2024年4月24日发(作者：蒲煜祺)
机械设计与制造
300
第
6
期
Machinery
Design
&
Manufacture
2021
年
6
月
新型下肢外骨骼机器人动力学仿真
邓斌,赵英朋
（
西南交通大学先进驱动节能技术教育部工程研究中心
，
四川
成都
610031
）
摘要:人
体躯干能够根据负载重量而自适应调节前倾角度
，
有利于人体对下肢外骨骼的控制和人机系统行走稳定性
。
当超出一定负重时
，
躯干前倾困难
。
设计一种新型號背结构,利用负重重量增加躯干前倾角度
。
首先分析人体步态
，
方
便仿真时施加约束和驱动等元素;然后将人体简化为七杆模型
，
用
Kane
方法建立动力学方程
，
减少中间变量
，
提高计算效
率;最后通过
Adams
进行动力学仿真验证
。
仿真得到的结果表明
：
承载负重之后
，
髓背机构能使人体躯干前倾更加省力
，
人机系统重心位置相比于之前接近稳定区域
，
并且系统重心比之前有所降低
，
进一步保证系统稳定
。
关键词:外骨骼;步态分析;动力学;仿真;
Kane
方法
中图分类号:
TH16
文献标识码:
A
文章编号:
1001-3997(2021)06-0300-05
Dynamics
Simulation
of
New
Exoskeleton
Robot
DENG
Bin,
ZHAO
Ying-peng
(Ministry
of
Education
Engineering
Research
Center
for
Advanced
Driving
and
Energy-saving
Technology
,
Southwest
Ji
ao
Tong
University,
Sichuan
Chengdu
610031,
China)
Abstract
：
The
human
torso
adaptive
control
the
forward
angle
according
to
the
load
weight,
which
is
beneficial
to
the
human
body
to
control
the
lower
limb
exoskeleton
and
the
walking
stability
of
man-machine
system.
When
the
load
exceeds
a
certain
range
,
it
is
difficult
for
the
torso
to
lean
forward.
In
this paper,
a
new
type
of
hip
back
structure
is
designed,
which
is
used
to
in
crease
the
angle
of
forward
tilt
of
the
trunk.
Firstly,
analyze
the
human
gait,
which
makes
it
corwenient
to
apply
constraints
and
driving
elements
in
simulation;And
then
simplify
the
human
body
into
a
seven-bar
model,
Using
Kane
method
to
establish
dy
namic
equations
9
reduce
intermediate
variables
and
improve
calculation
efficiency;
Finally,
the
dynamics
simulation
is
carried
out
by
Adams.
The
simulation
results
show
thati
After
carrying
load,
the
hip
back
mechanism
can
make
the
body
lean
forward
and
save
more
power,
the
center
of
gravity
of
man-machine
system
is
closer
to
the
stable
region
than
before
9
and
the
center
of
gravi
ty
of
the
system
is
lower
than
before
9
which
further
ensures
the
stability
of
the
system.
Key
Words
:
Exoskeleton
；
Gait
Analysis
；
Dynamics
；
Simulation
；
Kane
Method
1
引言
随着科学技术日新月异的发展
，
下肢外骨骼机器人技术也
单关节
（
膝关节
）
驱动比多关节驱动更加节能
，
因此只在膝关节设
置一处液压驱动单元
，
取消踝关节和髓关节处驱动单元
，
在髓关
得到快速的更迭,针对不同场合具有更加良好的适应性
。
美国加
州大学伯克利分校人机工程实验室于
2004
年研发出一种具有真
节和外骨骼背板之间新加一套凸轮连杆机构
，
代替原先髓关节部
分功能
。
背包式负重行走对于军人来说就像是家常便饭
，外部负重
正意义上的拟人化下肢外骨骼机器人叫
Berkeley
Lower
Extremi
ty
Exoskeleton,
BLEEX
）
。
BLEEX
能够跟随穿戴者完成基本动
作,
如平地行走
、
弯腰、
跨越或俯身绕过障碍
，
首次完成
8
字形行
走
。
BLEEX
的升级版
HULC
口第构上更加符合人体特征
,
液压系
施加压力作用于人体肩部
,
背部及臀部
，
间接影响人体重心位置
变化
。
为了保持人体稳定和平衡
，
人体躯干势必做出调整以适应
外加负载所带来的影响
。
外骨骼机器人的出现彳艮大程度上解决
了负重给人体带来的负重感
，文献
1
勺表明外加负重
95%
的重量由
外骨骼承受
，
只有极少部分负重由人体承受
。
但在穿戴外骨骼机
统更加高效合理
，
满足士兵对灵活机动性和稳定支撑性的需求,
还能完成下蹲和匍匐等复杂动作
。
SARCOS
公司于
2008
年成功
研制出外骨骼机器人
XOS
叫
器人之后
，
外加负载与人体躯干近似为一体
，
使得人体有绕髓关
国外在外骨骼结构
，
控制算法等方面技术成熟
，
国内对外骨
节向后转动的趋势
，
人机系统
（
下文简称系统
）
重心有时不能投影
在满足人机系统稳定性的区域内。
负重型外骨骼机器人在外加
骼相关研究起步较晚
，
技术还在不断发展当中
。
文献眄式验验证
来稿日期:
2020-04-04
作者简介:邓斌
,
（
1964-
）
,
男，
四川人
，
博士研究生
，
教授
，
主要研究方向:新型驱动技术及液压技术研究
第
6
期
邓
斌等:新型下肢外骨骼机器人动力学仿真
301
负载作用下
，
躯干会后倾，
因此穿戴者需要控制身体躯干前倾以
减小外加负载带来向后倾倒的趋势
，
保持系统的稳定性
。
2
人体步态及稳定性分析
人正常行走看似是个简单却又是很复杂的过程
。
首先分析
人体正常步态有助于进一步分析负重时步态特征
，
正常步态示
意
，
如图
1
所示
。
一个步态周期分为:单足支撑期-双足支撑期-
单足支撑期
，
方便起见
，
先分析图中着色腿
（
右
）
，
