网站首页
教育杂志
CSSCI期刊 北大期刊 CSCD期刊 统计源期刊 知网收录期刊 维普收录期刊 万方收录期刊 SCI期刊(美)
医学杂志
CSSCI期刊 北大期刊 CSCD期刊 统计源期刊 知网收录期刊 维普收录期刊 万方收录期刊 SCI期刊(美)
经济杂志
CSSCI期刊 北大期刊 CSCD期刊 统计源期刊 知网收录期刊 维普收录期刊 万方收录期刊 SCI期刊(美)
金融杂志
CSSCI期刊 北大期刊 CSCD期刊 统计源期刊 知网收录期刊 维普收录期刊 万方收录期刊 SCI期刊(美)
管理杂志
CSSCI期刊 北大期刊 CSCD期刊 统计源期刊 知网收录期刊 维普收录期刊 万方收录期刊 SCI期刊(美)
科技杂志
CSSCI期刊 北大期刊 CSCD期刊 统计源期刊 知网收录期刊 维普收录期刊 万方收录期刊 SCI期刊(美)
工业杂志
CSSCI期刊 北大期刊 CSCD期刊 统计源期刊 知网收录期刊 维普收录期刊 万方收录期刊 SCI期刊(美)
SCI杂志
中科院1区 中科院2区 中科院3区 中科院4区
全部期刊
公務(wù)員期刊網(wǎng) 論文中心 正文

仿生運(yùn)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前言:想要寫(xiě)出一篇引人入勝的文章?我們特意為您整理了仿生運(yùn)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范文,希望能給你帶來(lái)靈感和參考,敬請(qǐng)閱讀。

仿生運(yùn)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要:為人體提供運(yùn)動(dòng)康復(fù)輔助與訓(xùn)練功能,設(shè)計(jì)了張合型下肢仿生運(yùn)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人,通過(guò)前后輪之間的差速,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人鞍座運(yùn)動(dòng)軌跡可按照對(duì)標(biāo)健康人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng),并且機(jī)械結(jié)構(gòu)可從站姿張合狀態(tài)調(diào)整為坐姿輪椅狀態(tài)。分析了機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)平衡條件并做有限元分析,以桿件壁厚值為變量,所選材料最大許用應(yīng)力、最大位移為邊界條件,最小質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù),得到了一款輕量化的張合型仿生運(yùn)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞:生物醫(yī)學(xué)工程;機(jī)器人設(shè)計(jì);仿生運(yùn)動(dòng);結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0引言

近年來(lái),我國(guó)人口老齡化趨勢(shì)日益加快[1],日漸龐大的老年人群中,站起和行走能力降低或缺失給其晚年生活帶來(lái)極大不便。因此助行、助殘、助老等方面的需求助推了當(dāng)前康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人行業(yè)的蓬勃發(fā)展。目前已有大量關(guān)于下肢站起運(yùn)動(dòng)輔助[2]、步態(tài)行走輔助[3]的理論與應(yīng)用研究。文獻(xiàn)[4]給出了一種基于腳踏板的坐式下肢康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng),采用直線電機(jī)與滾珠絲杠作為動(dòng)力與傳動(dòng),患者在坐姿狀態(tài)下,通過(guò)驅(qū)動(dòng)腳部運(yùn)動(dòng),進(jìn)而向上帶動(dòng)小腿與大腿協(xié)同運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)下肢運(yùn)動(dòng)功能理療康復(fù)。該設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單,但執(zhí)行機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜且涉及耦合問(wèn)題,不適合家庭化應(yīng)用。文獻(xiàn)[5]給出了一種用于中風(fēng)后病人步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人,包括全方位水平移動(dòng)平臺(tái)、直線電機(jī)、六維力傳感器等主要部分,其中水平移動(dòng)平臺(tái)保證患者原地步態(tài)行走,直線電機(jī)在豎直方向支撐患者體重,六維力傳感器用于測(cè)量人機(jī)交互力。該機(jī)器人通過(guò)對(duì)患者提供減重式踏步行走實(shí)現(xiàn)步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練,但僅適用于康復(fù)后期的患者,無(wú)法應(yīng)用于康復(fù)運(yùn)動(dòng)全過(guò)程。文獻(xiàn)[6]提出了一種穿戴式步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人,包含兩個(gè)人機(jī)交互模塊,可為患者髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)提供屈伸運(yùn)動(dòng)輔助,同時(shí)可根據(jù)使用對(duì)象身體尺寸調(diào)整機(jī)械結(jié)構(gòu),提高了設(shè)備的適用性,但僅可驅(qū)動(dòng)輔助髖關(guān)節(jié)在身體矢狀面內(nèi)屈曲運(yùn)動(dòng),限制了髖關(guān)節(jié)的其他自由度,仿生性差。文獻(xiàn)[7]提出了一種可實(shí)現(xiàn)臥、坐、站多位姿的康復(fù)機(jī)器人,主要由支撐結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、踏車(chē)訓(xùn)練器等組成,在輔助患者運(yùn)動(dòng)的同時(shí),可通過(guò)測(cè)量人體相應(yīng)部位肌電信號(hào),評(píng)價(jià)患者的康復(fù)情況,但該設(shè)備體積大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不適合家庭化應(yīng)用。

