人体下肢外骨骼康复机器人的动力学分析与研究

夏田，桓茜，陈宇，徐建林

（陕西科技大学机电工程学院，陕西西安710021）

来稿日期：2018-04-07

基金项目：陕西省科技计划项目（2013K07-08）作者简介：夏田，（1962-），女，陕西咸阳人，硕士研究生，教授，主要研究方向：数控装备，机器臂及AVG 小车；

桓茜，（1991-），女，陕西咸阳人，硕士研究生，主要研究方向：人体外骨骼康复机器人

1引言

外骨骼机器人是一种将人体和仿人型机械结构连接于一体的并联机构装置，而这种并联机构又有其独特性，人体在这个装置中基本上是受力者，不需要为外骨骼的运动施力，即外骨骼需要实现在不干扰人体运动的前提下实现助力效果，所以外骨骼机器人的动力学研究是外骨骼技术研究的基本问题之一[1-3]。

下肢外骨骼动力学分析的目的是为了求解各关节在运动状态下所受的力和力矩，为此在分析过程中，将其简化为七杆机构，包含六个关节（两个髋关节、两个膝关节和两个踝关节），然后运用当前常用的划分行走模式方法将动力学研究建立在不同的行走模式下进行动力学建模分析，最后在ADAMS 环境下进行人机耦合的动力学仿真，求解关节力矩与运动周期的曲线关系。

2下肢外骨骼结构原理

以身高为175mm 的人体为例，根据《GB/T 1000-1988中国

成年人人体尺寸》，将下肢外骨骼康复机器人的各部位尺寸设计为[7]：髋部长度l 1=334mm ，大腿连杆长度l 2=428mm ，小腿连杆长度l 3=430mm ，脚部尺寸l 4=68mm 。人体下肢各关节的自由度和活动度，如表1所示。

为一种基于液压驱动型的人体下肢外骨骼康复机器人结构示意图，如图1所示。其各连接部件采用铝合金材料；背部、腰部和腿部的束紧带为柔性构件，材料为尼龙。

表1下肢各关节自由度和活动度

Tab.1Degrees of Freedom and Rang of Motion

名称自由度活动度（°）髋关节内收/外展（-30~-35）~40

屈/伸-120~65旋内/旋外（-15~-30）~60膝关节屈/伸（-120~-160）~0踝关节

内翻/外翻（-30~-35）~（15~20）

背屈/趾屈-20~（40~50）旋内/旋外

-15~（30~50）

摘要：针对人体下肢外骨骼机器人，将其简化为七杆机构，并将人体行走模式划分为单脚支撑模式和双脚支撑模式，然

后运用牛顿-欧拉方法分别对两种行走模式进行动力学建模，研究表明，牛顿-欧拉方法在解决多刚体并联机构的动力学问题中，既可以计算各关节的力矩还可以求解杆件的空间受力，计算简便高效，最后，在ADAMS 环境下进行动力学仿真，求解出髋关节和膝关节力矩与运动周期的曲线关系，同时在MATLAB 中进行理论计算作为对比，结果表明理论计算和仿真结果曲线存在一定的偏差，但基本一致。

关键词：外骨骼机器人；动力学分析；行走模式；耦合仿真；力矩中图分类号：TH16；TP242

文献标识码：A

文章编号：1001-3997（2018）09-0258-04

Dynamics Analysis and Study of Human Lower Limb Exoskeleton Rehabilitation Robot

XIA Tian ，HUAN Xi ，CHEN Yu ，XU Jian-lin

（College of Mechanical ＆Electrical Engineering ，Shaanxi University of Science ＆Technology ，Shaanxi Xi ’an 710021，China ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：The human lower limb exoskeleton robot is simplified as seven bar mechanism.And the human walking pattern which contains single-leg support pattern and double-leg support pattern are performed by dynamic analysis based on the Newton Euler method respectively.The research shows that the Newton Euler method is an effective method to solve the problem of multi-body dynamics of parallel mechanisms in both torque calculation for each joint and space force of each lever ，and the method is simple and efficient.Finally ，the dynamic simulation is analyzed in ADAMS ，and the curve relation of the hip joint and knee joint are https://www.360docs.net/doc/4a6822091.html,paring the theoretical calculation data in MATLAB ，the theoretical calculation and the simulation result curve have a certain deviation ，but the results are basically consistent.

Key Woｒdｓ：Exoｓkeleｔon Roｂoｔ；DynａmiｃｓＡnａlyｓiｓ；Wａlking Pａｔｔeｒn ；Coupling Simulａｔion ；Momenｔ

Machinery Design ＆Manufacture

机械设计与制造

第9期2018年9月

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