左腿相比右腿滞
后半个步态周期
。
其中单足支撑时间约占一个步态周期的
60%,
摆动时间约占为
40%
问
。
图
］
一个步态周期
Fig.l
A
Gait
Period
与上述人体正常行走不同
，
人体负重行走特征研究较为复
杂
，
行走时各种变量相互影响
，
并且不同行走速度
、
不同负重
、
甚
至负重的方式都会成为影响步态模式的重要因素叫人体下肢占
人体重的
34%
左右
，
不同负重及负重方式的改变对下肢步态的影
响较小
,
负重之后
，
分析人身穿外骨骼负重步态时,忽略下肢步态
变化带来的下肢重心变化对整个系统
（
包括负重
）
重心变化的影
响
。
仿生机器人行走稳定性判据主要包括静态稳定性和动态稳
定性两类
，
静态稳定性判据主要有重心投影法等叫动态稳定判据
主要是基于
ZMP
的稳定性判据等
。
由图
1
可知
，
在一个步态周期
内有大约
60%
的时间是单腿支撑期
,
一侧各占
30%
冲间时期出
现支撑脚从一侧转换到另侧
。
假设人体穿戴外骨骼作匀速运动
且速度较低,人体躯干上肢等惯性力可以为零
,
人体下肢惯性力
变化较小，
忽略不计
。
动态过程在每个时刻可以认为是静态的
，
因此通过研究系
统动态运动过程的每个时刻的静态稳定性来验证系统的动态稳
定性,采用重心投影法判断系统稳定性
。
通过系统重心位移变化
量
，
可以直接看出系统在使用新的髓背结构之后相较于之前的下
谢卜骨骼有没有改善
。
3
动力学建模及方法
3.1
方法简介
为了验证新型外骨骼机器人能否满足要求
，
首先对人体下
肢进行动力学建模
。人类在行走过程中
,
大多数时间是在矢状面
内直线行走
，为简化计算只考虑人体在矢状面内的运动。
之前研
究工作将人体下肢和躯干简化为五杆模型，
忽略踝关节的作用
。
文献眄旨出在踝关节处的作用力矩并没有小到可以忽略不计的程
度，
将踝关节考虑进去，
更加接近人体实际行走模式
，
对于系统重
心变化量的分析也有一定帮助
。
因此将人体模型简化为七杆模
型包括:双足
、
双小腿
、
双大腿和躯干
。
七杆模型
，
如图
2
所示
。
对于人体下肢动力学建模方法
,
主要有
Newton-Euler
方程
,
Lagrange
方程及
Kane
方程
。
Lagrange
方程是基于能量项对于系
统变量及时间的微分而建立的
,
建模矩阵非常庞大，
不利于计算
机编程计算,相较于
Newton-Euler
方程法
，
Lagrange
方法更适应
于复杂程度高的系统
，
但需要求解势能和动能,不利于计算
。文
献囱指出对于机器人这样的多自由度复杂系统
，
应用
Kane
方法可
以减少计算步骤
,
提高计算效率
,
不仅如此
,
Kane
方法计算步骤
程式化
，
具有叠加性
，
可以借助计算机完成微分
、
点乘
、
变换等运
算。
因此应用
Kane
方法对下肢进行动力学建模
。
3.2
动力学建模
人体下肢及躯干为理想型七杆
9
自由度约束系统
，
选取广义
速率为:
式中:
91
，
92,
7
如图
2
所
7K,g
”
g2
—
脚尖至坐标原点距离,久,
•
•
G
—
各体段与水平线夹角
Gad）
，
定义逆时针为正
，
顺时针
为负
。
由达朗贝尔原理和虚位移原理推得系统的动力学普遍方程
为
：
⑴
Kane
方法的一般方程为:
V-
（
F
+
F*
）
+W-
（
L
+
L*
）
=
0
⑵
式中速度矩阵
；
F
—
主动力矩阵
；
尸一
®
性力矩阵；
I®
角速度矩阵
；
I
—人体关节主动力矩
；
I
MS
性力矩
。
式
2
可以化简成式
3
的数值积分形式
。
AU
=
B
其中,
(m&l
2
+
m
2^1
2
+
…+
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2
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302
机械设计与制造
No.6
June.2021
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…
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；
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一各体段质心距餃点距离
；
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一各段长度
；
q
~
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：
―
cos@-0
)
遇一
sin
(
0
厂
£);
一重力加速度
，
取
值为
9.8m/s2
；
甌一关节处的肌肉力矩
JTW
的转动惯量
。
4
动力学仿真
4.1
确定参数
根据文献问确定各体段的转动惯量
。
采用标准人体身高为
1700mm,
体重为
65kg
o
人体下肢及躯干七杆模型主要考虑踝关
节
、
膝关节
、
髓关节在矢状面内旋转,人体各关节在矢状面内范围
参考文献⑴
。
4.2
建模及仿真
凸轮连杆机构原理
，
如图
3(a)
所示
。
高副低代图
，
如图
3(b)
所示
。
图
3(a)
中
A
、
C
为较点
，
滚子在杆
3
上
D
点
，
杆
1
一端带有圆
弧槽
，
圆弧圆心在
B
点
。
杆
1
相对于
A
点顺时针旋转
,
杆
3
在机构
作用下逆时针旋转
。
(a)
原理图
(
b)
高副低代图
图
3
凸轮机构原理图及高副低代图
Fig.3
Schematic
Diagram
of
the
Cam
Mechanism
and
the
High-Level
and
Low-Pass
Diagram
在三维软件
SolidWorks
里建立人机模型
，
在综合对比了几
种常见材料之后
，
考虑到轻便性外骨骼材料最终选择密度小刚度
大的铝合金
2024,
几种材料属性
,如表
］
所示
o
表
［材料属性对比
Tab.1
Comparison
of
Material
Properties
名称
拉伸强度
(MPa)
屈服强度
(MPa)
合金钢
470
〜
630
>325
碳纤维
>3500
较小
高强钛合金
1100-1400
880-1120
2024
铝合金
472
325
首先验证三维模型静止站立时
，
固定脚,加载最大负重
50kg
(
由四杆机构杆长及传力特性知
，
躯干此时受力约为
20%
的
Body
W
eight
后简称
B
W
),
观察模型最大应力和位移云图
，
如图
4
所示
。
应力云图结果显示最大应力值
170MPa,
小于许用应力
，
满足强度
使用要求
,
应力集中位置主要在零件形状突变出和位置转折点
处
。
将零件截面突变处加倒角和圆角,优化零件形状
，
使其受力
均匀
，
避免出现应力集中现象
。
图
4(a)
显示最大位移在靠背板顶
端
,
值为
4.9mm
,
髓关节所在点位移约为
2mm,
由下式得出髓关节
相对脚底向后旋转角度
0
为
0.13°
,
占最大负重时躯干倾斜的
2.5%,
对系统重心移动产生的影响较小
。
(
h.