本文給出一種張合型運(yùn)動(dòng)仿生康復(fù)機(jī)器人,基于健康人體站起過(guò)程中髖關(guān)節(jié)的仿生運(yùn)動(dòng)軌跡,進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)周期性張合運(yùn)動(dòng),使鞍座運(yùn)動(dòng)軌跡與人體髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡充分?jǐn)M合,同時(shí)鞍座為患者提供減重支撐助力,使患者在使用過(guò)程中實(shí)現(xiàn)減重式仿生步態(tài)運(yùn)動(dòng)。并且,機(jī)械結(jié)構(gòu)可從站姿張合狀態(tài)調(diào)整為坐姿輪椅狀態(tài)。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的有限元分析與優(yōu)化,得到一款可輔助患者坐、站、行等多模式的運(yùn)動(dòng)輔助、訓(xùn)練休憩機(jī)器人。

1仿生人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)獲取與處理

設(shè)計(jì)張合機(jī)器人,應(yīng)具備輔助患者站起、步行兩種運(yùn)動(dòng)輔助功能,可使患者按照對(duì)標(biāo)健康人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練與助行功能。在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前,需要對(duì)人體站起及行走過(guò)程中關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理進(jìn)行分析。

1.1站起過(guò)程運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

首先,基于人體運(yùn)動(dòng)學(xué)特征,對(duì)人體肢段進(jìn)行簡(jiǎn)化建模,在矢狀面內(nèi)建立人體2肢段模型。以踝關(guān)節(jié)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立平面坐標(biāo)系,縱坐標(biāo)向上,通過(guò)人體穩(wěn)定站姿時(shí)的髖關(guān)節(jié)點(diǎn),橫坐標(biāo)與水平面平行,則任意時(shí)刻髖關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)(1)考慮使用者身高差異,查閱中國(guó)人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)中18-60歲成年男性和18-55歲成年女性人體數(shù)據(jù),分別取4組不同身高下男女身體標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù),詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1,將8組數(shù)據(jù)分別代入髖關(guān)節(jié)軌跡表達(dá)式通過(guò)軟件進(jìn)行計(jì)算、擬合,得到站起過(guò)程中8條不同身高下的標(biāo)準(zhǔn)髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡。身高為1.814m的成年男性(P1)與身高為1.503m的成年女性(P5)的站起軌跡,局部對(duì)比差異最大,但軌跡整體變化趨勢(shì)相同,且最大位移差不超過(guò)25%。同時(shí)也發(fā)現(xiàn),相同身高下男性的髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線略低于女性。將站起過(guò)程中8條不同身高下的標(biāo)準(zhǔn)髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡做歸一化處理并給出中值曲線,得出普遍意義上的人體站起過(guò)程中髖關(guān)節(jié)點(diǎn)的歸一化軌跡,。將歸一化標(biāo)準(zhǔn)軌跡曲線做線性化擬合分別得到1、2、3、4次函數(shù)曲線。

1.2行走過(guò)程髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分析

與處理要基于仿生人體運(yùn)動(dòng)學(xué)做助行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),需對(duì)健康人體行走過(guò)程中髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行重點(diǎn)研究。根據(jù)預(yù)期使用需求,設(shè)定機(jī)器人助行的步態(tài)速度為1m/s,采樣周期為60Hz。取站立姿態(tài)下髖關(guān)節(jié)點(diǎn)在地面投影點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系,橫坐標(biāo)表示前進(jìn)距離,縱坐標(biāo)表示髖關(guān)節(jié)點(diǎn)距地面高度,根據(jù)表1中的數(shù)據(jù),得到不同對(duì)象的髖關(guān)節(jié)步態(tài)行進(jìn)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡。分析方法同前節(jié),得到中值軌跡中髖關(guān)節(jié)點(diǎn)最高時(shí)為0.908m,最低時(shí)為0.874m。

