CN112569086A - 一种下肢外骨骼机器人助力系统的设计方法 - Google Patents

一种下肢外骨骼机器人助力系统的设计方法 Download PDF

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郏云涛
许留凯
何方剑
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张克勤
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Abstract

本发明公开了一种下肢外骨骼机器人助力系统的设计方法，特点是包括以下步骤：
Figure 619760DEST_PATH_IMAGE001
确定初始大腿助力部件的尺寸和形状；
Figure 546128DEST_PATH_IMAGE002
建立初始大腿助力部件的三维模型；
Figure 360500DEST_PATH_IMAGE003
对初始大腿助力部件的三维模型进行有限元分析；
Figure 589487DEST_PATH_IMAGE004
选取优化部位，根据优化目标和约束条件对初始大腿助力部件进行优化处理；
Figure 387679DEST_PATH_IMAGE005
根据有限元分析判断优化后的大腿助力部件是否满足强度要求，确定最优优化方案；优点是本发明提出先对大腿助力部件进行选型分析与设计，然后利用有限元方法对大腿助力部件进行结构优化分析，在满足强度要求的前提下，根据有限元分析结果对大腿助力部件进行减重优化处理，不但减轻了下肢外骨骼机器人的重量，而且提高了穿戴者的穿戴舒适性。