图
4
应力及位移云图
Fig.4
Stress
and
Displacement
Clouds
然后将
Solid
Works
建立的模型导入
Adams
中
,
把各体段质
量
、
质心、
转动惯量等参数按照文献凹导入到体段的相应位置
。
最后添加各体段驱动函数
，
驱动系统进行仿真运算
,
Adams
中虚
拟样机模型
，
如图
5
所示
。
No.6
June.2021
机械设计与制造
303
图
5
Adams
中虚拟样机
Fig.5
Virtual
Prototype
in
Adams
外骨骼负重不同于传统背包负重,为了方便计算
，
将靠背板
所受的力
P
全部加在人体背部
，
由四杆机构特性可知负重与靠背
板受力关系满足下式
，
参数如图
3(b)
所示
。
8xFxZ
心血仏)
p
=
-----------
3
x
/3
x
⑸
sin
(
0j
式中
：
F
—
负载重力
；
Zj
—
AB
长
；
1
3
—CD
长；
仇一
AB
与
BD
夹角
(rad);0
—
BD
与
DC
夹角
。
新机构是否有效
，
采用对比的方法对设计的机构进行仿真
验证
。
将人体背部受到力的大小表示成占
BW
百分比形式
，
依次
为
5%
、
10%
、
15%
和
20%BW,
对应负重依次为
23.5kg
、
35.5kg
、
44.8kg
和
52kg
。
对于未加机构的下肢外骨骼根据文献旳所述
，
其
可以帮助人体承担大约
95%
的负重
,
由于人体承担的负重较小
,
导致人体与外骨骼之间人机交互性差
，不利于行走
，
将来自负重
20%
的作用力作用在人体背部
，
增强人机交互性
，
同时假设背负
52kg
的重物时
,20%
由人体承受,占标准人体体重的
16%,
符合文
献皿得出负重
(15~20)%BW
是人体行走的适宜范围
。
4.3
仿真结果
第一种情况,系统未加髓背机构
。
外加负重经由外骨骼髓
背机构分别施加
5%BW
、
10%BW
、
15%BW
和
20%BW
的作用力在
人体背部
,
由文献弑验知躯干前倾角度依次为
0.5
。
、
0.95
。
、
1.4
。
、
2
。
与
5.3
。
,
与初始位置
(0.5
。
)
进行对比
,
验证整个系统的重心在矢
状面内变化情况
，
如图
6
所示虚线
。
图
6(a)
中
N_Load_5%BW
表
示负重
5%BW
未装有髓背机构
,
(b)
、
(c)
、
(d)
与此相同
。
第二种
情况:系统中构装有髓背机
，
所加负重作用在靠背板的力分别为
5%BW
、
10%BW
、
15%BW
和
20%BW
,
再与初始位置
(0.5
。
)进行对
比
，
验证系统重心在矢状面内前后方向上移动情况
，
如图
6
所示
实线
。
图
6.a)
中
Y_Load_5%BW
表示负重
5%BW
且装有髓背机
构
,
(b)
、
(c)
、
(d)
与此相同
。
其中质心计算公式如下式
，
将矢状面
与冠状面交线定义为参考线
。
式中:
％
—各体段质量;“
V
部分质心投影在矢状面内到参考线
的距离(前为正,后为负
)
;M
—
系统质量;
r
—
系统质心在矢
状面内相对于参考线的距离
。
仿真结果参考坐标原点为矢状面、
冠状面和水平面三面交
点,将冠状面定于人体模型背部与外骨骼接触所在面
，
考虑到髓
关节作为人体上下分界点
，
将水平面定义在人体髓关节偏上处,
重心在水平面上数值为零
，
便于计算
。
由图
6(a)
、
(b)
、
(c)
、
(d)
中虚线可知
，
未加机构时负重依次增
加时,初始时系统重心在矢状面内相对参考线距离为
124mm,
负重
后系统重心在冠状面内位移变化值相对于初始位置减小量(向后
移动,下同)依次为
59mm
、
79mm
、
90mm
、
96mm,
随着负重增大
，
系
统重心逐渐向身体后侧移动
。
由图
6(a)
、
⑹
、
(c)
、
(d)
中实线可
知
,加了机构之后负重依次增加时,重心位移变化相对于初始位
置移动量依次为
54mm
、
72mm
、
82mm
、
88mm
。
变化量占参考距离
的百分比依次为
43.5%
、
58.1%
、
66.1%
和
70.9%,
可以看出百分比
相较于之前有所减小
，
同比减小百分比依次为
8.6%
、
8.8%
、
9%
和
8.4%,
可见新机构可以使得系统重心有所前移,比例在
9%
左右。
图
6
系统重心在矢状面内前后位移变化量
Fig.6
The
Amount
of
Displacement
of
the
Center
of
Gravity
of
the
System
in
the
Sagittal
Plane
当系统没有加髓背机构时
,
负重随着人体躯干绕髓关节转
动
。
由图
3.a
知杆
1
与杆
3
相对
A
点作反向转动
，
结合图
5
可知负
载加在杆
1
上
，
由于机构作用,负重与人体躯干作反向运动
，
相对
于负重初始位置相比机构使得负重重心向下
，
进而使得系统整体
重心相对降低
，
有利于系统稳定
。
不同负重比例时系统重心在竖
直方向上相对于未加髓背机构时系统重心均有所下降
，且负重比
例越大时系统重心降低差值越大，
如图
7
所示
。
这是因为当负重
越大时躯干前倾角度变大
，
负重相对于初始位置绕髏关节旋转角
度越大
，
负重端小角度转动与靠背端大角度转动导致负重增加而
图
7
系统重心在竖直方向上变化量
Fig.7
Variation
of
the
Center
of
Gravity
of
the
System
in
the
Vertical
Direction
由图
7
可知,当负重较小时
，
重心上下位移变化曲线在形状
上接近正弦函数
，
但在一个周期内规律性较差,随着负重增加
，
重
心变化曲线越接近正弦函数
。在一个步态周期内随着左右下肢
交替摆动,理想状态下曲线前后两段是一样的
，
忽略身体左右摆
动带来的影响
，曲线趋于规律性
，
利于行走稳定性
。
304
机械设计与制造
ment
of
Science,2010
(
Zl)
:
54-54.)
