CN113779715A - 轻量化机械外骨骼设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械外骨骼技术领域，尤其是一种轻量化机械外骨骼设计方法。所述方法包括：选取机械外骨骼的穿戴部位，根据该穿戴部位的运动特征建立运动自由度简图；根据至少一个运动特征作为设计参数构建机械外骨骼的重要连接件，以通过有限数量的重要连接件生成初始连接件模型；根据该穿戴部位的形体特征处理得到形体结构件模型；对初始连接件模型进行拓扑优化，生成轻量化连接件模型；根据形体结构件模型和轻量化连接件模型加工得到形体结构件和轻量化连接件，组装成机械外骨骼。本发明根据穿戴部位的形体特征和运动特征，分别设计轻量化且合适的结构件和连接件，使机械外骨骼具有轻量化特性以及贴近人体，降低外骨骼的设计难度。

Description

轻量化机械外骨骼设计方法

技术领域

本发明涉及机械外骨骼技术领域，尤其是一种轻量化机械外骨骼设计方法。

背景技术

机械外骨骼实质上是一种可穿戴机器人，它将人的智能和外部机械动力装置的机械能量结合在一起，可以给人提供额外的动力或能力，增强人体机能。对于外骨骼的要求，需要其轻巧且可以替代90％的人体正常运动，牵扯到多自由度多动以及强度校核等方面，还需要具有较高的强度，材料的选择也是决定该器械性能的关键因素。因此，机械外骨骼是一项复杂的多领域综合应用，外骨骼的设计难度较大，需要较长的设计周期，而且设计过程中可能伴随着未知的风险。

为解决上述技术问题，现有技术在设计机械外骨骼时采用3D打印技术来实现机械外骨骼的快速构造，然而目前市场上的机械外骨骼形式单一，结构臃肿，不能根据每一位使用者的身材都存在差异进行适配，尽管有些外骨骼有部分调节功能，但用一个现成的标准植入物不可能匹配所有使用者的生理参数，难以适应个性化的需求以及柔性制造的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种轻量化机械外骨骼设计方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