Description

一种下肢外骨骼机器人助力系统的设计方法
技术领域
本发明涉及机器人设计领域，尤其是一种下肢外骨骼机器人助力系统的设计方法。
背景技术
下肢助力外骨骼机器人是一种供人穿戴的人机一体化机械装置，将人的智力和机器人的体力结合在一起，属于人机协同机器人，具有广泛的应用前景。下肢助力外骨骼机器人适用于穿戴者具有主观的运动意图，但运动能力衰退或失去运动能力的情况，此时下肢外骨骼机器人对人体关节的转动起一定辅助作用，或穿戴者完全依靠下肢外骨骼机器人带动人体运动，例如助老助残或进行康复训练等。
下肢助力外骨骼机器人的关键零部件是大腿助力部件，要求既要保障人体工程学，又要保证轻便以及强度要求。现有的下肢外骨骼机器人的大腿助力部件存在满足强度要求但在重量上不符合要求的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种下肢外骨骼机器人助力系统的设计方法，不但能满足强度要求，而且能满足轻便要求。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种下肢外骨骼机器人助力系统的设计方法，包括以下步骤：
Figure 895082DEST_PATH_IMAGE001
确定尺寸和形状：选取大腿助力部件进行优化设计，并确定初始大腿助力部件的尺寸和形状；
Figure 487738DEST_PATH_IMAGE002
建立三维模型：根据步骤
Figure 37668DEST_PATH_IMAGE001
中确定的初始大腿助力部件的尺寸和形状，利用三维设计软件建立初始大腿助力部件的三维模型；
Figure 856719DEST_PATH_IMAGE003
进行有限元分析：将步骤
Figure 150297DEST_PATH_IMAGE002
中建立的初始大腿助力部件的三维模型导入有限元分析软件中，对初始大腿助力部件进行约束加载以及载荷加载，得到初始大腿助力部件应力、应变以及变形量分布图；
Figure 597459DEST_PATH_IMAGE004
进行优化处理：选择步骤
Figure 442924DEST_PATH_IMAGE003
中得到的应力、应变以及变形量分布图中变形量小或者没有变形的其中一个部位作为优化部位，定义优化目标和约束条件，根据优化目标和约束条件对初始大腿助力部件的优化部位进行优化处理，得到优化后的大腿助力部件；
Figure 608326DEST_PATH_IMAGE005
确定最优优化方案：利用三维设计软件建立优化后的大腿助力部件的三维模型，将优化后的大腿助力部件的三维模型导入有限元分析软件中进行约束加载以及载荷加载，根据有限元分析判断优化后的大腿助力部件是否满足强度要求，若满足，则该方案为最优优化方案；若不满足，则返回步骤
Figure 440016DEST_PATH_IMAGE004
修改优化部位进行优化处理，直至满足强度要求，得到最优优化方案，完成下肢外骨骼机器人助力系统的设计。
所述的初始大腿助力部件的尺寸和形状是根据所选材料的抗拉强度和弯曲强度以及大腿助力部件在连接处所受的径向力和垂直于大腿接触面受到的推力来确定。
所述的所选材料为碳纤维材料。
所述的大腿助力部件包括左大腿连杆和右大腿连杆。
所述的步骤
Figure 882630DEST_PATH_IMAGE004
中的优化目标为减轻初始大腿助力部件的重量。
所述的优化目标为减轻初始大腿助力部件的重量的10%。
所述的步骤
Figure 508783DEST_PATH_IMAGE004
中的约束条件为保持形状基本不变。
所述的步骤
Figure 161482DEST_PATH_IMAGE004
中的优化处理的具体方式为在优化部位开弧形槽或挖取圆孔。
所述的步骤
Figure 796862DEST_PATH_IMAGE005
中强度要求为变形量小于1mm且没有应力集中现象。
与现有技术相比，本发明的优点在于先根据所选材料的抗拉强度和弯曲强度以及大腿助力部件在连接处所受的径向力和垂直于大腿接触面受到的推力确定初始大腿助力部件的尺寸和形状；再根据确定的初始大腿助力部件的尺寸和形状建立初始大腿助力部件的三维模型，并导入有限元分析软件中，对初始大腿助力部件进行约束加载以及载荷加载；然后选择变形量小或者没有变形的其中一个部位作为优化部位，定义优化目标和约束条件，对初始大腿助力部件的优化部位进行优化处理，得到优化后的大腿助力部件；接下来建立优化后的大腿助力部件的三维模型，并导入有限元分析软件中进行约束加载以及载荷加载，根据有限元分析判断优化后的大腿助力部件是否满足强度要求，若满足，则该方案为最优优化方案；若不满足，则返回修改优化部位进行优化处理，直至满足强度要求，得到最优优化方案，完成大腿助力部件的优化设计；本发明提出先对大腿助力部件进行选型分析与设计，然后利用有限元方法对大腿助力部件进行结构优化分析，在满足强度要求的前提下，根据有限元分析结果对大腿助力部件进行减重优化处理，不但减轻了大腿助力部件结构的重量，从而减轻了下肢外骨骼机器人的重量，而且提高了穿戴者的穿戴舒适性。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明初始大腿助力部件中左大腿连杆的三维模型示意图；
图3（a）为本发明初始大腿助力部件中左大腿连杆的应力分布示意图；
图3（b）为本发明初始大腿助力部件中左大腿连杆的应变分布示意图；
图3（c）为本发明初始大腿助力部件中左大腿连杆的变形量分布示意图；
图4（a）为本发明优化后的大腿助力部件中左大腿连杆的应力分布示意图；
图4（b）为本发明优化后的大腿助力部件中左大腿连杆的应变分布示意图；
图4（c）为本发明优化后的大腿助力部件中左大腿连杆的变形量分布示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
选择SolidWorks作为三维设计软件，选择ANSYS作为有限元分析软件。
如图1所示，一种下肢外骨骼机器人助力系统的设计方法，包括以下步骤：
Figure 579136DEST_PATH_IMAGE001
确定尺寸和形状：选取大腿助力部件进行优化设计，并确定初始大腿助力部件的尺寸和形状；初始大腿助力部件的尺寸和形状是根据所选材料的抗拉强度和弯曲强度以及大腿助力部件在连接处所受的径向力和垂直于大腿接触面受到的推力来确定；
所选材料为碳纤维材料，碳纤维材料的厚度为5mm；大腿助力部件包括左大腿连杆和右大腿连杆，左、右大腿连杆分别作用在左、右大腿上，左、右大腿连杆的受力相同；
Figure 641770DEST_PATH_IMAGE002
建立三维模型：根据步骤
Figure 516185DEST_PATH_IMAGE001
中确定的初始大腿助力部件的尺寸和形状，利用三维设计软件建立初始大腿助力部件的三维模型；
Figure 955256DEST_PATH_IMAGE003
进行有限元分析：将步骤
Figure 106883DEST_PATH_IMAGE002
中建立的初始大腿助力部件的三维模型导入有限元分析软件中，对初始大腿助力部件进行约束加载以及载荷加载，得到初始大腿助力部件应力、应变以及变形量分布图；
Figure 340418DEST_PATH_IMAGE004
进行优化处理：选择步骤
Figure 702130DEST_PATH_IMAGE003
中得到的应力、应变以及变形量分布图中变形量小或者没有变形的其中一个部位作为优化部位，定义优化目标和约束条件，根据优化目标和约束条件对初始大腿助力部件的优化部位进行优化处理，得到优化后的大腿助力部件；
优化目标为减轻初始大腿助力部件的重量，减轻初始大腿助力部件的重量的10%；约束条件为保持形状基本不变；优化处理的具体方式为在优化部位开弧形槽或挖取圆孔；
Figure 679313DEST_PATH_IMAGE005
确定最优优化方案：利用三维设计软件建立优化后的大腿助力部件的三维模型，将优化后的大腿助力部件的三维模型导入有限元分析软件中进行约束加载以及载荷加载，根据有限元分析判断优化后的大腿助力部件是否满足强度要求，若满足，则该方案为最优优化方案；若不满足，则返回步骤
Figure 934714DEST_PATH_IMAGE004
修改优化部位进行优化处理，直至满足强度要求，得到最优优化方案，完成下肢外骨骼机器人助力系统的设计；强度要求为变形量小于1mm且没有应力集中现象。
初始大腿助力部件的左大腿连杆的三维模型如图2所示，对初始左大腿连杆进行有限元分析，得到应力、应变以及变形量分布图，如图3（a）、图3（b）、图3（c）所示；
对完成优化后的左大腿连杆进行有限元分析，得到的应力、应变以及变形量分布图如图4（a）、图4（b）、图4（c）所示；图中位移即为变形量。