No.6
June.2021
5
结论
(1)
采用
Kane
方法建立人体七杆模型,将行走过程中不可缺
少的足考虑进去更加符合人体实际行走情况
，
相比
Newton
定律
、
[6]
Zoss
A
B,
Kazerooni
H,
Chu
A.
Biomechanical
design
of
the
Berkeley
lower
extremity
exoskeleton
(BLEE
X)
[J].leee-Asme
Transactions
on
Mechatronics
2006,11(2
)
:
128-138.
Euler
方程和
Lagrange
方程
,
Kane
方法不需求动能和势能
,
更适宜
用计算机完成求解
，
减小计算量
，
提高工作效率
。
(
2
)
采用新机构作为人体与外骨骼在髓关节处的联结机构
，
[7]
夏旭峰，
葛文杰.仿生机器人运动稳定性的研究进展
[J].
机床与液压,
2007,35(2):229-234.
(Xia
Xu-feng,
Ge
Wen-jie.
Research
progress
on
motion
stability
of
bi
onic
robot[
J
]
.Machine
tools
and
hydraulics
,2007,35(2)
：
229-234.)
使得原本负重与人体躯干一起转动(绕髓关节)的方式变为反向
转动
。
结果表明机构在负重之后,系统重心向后移动趋势减小，
[8]
Griffin
T
M
,
Roberts
T
J,Kram
lic
cost
of
generating
muscular
force
in
human
walking
：
insights
from
load-carrying
and
speed
experi
ments
[j].
Journal
of
Applied
Physiology
,2003,95(1)
：
172-183.
相较于前者
，
现在的系统重心与初始系统稳定点更加接近
，
有利
于系统稳定性
。
(
3
)
采用新机构时
,
负重与人体上肢及躯干作反向转动
,
系
⑼
TRKane,
杨海兴.建立动力学方程的新方法
[j].
力学进展
,1983,13
(2):143-148.
统重心有所降低且随着负重增大,下降变化量就越大
。
参考文献
[1]
Chu
A,
Kazerooni
H
,
Zoss
the
Biomimetic
Design
of
the
Berkeley
(
Hai-xing.A
New
method
for
establishing
Kinetic
equa
tions
[
J
]
.Progress
in
Mechanics,
1983,13(2)
：
143-148.)
Lower
Extremity
Exoskeleton
(BLEEX)
[C]//IEEE
International
Confer
[10]
全国人类工效学标准化技术委员会
.
成年人人体惯性参数:
GB/T
172412004[S]
北京
冲国标准出版社
,2004.
ence
on
Robotics
and
,2006
:
4345-4352.
[2]
Kazerooni
,
augmentation
and
exoskeleton
systems in berkeley
(National
Technical
Committee
for
Standardization
of
ergonomics.
GB/
T
17245-2004[S]Beijing
:
China
Standard
Press,
2004.)
[j].International
Journal
of
Humanoid
Robotics
,2007,4(3
)
：
575-605.
[11]
阿尔文
・
R
・
蒂利.人体工程学图解
[M].
朱涛
，
译.北京冲国建筑工
[3]
Kawamoto
H,
Lee
S,
Kanbe
assist
method
for
HAL-3
using
业出版社
.199
&
29-30.
(
Engineering
Diagram[M].
Zhu
g
：
Chi
EMG-based
feedback
controller
[C]//Systems,
Man
and
Cybernetics,
International
Conference
on.
IEEE,
2003.
na
Construction
Industry
Press
,
1998:29-30.)
[12]
赵美雅
，
倪义坤
，
田山.行走过程中不同背包负重方式对人体生理参
[4]
Cappellini
G,
Ivanenko
Y
P,Poppele
patterns
in
human
walk
ing
and
running[
J
]
.Journal
of
Neurophysiology
,2006,95(6)
：
3426-3437.
[5]
马寿春.俄罗斯:未来士兵的
“
钢铁战甲
”
[J].
科学启蒙
，
2010
(
zl)
：
54
-
数的影响
[J].
医用生物力学
,2015,30(1):8-13.
(Zhao
Mei-ya,
Ni
Yi-kun,Tian
s
of
difierent
ways
of
carry
ing
weight on
physiological
parameters
of
human
body
during
walking
54.
(Ma
：
steel
armor
of
future
soldiers
[
J
].
The
Enlighten
[
J
].
Medical
biomechanics
,2015,30(1):
8-13.)
(上接第
299
页)
(Zhang
Tie
,
Lin
Kang-yu
,
Zhou
Yan
—
input
shaper
with
control
nal
residual
vibration
of
a
3
—
DOF
parallel
robot
with
limbs
of
embed
of
error
optimization
for
endefiector
residual
vibration
suppression
of
in
dustrial
robots
[j].
Journal
of
Xi'
an
Jiaotong
University,
2018(4
)
:
90-
ding
structures
[
j]
.
China
Mechanical Engineering
,2016,27(12
)
:
1648-
1655.)
[7]
杭强,黄连生.六自由度工业机器人振动测量与分析
[J].
中国计量
，
2018(8):89-90.
97.)
[3
]
李成祥
,
杨志军，蔡铁根
.
基于
ADAMS
仿真优化的搬运机器人运动规
划
[J].
机械传动
,2016(9):28-31.
(Li
Cheng-xiang,
Yang
Zhi-jun
,
Cai
Tie
—
gen.
Motion
planning
for
the
(Hang
Qiang,
Huang
Lian-sheng.
Vibration
measurement
and
analysis
of
six-dof
industrial
robot[j
]
.China
Metrology
,2018(8)
：
89-90.)
tranfer
robot
based
on
ADAMS
simulation
optimization
[j].
Journal
of
⑻梁捷
，
陈力，
梁频.柔性空间机器人基于关节柔性补偿控制器与虚拟力
概念的模糊全局滑模控制及振动主动抑制
[J].