本发明提供一种轻量化机械外骨骼设计方法，包括以下步骤：

选取机械外骨骼的穿戴部位，根据该穿戴部位的运动特征建立运动自由度简图；

根据至少一个运动特征作为设计参数构建机械外骨骼的重要连接件，以通过有限数量的重要连接件生成初始连接件模型；

根据该穿戴部位的形体特征处理得到形体结构件模型；

对初始连接件模型进行拓扑优化，生成轻量化连接件模型；

根据形体结构件模型和轻量化连接件模型加工得到形体结构件和轻量化连接件，组装成机械外骨骼。

进一步地，所述根据至少一个运动特征作为设计参数构建机械外骨骼的重要连接件，以通过有限数量的重要连接件生成初始连接件模型，包括：

根据各运动特征的自由度方向和幅度，构建对应的重要连接件；

分析穿戴部位产生运动特征的位置，调整重要连接件的配置位置和配置角度；

根据调整后的重要连接件得到初始连接件模型，或在对至少两个重要连接件进行串联拟合后得到初始连接件模型。

进一步地，所述根据该穿戴部位的形体特征处理得到形体结构件模型，包括：

采集穿戴部位的形体特征数据，建立关于穿戴部位的穿戴模型；

通过逆向建模处理穿戴模型，并获取逆向建模后的曲面模型；

对获取的曲面模型进行加厚处理，得到形体结构件模型。

进一步地，所述通过逆向建模处理穿戴模型还包括：

根据穿戴模型中的点云数据将穿戴模型进行面片拟合和/或平面分割。

进一步地，所述对初始连接件模型进行拓扑优化，生成轻量化连接件模型，包括：

基于初始连接件模型建立有限元模型，定义约束及载荷；

利用拓扑优化软件对有限元模型进行拓扑优化，根据拓扑优化结果对重要连接件进行再次建模；

对再次建模的重要连接件进行有限元分析验证，得到轻量化连接件模型。

进一步地，所述根据形体结构件模型和轻量化连接件模型加工得到形体结构件和轻量化连接件，包括：

通过SLM金属增材制造技术对形体结构件模型和轻量化连接件模型进行加工，从而得到形体结构件和轻量化连接件。

进一步地，该轻量化机械外骨骼设计方法还包括以下步骤：

根据穿戴部位的运动特征对机械外骨骼模型的性能进行评估。

进一步地，所述根据穿戴部位的运动特征对机械外骨骼模型的性能进行评估，包括：

测试机械外骨骼模型各运动特征的自由度方向和幅度；

若与穿戴部位各运动特征的自由度方向和幅度匹配，结束测试；

反之，调整拓扑优化的参数和/或初始连接件模型。

本发明的有益效果：根据穿戴部位的形体特征和运动特征，分别设计轻量化且合适的结构件和连接件，使机械外骨骼具有轻量化特性以及贴近人体，结构件和连接件分开设计，降低了外骨骼的设计难度。

附图说明

图1是第一个实施例提供的一种轻量化机械外骨骼设计方法的流程图。

图2是图1实施例中根据穿戴部位的运动特征建立的运动自由度简图。

图3是一实施例提供的一种生成初始连接件模型方法的流程图。

图4是图3实施例中初始连接件模型的结构示意图。

图5是一实施例提供的一种生成形体结构件模型方法的流程图。

图6是图5实施例中形体结构件模型的结构示意图。

图7是一实施例提供的一种生成轻量化连接件模型方法的流程图。

图8是第二个实施例提供的一种轻量化机械外骨骼设计方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合实施例和附图，对本发明作进一步的描述。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

图1是第一个实施例提供的一种轻量化机械外骨骼设计方法的流程图。参阅图1，该方法包括以下步骤S100-S500：

步骤S100，选取机械外骨骼的穿戴部位，根据该穿戴部位的运动特征建立运动自由度简图。

可理解地，穿戴部位的运动特征反映穿戴部位在日常运动时可沿对应自由度方向运动的特征量，其包括该穿戴部位的共有运动特性以及穿戴个体对应穿戴部位的运动幅度。例如，人体髋关节作为穿戴部位时，其包括外展/内收、屈/伸、旋内/旋外三个自由度的运动特征，膝关节作为穿戴部位时，其包括屈/伸一个自由度的运动特征，踝关节作为穿戴部位时，其包括外展/内收、屈/伸两个自由度的运动特征，肩关节作为穿戴部位时，其包括外展/内收、屈/伸、旋内/旋外三个自由度的运动特征，肘关节作为穿戴部位时，其包括屈/伸一个自由度的运动特征。

示例性地，如图2所示，运动自由度简图在三维空间内简易地描述该穿戴部位的运动特征，图2的运动自由度简图分别描述了人体髋关节、膝关节及踝关节的运动特征，并根据各关节对应人体所在位置在空间上对各运动特征进行排布。

步骤S200，根据至少一个运动特征作为设计参数构建机械外骨骼的重要连接件，以通过有限数量的重要连接件生成初始连接件模型。

在步骤S200中，在根据运动自由度简图对人体肩部、髋部、踝部等重要连接处进行自由度分析，根据自由度分析结果设计对应的重要连接件，重要连接件可以实现该穿戴部位的关节的一个或多个运动特征，或多个重要连接件串联配合实现多个运动特征。

步骤S300，根据该穿戴部位的形体特征处理得到形体结构件模型。

可理解地，在正常穿戴机械外骨骼时，形体结构件被设计为包覆在穿戴部位外表面，形体结构件在设计时除了考虑到穿戴部位的形体特征之外，还会进行适当的轻量化设计处理，使形体结构件更为轻便。

具体地，根据穿戴部位的形体特征实现对形体结构件进行建模的过程主要原理是：在获得穿戴部位的形体特征后，根据穿戴部位的形体特征向穿戴部位的外侧方向进行延展，从而得到形体结构件模型。

步骤S400，对初始连接件模型进行拓扑优化，生成轻量化连接件模型。

可理解地，拓扑优化的原则是保证初始连接件模型的运动特征性能不变的情况下，优化不必要的结构。拓扑优化的过程中，通过定义约束及载荷保留必要连接部位和关键活动部位，去除对非关键部位或对非关键部位进行轻薄化处理。