2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為輔助患者按照對(duì)標(biāo)健康人體站起與行走狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng),設(shè)計(jì)一種張合仿生行走機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)功能:1、以人體站起過(guò)程中,髖關(guān)節(jié)軌跡為參照,輔助人體站起運(yùn)動(dòng);2、以人體行走過(guò)程中髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡為參照,使人體在步態(tài)行走過(guò)程中,通過(guò)對(duì)骨盆的助力實(shí)現(xiàn)健康行走運(yùn)動(dòng);3、具備在行走疲勞期可適時(shí)休憩功能。所設(shè)計(jì)的張合型下肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人中各桿件設(shè)計(jì)尺寸。機(jī)械結(jié)構(gòu)給出組成機(jī)器人結(jié)構(gòu)的主要零部件,其中包括推手、軸控箱、前撐桿軸固件、一號(hào)螺栓、后撐桿上臂、前撐桿、調(diào)姿電機(jī)、限位撐桿、后撐桿下臂、支撐輪、護(hù)帶、鞍座、扶手、步態(tài)撥桿、腳踏板、三個(gè)驅(qū)動(dòng)輪。整體機(jī)器人結(jié)構(gòu)通過(guò)底部三個(gè)驅(qū)動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)移動(dòng),前面兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪可同速轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)與后面驅(qū)動(dòng)輪之前的差速,實(shí)現(xiàn)輔助機(jī)器人前撐桿和后撐桿上臂在矢狀面內(nèi)的張合運(yùn)動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)軸控箱在向前行進(jìn)的同時(shí),也可以實(shí)現(xiàn)周期性的上下移動(dòng),從而使鞍座上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)和設(shè)備向前的助行運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)按照對(duì)標(biāo)健康人體步態(tài)過(guò)程中髖關(guān)節(jié)的空間曲線運(yùn)動(dòng)狀態(tài),為下肢功能障礙患者提供科學(xué)的康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和行走運(yùn)動(dòng)輔助與保護(hù);利用左右兩個(gè)對(duì)稱(chēng)分布的曲軸軸徑運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)左右兩個(gè)步態(tài)撥桿的周期性前后交錯(cuò)擺動(dòng)。

患者可以根據(jù)自身康復(fù)狀態(tài),選取匹配強(qiáng)度的訓(xùn)練模式,提高訓(xùn)練效果。在設(shè)備處于輔助行走使用狀態(tài)時(shí),如果使用者突然發(fā)生意外失衡跌倒,慣性阻尼裝置緊急自鎖設(shè)備的運(yùn)動(dòng)自由度,保護(hù)患者不受二次傷害。調(diào)姿電機(jī)可改變前后驅(qū)動(dòng)輪之間的靜態(tài)距離,進(jìn)而降低鞍座的高度,滿(mǎn)足設(shè)備的功能切換,使機(jī)器人由行走模式轉(zhuǎn)化為坐姿模式,當(dāng)獲得限位撐桿的反饋信號(hào)后自動(dòng)停機(jī)并限位,機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整為輪椅功能,在三個(gè)驅(qū)動(dòng)輪同速工作狀態(tài)下可作為電動(dòng)輪椅移動(dòng)使用,斷電狀態(tài)下可轉(zhuǎn)換成手動(dòng)推行輪椅模式。

3機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析與優(yōu)化

張合機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成,在人體矢狀面內(nèi)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖。在使用過(guò)程中,人體作為機(jī)械結(jié)構(gòu)外載荷,在人機(jī)交互過(guò)程中可能使機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn),為增加使用過(guò)程中的安全系數(shù),對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析,即坐姿輪椅功能狀態(tài)下防止側(cè)傾的靜態(tài)穩(wěn)定性分析和行走狀態(tài)下步態(tài)輔助動(dòng)態(tài)機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定分析。