振动与冲击
,
2016,35
(18):62-70.
(Liang
Jie,
Chen
Li
,
Liang
Pin.
Adaptive
fuzzy
global
sliding
mode
con
Mechanical
Transmission,
2016(9
)
：
28-31.)
[4] Pemer
M
,
Krombholz
C
,
Bock
M.
Clarifying
Vibrational
Issues
of
an
Ad
vanced
Pemer
M
,
Krombholz
C,
Bock
ying
Vibrational
Issues
of
an
Advanced
Automated
Fiber
Placement
Production
Plant
[C]//
Inter
national
Conference
on
Advanced
InteUigent
,2012.
trol
and
active
hierarchical
vibration
suppression
of
space
robot
with
flexible
—
link
and
flexible-joint
[j].
Journal
of
Vibration
and
Shock
,
2016,35(18):62-70.)
[5]
Krombholz
C
,
Pemer
M,
Bock
ing
The
Production
Quality
Of
The
Advanced
Automated
Fiber
Placement
Process
By
Means
Of
Online
⑼郭珂甫
，刘广瑞,王庆海.线性二次型在柔性机械臂抑振控制中的研究
[J].
机械设计与制造
,2018(7
)
：
256-259.
Path
Correction
[J],
2012.
[6]
柯辉
，
王晓慧,张建军.一种三自由度支链嵌套并联机器人末端残余振
(Guo
Ke-fii,
Liu
Guang-rui,
Wang
Qing-hai.
Research
on
linear
qua
动的主动抑制
[J]
冲国机械工程
,2016,27(12):1648
-
1655.
(Ke
Hui,
Wang
Xiao-hui
,
Zhang
suppression
for
termi
dratic
optimal
control
in
vibration
control
of
flexible
manipulator
[j].2018
(
7
)
：
256-259.)
2024年4月24日发(作者：蒲煜祺)
机械设计与制造
300
第
6
期
Machinery
Design
&
Manufacture
2021
年
6
月
新型下肢外骨骼机器人动力学仿真
邓斌,赵英朋
（
西南交通大学先进驱动节能技术教育部工程研究中心
，
四川
成都
610031
）
摘要:人
体躯干能够根据负载重量而自适应调节前倾角度
，
有利于人体对下肢外骨骼的控制和人机系统行走稳定性
。
当超出一定负重时
，
躯干前倾困难
。
设计一种新型號背结构,利用负重重量增加躯干前倾角度
。
首先分析人体步态
，
方
便仿真时施加约束和驱动等元素;然后将人体简化为七杆模型
，
用
Kane
方法建立动力学方程
，
减少中间变量
，
提高计算效
率;最后通过
Adams
进行动力学仿真验证
。
仿真得到的结果表明
：
承载负重之后
，
髓背机构能使人体躯干前倾更加省力
，
人机系统重心位置相比于之前接近稳定区域
，
并且系统重心比之前有所降低
，
进一步保证系统稳定
。
关键词:外骨骼;步态分析;动力学;仿真;
Kane
方法
中图分类号:
TH16
文献标识码:
A
文章编号:
1001-3997(2021)06-0300-05
Dynamics
Simulation
of
New
Exoskeleton
Robot
DENG
Bin,
ZHAO
Ying-peng
(Ministry
of
Education
Engineering
Research
Center
for
Advanced
Driving
and
Energy-saving
Technology
,
Southwest
Ji
ao
Tong
University,
Sichuan
Chengdu
610031,
China)
Abstract
：
The
human
torso
adaptive
control
the
forward
angle
according
to
the
load
weight,
which
is
beneficial
to
the
human
body
to
control
the
lower
limb
exoskeleton
and
the
walking
stability
of
man-machine
system.
When
the
load
exceeds
a
certain
range
,
it
is
difficult
for
the
torso
to
lean
forward.
In
this paper,
a
new
type
of
hip
back
structure
is
designed,
which
is
used
to
in
crease
the
angle
of
forward
tilt
of
the
trunk.
Firstly,
analyze
the
human
gait,
which
makes
it
corwenient
to
apply
constraints
and
driving
elements
in
simulation;And
then
simplify
the
human
body
into
a
seven-bar
model,
Using
Kane
method
to
establish
dy
namic
equations
9
reduce
intermediate
variables
and
improve
calculation
efficiency;
Finally,
the
dynamics
simulation
is
carried
out
by
Adams.
The
simulation
results
show
thati
After
carrying
load,
the
hip
back
mechanism
can
make
the
body
lean
forward
and
save
more
power,
the
center
of
gravity
of
man-machine
system
is
closer
to
the
stable
region
than
before
9
and
the
center
of
gravi
ty
of
the
system
is
lower
than
before
9
which
further
ensures
the
stability
of
the
system.