步骤S500，根据形体结构件模型和轻量化连接件模型加工得到形体结构件和轻量化连接件，组装成机械外骨骼。

示例性地，可以是通过SLM金属增材制造技术对形体结构件模型和轻量化连接件模型进行加工，从而得到形体结构件和轻量化连接件。具体地，将最终的形体结构件模型和轻量化连接件模型进行数据分层，生成STL格式的模型文件，再将该模型文件导入SLM设备，设定相应的工艺参数进行加工得到最终的形体结构件和轻量化连接件。利用该技术加工零件具有无切削浪费、复杂结构制造容易、成本低、加工时长短、节约材料等优点。

本实施例提供的轻量化机械外骨骼设计方法根据穿戴部位的形体特征和运动特征，分别设计轻量化且合适的结构件和连接件，使机械外骨骼具有轻量化特性以及贴近人体，结构件和连接件分开设计，降低了外骨骼的设计难度。

下面对上述轻量化机械外骨骼设计方法的过程作更为具体的描述。

图3是一实施例提供的一种生成初始连接件模型方法的流程图。参阅图3，该方法包括以下步骤S201-S203：

步骤S201，根据各运动特征的自由度方向和幅度，构建对应的重要连接件。

步骤S202，分析穿戴部位产生运动特征的位置，调整重要连接件的配置位置和配置角度。

步骤S203，根据调整后的重要连接件得到初始连接件模型，或在对至少两个重要连接件进行串联拟合后得到初始连接件模型。

在本实施例中，构建的重要连接件的运动特征数量与穿戴部位的运动特征数量一致，示例性地，如图4所述，髋关节的重要连接件需要符合可以沿三个自由度方向运动的性能，设置该重要连接件的结构时，根据外展/内收、屈/伸、旋内/旋外三个运动特征构建重要连接件的组成，一般地是将分别可以实现上述三种运动特征的组成顺次连接在一起，构建得到的初始连接件模型是最终轻量化连接件的基础。

图5是一实施例提供的一种生成形体结构件模型方法的流程图。参阅图5，该方法包括以下步骤S301-S303：

步骤S301，采集穿戴部位的形体特征数据，建立关于穿戴部位的穿戴模型。

步骤S302，通过逆向建模处理穿戴模型，并获取逆向建模后的曲面模型。

步骤S303，对获取的曲面模型进行加厚处理，得到形体结构件模型。

示例性地，穿戴部位为大腿，在采集穿戴部位的形体特征数据时，通过扫描仪器对大腿进行扫描，可以获取大腿的形体特征数据并据此得到大腿的穿戴模型，在逆向建模时，以穿戴模型的表面特征为参考，通过逆向建模软件对穿戴模型进行面片拟合以及平面分割处理，从而获得逆向建模后的曲面模型，该曲面模型的内表面分别与大腿的外表面贴合，最后在三维软件中对曲面模型进行向外加厚处理，使得到的形体结构件模型具有良好的强度，最终成型的形体结构件模型如图6所示。

在该实施例中，所述通过逆向建模处理穿戴模型具体是根据穿戴模型中的点云数据将穿戴模型进行面片拟合和/或平面分割。

图7是一实施例提供的一种生成轻量化连接件模型方法的流程图。参阅图7，该方法包括以下步骤S401-S403：

步骤S401，基于初始连接件模型建立有限元模型，定义约束及载荷。

其中，定义约束及载荷的目的是保留必要连接部位和关键活动部位。

步骤S402，利用拓扑优化软件对有限元模型进行拓扑优化，根据拓扑优化结果对重要连接件进行再次建模。

步骤S403，对再次建模的重要连接件进行有限元分析验证，得到轻量化连接件模型。

在步骤S402-S403中，可以是利用Ansys拓扑优化设置保留参数等，得到拓扑优化结果，然后根据对优化结果重新进行实体建模进行有限元分析验证，以及第二次拓扑优化，得到轻量化连接件模型。