Claims (9)

1.一种下肢外骨骼机器人助力系统的设计方法，其特征在于包括以下步骤：
Figure 557855DEST_PATH_IMAGE001
确定尺寸和形状：选取大腿助力部件进行优化设计，并确定初始大腿助力部件的尺寸和形状；
Figure 78966DEST_PATH_IMAGE002
建立三维模型：根据步骤
Figure 328681DEST_PATH_IMAGE001
中确定的初始大腿助力部件的尺寸和形状，利用三维设计软件建立初始大腿助力部件的三维模型；
Figure 999441DEST_PATH_IMAGE003
进行有限元分析：将步骤
Figure 309199DEST_PATH_IMAGE002
中建立的初始大腿助力部件的三维模型导入有限元分析软件中，对初始大腿助力部件进行约束加载以及载荷加载，得到初始大腿助力部件应力、应变以及变形量分布图；
Figure 379924DEST_PATH_IMAGE004
进行优化处理：选择步骤
Figure 433330DEST_PATH_IMAGE003
中得到的应力、应变以及变形量分布图中变形量小或者没有变形的其中一个部位作为优化部位，定义优化目标和约束条件，根据优化目标和约束条件对初始大腿助力部件的优化部位进行优化处理，得到优化后的大腿助力部件；
Figure 210793DEST_PATH_IMAGE005
确定最优优化方案：利用三维设计软件建立优化后的大腿助力部件的三维模型，将优化后的大腿助力部件的三维模型导入有限元分析软件中进行约束加载以及载荷加载，根据有限元分析判断优化后的大腿助力部件是否满足强度要求，若满足，则该方案为最优优化方案；若不满足，则返回步骤
Figure 691453DEST_PATH_IMAGE004
修改优化部位进行优化处理，直至满足强度要求，得到最优优化方案，完成下肢外骨骼机器人助力系统的设计。
2.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼机器人助力系统的设计方法，其特征在于所述的初始大腿助力部件的尺寸和形状是根据所选材料的抗拉强度和弯曲强度以及大腿助力部件在连接处所受的径向力和垂直于大腿接触面受到的推力来确定。
3.根据权利要求2所述的一种下肢外骨骼机器人助力系统的设计方法，其特征在于所述的所选材料为碳纤维材料。
4.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼机器人助力系统的设计方法，其特征在于所述的大腿助力部件包括左大腿连杆和右大腿连杆。
5.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼机器人助力系统的设计方法，其特征在于所述的步骤
Figure 983894DEST_PATH_IMAGE004
中的优化目标为减轻初始大腿助力部件的重量。
6.根据权利要求5所述的一种下肢外骨骼机器人助力系统的设计方法，其特征在于所述的优化目标为减轻初始大腿助力部件的重量的10%。
7.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼机器人助力系统的设计方法，其特征在于所述的步骤
Figure 840992DEST_PATH_IMAGE004
中的约束条件为保持形状基本不变。
8.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼机器人助力系统的设计方法，其特征在于所述的步骤
Figure 722229DEST_PATH_IMAGE004
中的优化处理的具体方式为在优化部位开弧形槽或挖取圆孔。
9.根据权利要求1所述的一种下肢外骨骼机器人助力系统的设计方法，其特征在于所述的步骤
Figure 373790DEST_PATH_IMAGE005
中强度要求为变形量小于1mm且没有应力集中现象。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113779715A (zh) * 2021-08-24 2021-12-10 汕头大学 轻量化机械外骨骼设计方法
CN114346997A (zh) * 2022-01-06 2022-04-15 西交利物浦大学 一种下肢外骨骼及其制作方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002075171A1 (en) * 2001-03-16 2002-09-26 Sundram Fasteners Limited Conrod and a method of producing the same
US20030229476A1 (en) * 2002-06-07 2003-12-11 Lohitsa, Inc. Enhancing dynamic characteristics in an analytical model

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002075171A1 (en) * 2001-03-16 2002-09-26 Sundram Fasteners Limited Conrod and a method of producing the same
US20030229476A1 (en) * 2002-06-07 2003-12-11 Lohitsa, Inc. Enhancing dynamic characteristics in an analytical model

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
伍赛: "下肢康复外骨骼的造型与结构融合优化设计研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》, 15 August 2020 (2020-08-15), pages 25 - 50 *
陈裕梁: "康复型下肢外骨骼结构优化研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》, 15 August 2019 (2019-08-15) *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113779715A (zh) * 2021-08-24 2021-12-10 汕头大学 轻量化机械外骨骼设计方法
CN113779715B (zh) * 2021-08-24 2023-06-27 汕头大学 轻量化机械外骨骼设计方法
CN114346997A (zh) * 2022-01-06 2022-04-15 西交利物浦大学 一种下肢外骨骼及其制作方法
CN114346997B (zh) * 2022-01-06 2024-02-20 西交利物浦大学 一种下肢外骨骼及其制作方法

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