Key
Words
:
Exoskeleton
；
Gait
Analysis
；
Dynamics
；
Simulation
；
Kane
Method
1
引言
随着科学技术日新月异的发展
，
下肢外骨骼机器人技术也
单关节
（
膝关节
）
驱动比多关节驱动更加节能
，
因此只在膝关节设
置一处液压驱动单元
，
取消踝关节和髓关节处驱动单元
，
在髓关
得到快速的更迭,针对不同场合具有更加良好的适应性
。
美国加
州大学伯克利分校人机工程实验室于
2004
年研发出一种具有真
节和外骨骼背板之间新加一套凸轮连杆机构
，
代替原先髓关节部
分功能
。
背包式负重行走对于军人来说就像是家常便饭
，外部负重
正意义上的拟人化下肢外骨骼机器人叫
Berkeley
Lower
Extremi
ty
Exoskeleton,
BLEEX
）
。
BLEEX
能够跟随穿戴者完成基本动
作,
如平地行走
、
弯腰、
跨越或俯身绕过障碍
，
首次完成
8
字形行
走
。
BLEEX
的升级版
HULC
口第构上更加符合人体特征
,
液压系
施加压力作用于人体肩部
,
背部及臀部
，
间接影响人体重心位置
变化
。
为了保持人体稳定和平衡
，
人体躯干势必做出调整以适应
外加负载所带来的影响
。
外骨骼机器人的出现彳艮大程度上解决
了负重给人体带来的负重感
，文献
1
勺表明外加负重
95%
的重量由
外骨骼承受
，
只有极少部分负重由人体承受
。
但在穿戴外骨骼机
统更加高效合理
，
满足士兵对灵活机动性和稳定支撑性的需求,
还能完成下蹲和匍匐等复杂动作
。
SARCOS
公司于
2008
年成功
研制出外骨骼机器人
XOS
叫
器人之后
，
外加负载与人体躯干近似为一体
，
使得人体有绕髓关
国外在外骨骼结构
，
控制算法等方面技术成熟
，
国内对外骨
节向后转动的趋势
，
人机系统
（
下文简称系统
）
重心有时不能投影
在满足人机系统稳定性的区域内。
负重型外骨骼机器人在外加
骼相关研究起步较晚
，
技术还在不断发展当中
。
文献眄式验验证
来稿日期:
2020-04-04
作者简介:邓斌
,
（
1964-
）
,
男，
四川人
，
博士研究生
，
教授
，
主要研究方向:新型驱动技术及液压技术研究
第
6
期
邓
斌等:新型下肢外骨骼机器人动力学仿真
301
负载作用下
，
躯干会后倾，
因此穿戴者需要控制身体躯干前倾以
减小外加负载带来向后倾倒的趋势
，
保持系统的稳定性
。
2
人体步态及稳定性分析
人正常行走看似是个简单却又是很复杂的过程
。
首先分析
人体正常步态有助于进一步分析负重时步态特征
，
正常步态示
意
，
如图
1
所示
。
一个步态周期分为:单足支撑期-双足支撑期-
单足支撑期
，
方便起见
，
先分析图中着色腿
（
右
）
，
左腿相比右腿滞
后半个步态周期
。
其中单足支撑时间约占一个步态周期的
60%,
摆动时间约占为
40%
问
。
图
］
一个步态周期
Fig.l
A
Gait
Period
与上述人体正常行走不同
，
人体负重行走特征研究较为复
杂
，
行走时各种变量相互影响
，
并且不同行走速度
、
不同负重
、
甚
至负重的方式都会成为影响步态模式的重要因素叫人体下肢占
人体重的
34%
左右
，
不同负重及负重方式的改变对下肢步态的影
响较小
,
负重之后
，
分析人身穿外骨骼负重步态时,忽略下肢步态
变化带来的下肢重心变化对整个系统
（
包括负重
）
重心变化的影
响
。
仿生机器人行走稳定性判据主要包括静态稳定性和动态稳
定性两类
，
静态稳定性判据主要有重心投影法等叫动态稳定判据
主要是基于
ZMP
的稳定性判据等
。
由图
1
可知
，
在一个步态周期
内有大约
60%
的时间是单腿支撑期
,
一侧各占
30%
冲间时期出
现支撑脚从一侧转换到另侧
。
假设人体穿戴外骨骼作匀速运动
且速度较低,人体躯干上肢等惯性力可以为零
,
人体下肢惯性力
变化较小，
忽略不计
。
动态过程在每个时刻可以认为是静态的
，
因此通过研究系
统动态运动过程的每个时刻的静态稳定性来验证系统的动态稳
定性,采用重心投影法判断系统稳定性
。
通过系统重心位移变化
量
，
可以直接看出系统在使用新的髓背结构之后相较于之前的下
谢卜骨骼有没有改善
。
3
动力学建模及方法
3.1
方法简介
为了验证新型外骨骼机器人能否满足要求
，
首先对人体下
肢进行动力学建模
。人类在行走过程中
,
大多数时间是在矢状面
内直线行走
，为简化计算只考虑人体在矢状面内的运动。
之前研
究工作将人体下肢和躯干简化为五杆模型，
忽略踝关节的作用
。
文献眄旨出在踝关节处的作用力矩并没有小到可以忽略不计的程
度，
将踝关节考虑进去，
更加接近人体实际行走模式
，
对于系统重
心变化量的分析也有一定帮助
。
因此将人体模型简化为七杆模
型包括:双足
、
双小腿
、
双大腿和躯干
。
七杆模型
，
如图
2
所示
。
对于人体下肢动力学建模方法
,
主要有
Newton-Euler
方程
,
Lagrange
方程及
Kane
方程
。
Lagrange
方程是基于能量项对于系
统变量及时间的微分而建立的
,
建模矩阵非常庞大，
不利于计算
机编程计算,相较于
Newton-Euler
方程法
，
Lagrange
方法更适应
于复杂程度高的系统
，
但需要求解势能和动能,不利于计算
。文
献囱指出对于机器人这样的多自由度复杂系统
，
应用
Kane
方法可
以减少计算步骤
,
提高计算效率
,
不仅如此
,
Kane
方法计算步骤
程式化
，
具有叠加性
，
可以借助计算机完成微分
、
点乘
、
变换等运
算。
因此应用
Kane
方法对下肢进行动力学建模
。
3.2
动力学建模
人体下肢及躯干为理想型七杆
9
自由度约束系统
，
选取广义
速率为:
式中:
91
，
92,
7
如图
2
所
7K,g
”
g2
—
脚尖至坐标原点距离,久,
•
•
G
—
各体段与水平线夹角
Gad）
，
定义逆时针为正
，
顺时针
为负
。
由达朗贝尔原理和虚位移原理推得系统的动力学普遍方程
为
：
⑴
Kane
方法的一般方程为:
V-
（
F
+
F*
）
+W-
（
L
+
L*
）
=
0
⑵
式中速度矩阵
；
F
—
主动力矩阵
；
尸一
®
性力矩阵；
I®
角速度矩阵
；
I
—人体关节主动力矩
；
I
MS
性力矩
。
式
2
可以化简成式