图8是第二个实施例提供的一种轻量化机械外骨骼设计方法的流程图。参阅图8，在图1实施例的基础上，该方法包括步骤S600：

在执行步骤S500之后，执行步骤S600。

步骤S600，根据穿戴部位的运动特征对机械外骨骼模型的性能进行评估。

具体地，对步骤S500得到的机械外骨骼进行测试，例如，连接部分的自由度和受力测试等，与穿戴者对应的穿戴部位的运动特征进行比较，根据比较结果判断是否符合穿戴者的运动要求，若不符合，调整拓扑优化的参数和/或初始连接件模型，对特定的参数进行调节。

示例性地，测试评估过程可以是：测试机械外骨骼模型各运动特征的自由度方向和幅度；若与穿戴部位各运动特征的自由度方向和幅度匹配，结束测试；反之，调整拓扑优化的参数和/或初始连接件模型。其中，初次不满足设计需求时，首先调整拓扑优化的参数，重新制造形体结构件并进行组装，再次测试机械外骨骼模型各运动特征的自由度方向和幅度，若仍不满足设计需求，调节初始连接件模型的结构和相关参数，重新制造轻量化连接件并进行组装，纸质满足设计需求为止。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种轻量化机械外骨骼设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

选取机械外骨骼的穿戴部位，根据该穿戴部位的运动特征建立运动自由度简图；

根据至少一个运动特征作为设计参数构建机械外骨骼的重要连接件，以通过有限数量的重要连接件生成初始连接件模型；

根据该穿戴部位的形体特征处理得到形体结构件模型；

对初始连接件模型进行拓扑优化，生成轻量化连接件模型；

根据形体结构件模型和轻量化连接件模型加工得到形体结构件和轻量化连接件，组装成机械外骨骼。

2.根据权利要求1所述的轻量化机械外骨骼设计方法，其特征在于，所述根据至少一个运动特征作为设计参数构建机械外骨骼的重要连接件，以通过有限数量的重要连接件生成初始连接件模型，包括：

根据各运动特征的自由度方向和幅度，构建对应的重要连接件；

分析穿戴部位产生运动特征的位置，调整重要连接件的配置位置和配置角度；

根据调整后的重要连接件得到初始连接件模型，或在对至少两个重要连接件进行串联拟合后得到初始连接件模型。

3.根据权利要求1所述的轻量化机械外骨骼设计方法，其特征在于，所述根据该穿戴部位的形体特征处理得到形体结构件模型，包括：

采集穿戴部位的形体特征数据，建立关于穿戴部位的穿戴模型；

通过逆向建模处理穿戴模型，并获取逆向建模后的曲面模型；

对获取的曲面模型进行加厚处理，得到形体结构件模型。

4.根据权利要求3所述的轻量化机械外骨骼设计方法，其特征在于，所述通过逆向建模处理穿戴模型还包括：

根据穿戴模型中的点云数据将穿戴模型进行面片拟合和/或平面分割。

5.根据权利要求1所述的轻量化机械外骨骼设计方法，其特征在于，所述对初始连接件模型进行拓扑优化，生成轻量化连接件模型，包括：

基于初始连接件模型建立有限元模型，定义约束及载荷；

利用拓扑优化软件对有限元模型进行拓扑优化，根据拓扑优化结果对重要连接件进行再次建模；

对再次建模的重要连接件进行有限元分析验证，得到轻量化连接件模型。

6.根据权利要求1所述的轻量化机械外骨骼设计方法，其特征在于，所述根据形体结构件模型和轻量化连接件模型加工得到形体结构件和轻量化连接件，包括：

通过SLM金属增材制造技术对形体结构件模型和轻量化连接件模型进行加工，从而得到形体结构件和轻量化连接件。

7.根据权利要求1所述的轻量化机械外骨骼设计方法，其特征在于，还包括以下步骤：

根据穿戴部位的运动特征对机械外骨骼模型的性能进行评估。

8.根据权利要求7所述的轻量化机械外骨骼设计方法，其特征在于，所述根据穿戴部位的运动特征对机械外骨骼模型的性能进行评估，包括：

测试机械外骨骼模型各运动特征的自由度方向和幅度；

若与穿戴部位各运动特征的自由度方向和幅度匹配，结束测试；

反之，调整拓扑优化的参数和/或初始连接件模型。

Images