3.1前傾倒時(shí)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性驗(yàn)證

在水平方向,假定在勻速平穩(wěn)的輔助行走過(guò)程中,使用者由于病理原因?qū)е律眢w在前進(jìn)方向上前后傾倒失衡,則在瞬時(shí)的人機(jī)交互作用過(guò)程中,機(jī)械結(jié)構(gòu)與人體的交互接觸部位P點(diǎn)受到一定的沖擊載荷而獲得瞬時(shí)加速度,機(jī)械結(jié)構(gòu)頂部所示,在行進(jìn)的水平方向加載慣性力F慣性力,各部分桿件重力及相應(yīng)的構(gòu)件角度及尺寸參照?qǐng)D中標(biāo)示,對(duì)其進(jìn)行前傾與后傾的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析。仍然以標(biāo)準(zhǔn)人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)為參考確定最大慣性力F慣性力,預(yù)設(shè)人體發(fā)生傾倒時(shí)間t為0.2s,人機(jī)交互點(diǎn)P處在人體上可檢測(cè)的傾倒均值加速度為a,張合機(jī)器人輔助點(diǎn)到人體足底的高度為h慣性力,體重為m,人機(jī)交互點(diǎn)P處機(jī)械結(jié)構(gòu)的前進(jìn)方向水平位移為Px(t)則:()xxF=mamPt慣性力(5),人體發(fā)生前傾失衡時(shí)人機(jī)交互力F慣性力-Fr向前,以前輪中心為矩心列機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)平衡的約束,考慮人體在向前行進(jìn)過(guò)程中瞬間完全喪失自體平衡支持能力的極端狀況,并伴隨前向傾倒,人體總重量則瞬間全部施加于鞍座上,此時(shí),軸控箱內(nèi)的阻尼塊瞬間提供阻尼力,用于防止機(jī)械機(jī)構(gòu)在豎直方向由于體重的沖擊載荷而產(chǎn)生張角突變,。

3.2后傾倒時(shí)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性驗(yàn)證

按照康復(fù)醫(yī)學(xué)臨床經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),患者向后傾倒?fàn)顩r較少并且身體質(zhì)心后傾運(yùn)動(dòng)速度及加速度均較小,即F慣性力_Be遠(yuǎn)小于F慣性力_Fr,且機(jī)械結(jié)構(gòu)中MFr遠(yuǎn)大于MBe,則當(dāng)前傾平衡方程滿(mǎn)足條件時(shí),足以滿(mǎn)足后傾動(dòng)態(tài)平衡條件。

3.3側(cè)傾倒時(shí)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性驗(yàn)證

由于機(jī)械結(jié)構(gòu)在正視圖內(nèi)是左右對(duì)稱(chēng)的,因此僅選擇單側(cè)傾倒來(lái)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。選取F慣性力_x的方向向右,以右前輪為矩心列動(dòng)態(tài)平衡的約束

3.4坐姿時(shí)的靜態(tài)穩(wěn)定性驗(yàn)證

當(dāng)張合機(jī)器人要使用坐姿狀態(tài)時(shí),通過(guò)后桿處的調(diào)姿電機(jī),帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械機(jī)構(gòu)下放,整體結(jié)構(gòu)的重心也將向下向后轉(zhuǎn)移,最終達(dá)到坐姿的結(jié)構(gòu)狀態(tài),執(zhí)行輪椅的使用功能,此時(shí)主要考慮靜態(tài)機(jī)械結(jié)構(gòu)下的后傾失穩(wěn)邊界條件,如圖7中給出的機(jī)械結(jié)構(gòu)側(cè)視簡(jiǎn)圖和俯視簡(jiǎn)圖,當(dāng)人體坐姿時(shí)鞍座受力點(diǎn)P,通過(guò)所設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)各桿件尺寸比例關(guān)系,人體坐姿時(shí)重心投影恒在三輪覆蓋的水平面內(nèi),則恒滿(mǎn)足靜態(tài)平衡的ZMP原理,系統(tǒng)穩(wěn)定。

4張合行走及站-坐姿轉(zhuǎn)換時(shí)電機(jī)選型

基于結(jié)構(gòu)的尺寸,進(jìn)一步確定前后輪的具體運(yùn)動(dòng)速度。點(diǎn)P的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)曲線為P(t),與人體尾椎骨點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān),設(shè)計(jì)為鞍座的運(yùn)動(dòng)軌跡,并且在穩(wěn)定步態(tài)行走過(guò)程中,即為張合機(jī)器人前后撐桿的交合點(diǎn)位置O的運(yùn)動(dòng)軌跡,即:vP=vO。