3
的数值积分形式
。
AU
=
B
其中,
(m&l
2
+
m
2^1
2
+
…+
^7^1
2
)
c
ll
(恥
2
‘
s2
+
m
3^2
+
…
+
to
7^2
)
^1
C
12
(砒
2
—
2
+
加
3
〃
2
+
…
+
+
^^3^2
+
*
・
■
+
)c?2
[m
3
ls3
+
mJ
3
+
…
+
(恥
3
‘
s3
+
恥
4
‘
3
+
…
+
^7^)
^2^32
A
m
4^Js4
C
41
恥
4
—
4
。
42
(
m
5^5
+
+
ot
7^5
)^1
C
51
(^5^5
+
+
m
7^5
)
^2
c
52
(恥
6
—
6
+
m
7^h
C
6l
+
W
7
Z
6
jZ
2
C
62
-
m7
Z
2
Z
s7
c
72
302
机械设计与制造
No.6
June.2021
m
3
l
l3
+
m
4
l
3
+
…
+
zn
7
Z
3
jZ
1
c
13
皿
4
仏
4
。
14
(^^5
‘
s5
+
^^6^5
+
^1
^15
(朋
3
‘
$3
+
m
4^3
+
…
+
m
7
Z3
jZ
1
C
23
m
4^2^s4
C
24
(加
5
—
5
+
m
6^5
+
m7^5
)
^2
C
25
(血
3
—
32
+
机詁
3
2
+
■*•
+
肌
7
‘
3
彳)
C
33
/n
4^3^s4
C
34
(恥
5
人
5
+
m
6^5
+
rn7^5
)
^3
C
35
mJ
3
—
4%
叫仏
/C44
0
(772*5/35
+
^^6
’
5
+
^^7^5^
^3
^53
0
(7715/35
+
^^6
’
5
+
^5^55
(恥
6
—
6
+
m
7^6
)
^3
C
63
0
(m5l
s5
+
m
6
l
5
+
m
7
l^l
6
c
65
m
lhhl
C
13
0
(
W
5^s5
+
恥
6
‘
5 +
W
7^s)^7
C
75
(皿
6
‘話
+
m
7^6
)
^l
C
16
i
Z7l
7^1^7
C
17
(皿
6
‘
《
6
+
m
7^6
)
^2
C
26
>
m
7
Z
2
Z
j7
c
27
Jx
o
o
0
0
0
0
(叫心
+
m7^e)^3
C
36
0
j
2
0
0
0
0
0
>
m7hhl
C
37
00/3
0
0
0
0
0
0
+
0
0
0
J
4
0
0
0
(皿
6
‘拓
+
m
7^6
)
^5
C
56
i
zn
7^5^7
c
57
0
0
00
J
5
0
0
(皿
6
‘
s6
+
恥
7
‘
6
0
0
0
)
‘
6°66
0
0
J
6
0
i
m
7
l
6
l
H
C
61
0
0
0
0
0
0
A-
(%/«6
+
W
7^)
h
C
76
>
叫族“
77
Mi
-15
h
c
i
h
c
i
hc
i
h
c
i
hc
i
h
c
i
m
l
m
2
0
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i
C
2
h
C
2
h
C
2
^2
C
2
^2
C
2
^2
C
2
m
2
视
0
0
^33
C
3
I3C3
Z3C3
Z3C3
Z3C3
77^3
B
M4
-
0
0
0
^s4
C
4
00
0
m
4
in
5
0
0
0
0
hs
C
5
Z5C5
Z5C5
m
s
皿
6
0
0
0
0
0
^6
C
6
h
C
6
m
6
m
7
_
0
00
0
00
^7
C
7-
_w
7
.
(m
禹
2
+朋
2
人
2
+
…
4
-
m7
l
1
2
js
11
(
m2l
s2
+
m
3
l
2
+
…
+
皿
7
仏)人$
12
(恥
2
—
2
+
翊
2
+
m
7^2
)
h
S
21
(w
2
Z
s2
2
+
m
3
Z
22
+
-
■
.
+
Tflrjh^
)
$22
(砧
3
+
m
4
/
3
+
m
7Z
3
jz
i
«
31
(恥
3
—
3
+
m
4
l
3
+
…
+
恥
7
‘
3
)
‘
2$32
恥
4
仏
4$41
恥
4
—
4$42
(恥
5
—
5
+
m
6^5
+
恥
7
‘
5
)
'1$51
(恥
5
—
5
+
m
6^5
+
W
7
Z
5^Z
2
5
5
2
(
W
6^s6
+
恥
7
‘
6
)
'1$61
(
W
6^s6
+
m
7^6
)
^2
$
62
-
m
7
Z
1
Z
j7
s
71
(恥
3
(
s3
+
m
^3
+
…
+
^7^3
)
^1
S
13
m
4^1^j4
5
14
(恥
5
—
5
+
m
(^5
+
m
(m
3
ls3
+
m4
l
3
+
…
+
7n
7
Z
3
jZ
2s
23
m
4^2^j4
5
24
(恥
5
—
5
+
m
(^5
+
m
(rn
3
l
s3
2
+
m
4
l
3
2
+
…
+
m
7
l
3
s
33
m
4^3^45
34
(恥
5
—
5
+
m
6^5
+
m
恥
4
‘
3'«4$43
^4^4^4«44
0
(恥
5
(
s5
+
m
f^5
+
恥
7,5
)
‘
3$53
0
(
m
5^5
2
+
m
6^5
2
+
m
7^5
2
)
$55
(皿
6
—
6
+
m
7^6
)
^3
5
63
0
(皿
6
‘
s6
+
m
7^)
h
S
65
771
7
Z
3Z
j
7
S
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0
m
7
l
5
lt7s
7S
(肌
6
‘
s6
+
m
7^)^l
S
16
(肌
6
‘
s6
+
m
7^6
)
h
S
26
(皿
6
‘
s6
+
尬
7
‘
6
)
‘
3$36
m
7Z3
Z
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37
0
0
(肌
6
—
6
+
m
7^6
)
h
S
56
/7l
7^5^7
S
57
(^6^6
2
+
m
7^6
2
)
S
66
/n
7^6^7
S
67
眄
S?6
m7
l
sl
2
s
17
_
式中:
771-
一各段质量
；
l
si
一各体段质心距餃点距离
；
li
一各段长度
；
q
~
cos@)
;c-
：
―
cos@-0
)
遇一
sin
(
0
厂
