺杆配合的螺母设置移动副，连杆两头设置转动副，其详细设置情况如图5所示。

3.3 质量分布设置

外骨骼机器人的运动副和驱动设置完后，还需要设置接近实际的质量分布，才能够准确地进行动力学仿真分析。将穿戴者的体重设置为外骨骼机器人的极限承载，即80KG，再加之外骨骼机器人本身的质量20KG，所以总的质量为100KG。

为了更加简化模型，将整个穿戴模型的质量分布与人体的质量分布等同对待。采用CT-图像分析法测算50例我国男性青年，得到如表2所示的我国男性青年各个环节相对质量分布。



根据表2所示的质量分布数据，将各部分构件赋予相应的质量属性。由于在构建穿戴者模型时忽略了手的影响，这里将上臂、前臂和手的质量一并加入到躯干构件中。

3.4 行走仿真分析准备工作

行走仿真分析准备工作主要有以下四个方面：

（1）构建大地模型；

（2）添加机器人模型与大地之间的约束；

（3）添加机器人模型与大地之间的接触力；

（4）添加驱动函数。

(1)构建大地模型

在行走仿真分析前，需要构建大地模型。大地模型如图4所示。（2）添加机器人模型与大地之间的约束

在仿真分析前，可以添加身躯与大地以及脚板与大地之间的平行副，其中身躯与大地之间的平行副约束可以保证模型在行走的过程中，人的身躯始终垂直于地面，这样就起到了拐杖的作用，从而避免仿真过程中因为重心不稳而摔倒；

而脚板与大地之间的平行副约束可以保证在行走的过程中，脚板始终与大地之间平行，从而避免了脚板拖在地面上，影响行走仿真的可靠性。

（3）添加机器人模型与大地之间的接触力

机器人模型在行走的过程中，要与地面产生接触力，因此需要添加左右脚板与地面之间的接触力。

（4）添加驱动函数

本文的穿戴行走只有4个关节的虚拟驱动，即左右髋关节和膝关节有主动驱动，踝关节则作为被动驱动。

直接添加自定义的样条线性数据作为驱动函数，即使用Adams中的AKISPL样条函数。四个驱动函数是角位移类型的函数，如图5至8所示，其中X坐标代表时间，单位是秒，Y坐标代表角位移，单位是度。

3.5 穿戴行走运动学步态分析

本文中设计的步态是适合下肢残障人士的，因此应该满足以下三个条件：

（1）步行速度慢，从而给穿戴者足够的时间来调整行走的重心平稳；

（2）步长短，让重心尽可能的接近脚板平衡区域，易于调整重心平衡；

（3）行走的单支撑相中有一个较短的平衡过程，然后再快速迈步，这主要是方便穿戴者找到步态的节奏。

前面的准备工作完成后，设置仿真时长为4s，仿真步数是5000，具体的行走运动学仿真过程如图9所示。为了使得行走仿真过程便于观察，将左腿颜色设置为白色，以区别右腿。

其中初始站立和抬左腿到进入双支撑相总共占用2s，这是为了让穿戴者先做好进入步态周期的准备。后面从双支撑相到最后的摆动相是一个完整的步态周期，步态周期为2s。

从图9中可以看出，所设计的结构是可以实现行走运动的。接下来，对所仿真得到的运动学曲线进行分析，研究相关的步态参数信息，验证所设计步态的可靠性。

左右髋关节的角位移随时间的关系曲线如图10所示,左右膝关节的角位移随时间的关系曲线如图11所示。



从图10和图11可以很明显的看出，在2~4s的一个步态周期里，左右膝关节和左右髋关节的角位移是呈现左右对称的特征。在不考虑前2s的步态准备阶段，髋关节的角位移范围在[-17°，22°]，膝关节的角位移范围在[0°，32°]，左右髋关节的角速度随时间的关系曲线如图12所示，左右膝关节的角速度随时间的关系曲线如图13所示。

同样，从图14和图15中可以看出，在2~4s的一个步态周期里，左右膝关节和左右髋关节的角速度也是呈现左右对称的特征。

在不考虑前2s的步态准备阶段，髋关节的角速度范围在[-120°/s，50°/s]，膝关节的角位移范围在[-60°/s，100°/s]，这个速度比正常人的速度稍慢一些，这是符合下肢残障人士穿戴的特征一。

机器人左右足的重心位移随时间的变化曲线如图14所示。

从图14中可以得到，机器人前进的一个步长大约在0.25m，健康人的步长大约在0.5~0.8m之间，所以这个步长比普通人的步长要小，这是符合下肢残障人士穿戴行走步态的特征二。

机器人前进位移随时间的关系曲线如图15所示，机器人的前进速度随时间的关系曲线如图16所示。

从图15和图16中可以得到，机器人前行的时候就好像是有节奏一样，这样便于穿戴者找到步行的节奏，另外在前进速度最小的时刻，可以有一点时间给穿戴者找到重心，然后再快速迈步，这个是符合下肢残障人士穿戴行走步态的特征三。

综上可以看出，所设计的外骨骼机器人结构可以完成穿戴行走运动，这可以验证外骨骼机器人设计的合理性，另外所设计的穿戴行走步态既符合正常人行走的特征，也符合本论文中提到的下肢残障人士穿戴行走的三个特征。

3.6 穿戴行走动力学仿真分析

戴行走的动力学分析可以研究整个穿戴行走过程中受力的特点，下面对相关动力学参数曲线分析时，会对这个方面进行阐述。

如图17是左右足与地面之间正压力的曲线图，图18和图19分别是左腿和右腿的电机减速器输出扭矩曲线图，其中图18和图19是进行了后处理曲线编辑，将因为碰撞产生峰值的奇异点调整至合理的值。

从图17至图19这三个曲线图可以得出，在穿戴行走的过程中有如下动力学特点：

（1）当行走腿踏上地面的瞬间，行走腿的髋关节和膝关节的电机减速器会输出较大的扭矩；

（2）当处于单支撑相时，离地腿的髋关节和膝关节减速器输出扭矩都很小，且髋关节减速器输出扭矩和功率大于膝关节；

（3）当处于单支撑相时，踩地腿的髋关节和膝关节减速器输出扭矩较大，其膝关节减速器输出扭矩和功率大于髋关节；

4. 仿真分析总结

本文的主要内容包括以下内容：

（1）依据正常人的步态运动特征理论，并结合下肢瘫痪患者自身的特点，设计了仿真的虚拟步态和坐下运动过程；

（2）通过运动学仿真结果曲线，验证了所设计的外骨骼机器人结构以及所设计的虚拟步态的合理性；

（3）通过动力学仿真结果曲线，分析了虚拟步态运动仿真过程中的受力特征；

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作者寄语MESSAGE

本人专业是机械工程，小硕一枚，擅长基于ADAMS的动力学仿真和Pro/E建模。现在的工作与CAE并没有太大的关系，完全是出于爱好，空闲时依然会花时间去钻研，希望在ftc平台交到许多志同道合的朋友，互相切磋，互相学习，对于我的作品，不论大家支持我，还是给我意见，对于我来说，都是激励，如果大家喜欢我的作品，请投出最珍贵的一票！

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