4.1行走過(guò)程前后輪轉(zhuǎn)速及差速分析

人機(jī)交互點(diǎn)P點(diǎn)的仿生運(yùn)動(dòng)學(xué)軌跡為張合機(jī)器人輔助行走功能下的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)依據(jù),設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)中前后撐桿的張合運(yùn)動(dòng)功能。首先,確定步態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中前后輪與點(diǎn)P的位置關(guān)系,以初始位置時(shí)點(diǎn)P在地面的投影點(diǎn)為原點(diǎn)o,建立平面坐標(biāo)系,前進(jìn)方向?yàn)閤軸正方向,,如圖7所示。則可以確定前后輪簡(jiǎn)化點(diǎn)A、B在側(cè)視圖中的坐標(biāo)(Ax,Ay)和(Bx,By),前后撐桿L1和L2末端A和B距離地面值A(chǔ)y和By為輪距設(shè)定為恒值0.04m,其橫坐標(biāo)為時(shí)變量,則A、B的坐標(biāo)可表示為(Ax(t),0.04)和(Bx(t),0.04)。同理,P點(diǎn)坐標(biāo)可相應(yīng)表示為(Px(t),Py(t))。記P點(diǎn)水平速度為vP_x;A點(diǎn)速度為vA;B點(diǎn)速度為vB。則可得到Ax(t)和Bx(t)的表達(dá)式:()()[()0.04]()()[()0.04]xxyxxyAtPtLPtBtPtLPt=−−−=+−−(10)最終得到AB兩點(diǎn)的差速Δv:()-()BAxxv=v−v=BtAt(11)得出差速曲線

4.2站-坐姿態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中調(diào)姿電機(jī)動(dòng)力分析

在完成步態(tài)運(yùn)動(dòng)分析及輪速計(jì)算后,需要進(jìn)一步考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)由站姿轉(zhuǎn)換為坐姿時(shí)后撐桿調(diào)姿電機(jī)的動(dòng)力計(jì)算問(wèn)題。仍以人機(jī)交互點(diǎn)P點(diǎn)的仿生運(yùn)動(dòng)學(xué)軌跡為基礎(chǔ),使機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)應(yīng)盡量按照對(duì)標(biāo)健康人體的自然坐站運(yùn)動(dòng)軌跡下降。在調(diào)姿功能轉(zhuǎn)換過(guò)程中,首先將后輪轉(zhuǎn)動(dòng)鎖死,再同時(shí)分別控制前輪位移和后撐桿中的調(diào)姿電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角位移,調(diào)整后撐桿中上下桿L1_U和L1_D間的夾角,以及前后撐桿之間的夾角,完成姿態(tài)功能的機(jī)械結(jié)構(gòu)變換。此動(dòng)態(tài)過(guò)程中,設(shè)計(jì)要求P點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡與人體由站到坐過(guò)程中的仿生學(xué)運(yùn)動(dòng)軌跡保持一致[8]。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中,AB間距LAB、L1_U和L1_D間的夾角θL同P點(diǎn)坐標(biāo)的關(guān)系其中L3為人體站姿時(shí),前后驅(qū)動(dòng)輪軸心矢狀面內(nèi)的距離,即LAB的初始值。進(jìn)一步分別得到AB間距、L1_U和L1_D間的夾角θL同站-坐進(jìn)程的關(guān)系曲線,如圖9所示。其中,L1_U和L1_D間的夾角θL隨站-坐進(jìn)程的變化曲線近似為一條直線(圖9綠色曲線),線性擬合后可由直線表示,表達(dá)式如下式:y=-0.72403x+138.23(13)即控制θL變化的調(diào)姿電機(jī)為勻速轉(zhuǎn)動(dòng),從而前輪B處電機(jī)為從動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng),配合完成P點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡按照?qǐng)D2中歸一化的仿生擬合軌跡運(yùn)動(dòng),二者的對(duì)比結(jié)果,相關(guān)系數(shù)大于0.96,充分滿(mǎn)足了做-站運(yùn)動(dòng)過(guò)程,機(jī)械結(jié)構(gòu)的P點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)仿生運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5結(jié)構(gòu)有限元分析

確定機(jī)械結(jié)構(gòu)各部分尺寸后,需要對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析與尺優(yōu)化。首先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化,如推手去掉,擬定機(jī)械結(jié)構(gòu)整體采用45#鋼管材加工,設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)可額定承載的使用對(duì)象體重98kg。將簡(jiǎn)化后的機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)入Hyperworks軟件中,對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分、加載分析。結(jié)構(gòu)所用45#鋼材料屬性如下:彈性模量210GPa,材料密度7850kg/m3,泊松比為0.3,許用應(yīng)力為355MPa,取安全系數(shù)為1.1,則設(shè)計(jì)許用應(yīng)力為322.7MPa。此外,設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)最大安全位移尺寸小于10mm。機(jī)械結(jié)構(gòu)在輪椅狀態(tài)時(shí),人體全部體重均加載于結(jié)構(gòu)上,則此狀態(tài)為載荷力最大狀態(tài),施力方式模擬實(shí)際工況,在鞍座部位施加共計(jì)為980N豎直向下均布力。圖11為結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析結(jié)果,最大許用應(yīng)力296.8MPa,最大位移為3.15mm,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。此時(shí)結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量為24.81kg。完成結(jié)構(gòu)在初始尺寸條件下的有限元分析后,進(jìn)一步考慮在滿(mǎn)足機(jī)械結(jié)構(gòu)安全性的前提下,結(jié)構(gòu)質(zhì)量是否有降低的可能性,擬利用有限元軟件建立迭代優(yōu)化過(guò)程[8],在此過(guò)程中,以管件壁厚值為自變量,最大應(yīng)力與最大位移為約束條件,最小質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)。M為機(jī)械結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量;mi機(jī)械結(jié)構(gòu)中每一個(gè)構(gòu)件的質(zhì)量;f為xi為變量的質(zhì)量函數(shù);xi為單個(gè)構(gòu)件的壁厚;σmax機(jī)械結(jié)構(gòu)中最大許用應(yīng)力;dmax機(jī)械結(jié)構(gòu)的最大位移。經(jīng)過(guò)4次迭代后,實(shí)現(xiàn)了機(jī)械機(jī)構(gòu)輕量化的目標(biāo),機(jī)械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量明顯降低,最終質(zhì)量為17.30kg,整體質(zhì)量降低30.27%,其質(zhì)量變化柱狀圖。將此質(zhì)量下各件的壁厚值賦予各桿件,進(jìn)行有限元分析,結(jié)果如圖13所示,最大應(yīng)力為321.1MPa,最大位移為4.25mm,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)條件,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)輕量化目標(biāo)。迭代優(yōu)化值僅為理論參考值,為機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)件加工提供參考,應(yīng)綜合考慮加工實(shí)際情況,合理運(yùn)用。

6結(jié)束語(yǔ)

本文給出了一種張合型下肢康復(fù)機(jī)器人,在輔助行走過(guò)程中,基于對(duì)標(biāo)健康人行走過(guò)程中髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡,通過(guò)前輪與后輪差速前行,使得鞍座的空間運(yùn)動(dòng)軌跡與人體髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡吻合,為患者提供仿生步態(tài)行走助力。在下坐過(guò)程中,按照對(duì)標(biāo)健康人站、坐過(guò)程中髖關(guān)節(jié)軌跡,機(jī)械結(jié)構(gòu)后輪鎖死,前輪與調(diào)姿電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)鞍座位置與髖關(guān)節(jié)站起運(yùn)動(dòng)軌跡的吻合,實(shí)現(xiàn)仿生站起運(yùn)動(dòng)輔助,可實(shí)現(xiàn)輔助站起、輔助行走和輪椅功能。借助有限元分析方法驗(yàn)證了機(jī)械結(jié)構(gòu)的安全性,并進(jìn)行尺寸優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了輕量化目標(biāo)。最終得到的張合機(jī)器人滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,實(shí)現(xiàn)了預(yù)期使用功能。

參考文獻(xiàn):

[7]王勇,梁?jiǎn)⑺?姜禮杰,等.一種新型下肢康復(fù)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),

[8]劉坤,趙建琛,李超,等.基于Hyperworks的下肢康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),

作者:劉 坤 駱星吉 吉碩 孫震源 徐洪偉 劉勇 單位:吉林大學(xué) 機(jī)械與航空航天工程學(xué)院

免责声明

本站为第三方开放式学习交流平台,所有内容均为用户上传,仅供参考,不代表本站立场。若内容不实请联系在线客服删除,服务时间:8:00~21:00。

AI写作,高效原创

在线指导,快速准确,满意为止

立即体验
精選范文推薦
文秘服务 AI帮写作 润色服务 论文发表