£);
一重力加速度
，
取
值为
9.8m/s2
；
甌一关节处的肌肉力矩
JTW
的转动惯量
。
4
动力学仿真
4.1
确定参数
根据文献问确定各体段的转动惯量
。
采用标准人体身高为
1700mm,
体重为
65kg
o
人体下肢及躯干七杆模型主要考虑踝关
节
、
膝关节
、
髓关节在矢状面内旋转,人体各关节在矢状面内范围
参考文献⑴
。
4.2
建模及仿真
凸轮连杆机构原理
，
如图
3(a)
所示
。
高副低代图
，
如图
3(b)
所示
。
图
3(a)
中
A
、
C
为较点
，
滚子在杆
3
上
D
点
，
杆
1
一端带有圆
弧槽
，
圆弧圆心在
B
点
。
杆
1
相对于
A
点顺时针旋转
,
杆
3
在机构
作用下逆时针旋转
。
(a)
原理图
(
b)
高副低代图
图
3
凸轮机构原理图及高副低代图
Fig.3
Schematic
Diagram
of
the
Cam
Mechanism
and
the
High-Level
and
Low-Pass
Diagram
在三维软件
SolidWorks
里建立人机模型
，
在综合对比了几
种常见材料之后
，
考虑到轻便性外骨骼材料最终选择密度小刚度
大的铝合金
2024,
几种材料属性
,如表
］
所示
o
表
［材料属性对比
Tab.1
Comparison
of
Material
Properties
名称
拉伸强度
(MPa)
屈服强度
(MPa)
合金钢
470
〜
630
>325
碳纤维
>3500
较小
高强钛合金
1100-1400
880-1120
2024
铝合金
472
325
首先验证三维模型静止站立时
，
固定脚,加载最大负重
50kg
(
由四杆机构杆长及传力特性知
，
躯干此时受力约为
20%
的
Body
W
eight
后简称
B
W
),
观察模型最大应力和位移云图
，
如图
4
所示
。
应力云图结果显示最大应力值
170MPa,
小于许用应力
，
满足强度
使用要求
,
应力集中位置主要在零件形状突变出和位置转折点
处
。
将零件截面突变处加倒角和圆角,优化零件形状
，
使其受力
均匀
，
避免出现应力集中现象
。
图
4(a)
显示最大位移在靠背板顶
端
,
值为
4.9mm
,
髓关节所在点位移约为
2mm,
由下式得出髓关节
相对脚底向后旋转角度
0
为
0.13°
,
占最大负重时躯干倾斜的
2.5%,
对系统重心移动产生的影响较小
。
(
h.
图
4
应力及位移云图
Fig.4
Stress
and
Displacement
Clouds
然后将
Solid
Works
建立的模型导入
Adams
中
,
把各体段质
量
、
质心、
转动惯量等参数按照文献凹导入到体段的相应位置
。
最后添加各体段驱动函数
，
驱动系统进行仿真运算
,
Adams
中虚
拟样机模型
，
如图
5
所示
。
No.6
June.2021
机械设计与制造
303
图
5
Adams
中虚拟样机
Fig.5
Virtual
Prototype
in
Adams
外骨骼负重不同于传统背包负重,为了方便计算
，
将靠背板
所受的力
P
全部加在人体背部
，
由四杆机构特性可知负重与靠背
板受力关系满足下式
，
参数如图
3(b)
所示
。
8xFxZ
心血仏)
p
=
-----------
3
x
/3
x
⑸
sin
(
0j
式中
：
F
—
负载重力
；
Zj
—
AB
长
；
1
3
—CD
长；
仇一
AB
与
BD
夹角
(rad);0
—
BD
与
DC
夹角
。
新机构是否有效
，
采用对比的方法对设计的机构进行仿真
验证
。
将人体背部受到力的大小表示成占
BW
百分比形式
，
依次
为
5%
、
10%
、
15%
和
20%BW,
对应负重依次为
23.5kg
、
35.5kg
、
44.8kg
和
52kg
。
对于未加机构的下肢外骨骼根据文献旳所述
，
其
可以帮助人体承担大约
95%
的负重
,
由于人体承担的负重较小
,
导致人体与外骨骼之间人机交互性差
，不利于行走
，
将来自负重
20%
的作用力作用在人体背部
，
增强人机交互性
，
同时假设背负
52kg
的重物时
,20%
由人体承受,占标准人体体重的
16%,
符合文
献皿得出负重
(15~20)%BW
是人体行走的适宜范围
。
4.3
仿真结果
第一种情况,系统未加髓背机构
。
外加负重经由外骨骼髓
背机构分别施加
5%BW
、
10%BW
、
15%BW
和
20%BW
的作用力在
人体背部
,
由文献弑验知躯干前倾角度依次为
0.5
。
、
0.95
。
、
1.4
。
、
2
。
与
5.3
。
,
与初始位置
(0.5
。
)
进行对比
,
验证整个系统的重心在矢
状面内变化情况
，
如图
6
所示虚线
。
图
6(a)
中
N_Load_5%BW
表
示负重
5%BW
未装有髓背机构
,
(b)
、
(c)
、
(d)
与此相同
。
第二种
情况:系统中构装有髓背机
，
所加负重作用在靠背板的力分别为
5%BW
、
10%BW
、
15%BW
和
20%BW
,
再与初始位置
(0.5
。
)进行对
比
，
验证系统重心在矢状面内前后方向上移动情况
，
如图
6
所示
实线
。
图
6.a)
中
Y_Load_5%BW
表示负重
5%BW
且装有髓背机
构
,
(b)
、
(c)
、
(d)
与此相同
。
其中质心计算公式如下式
，
将矢状面
与冠状面交线定义为参考线
。
式中:
％
—各体段质量;“
V
部分质心投影在矢状面内到参考线
的距离(前为正,后为负
)
;M
—
系统质量;
r
—
系统质心在矢
状面内相对于参考线的距离
。
仿真结果参考坐标原点为矢状面、
冠状面和水平面三面交
点,将冠状面定于人体模型背部与外骨骼接触所在面
，
考虑到髓
关节作为人体上下分界点
，
将水平面定义在人体髓关节偏上处,
重心在水平面上数值为零
，
便于计算
。
由图
6(a)
、
(b)
、
(c)
、
(d)
中虚线可知
，
未加机构时负重依次增
加时,初始时系统重心在矢状面内相对参考线距离为
124mm,
负重
后系统重心在冠状面内位移变化值相对于初始位置减小量(向后
移动,下同)依次为
59mm
、
79mm
、
90mm
、
96mm,
随着负重增大
，
系
统重心逐渐向身体后侧移动
。
由图
6(a)
、
⑹
、
(c)
、
(d)
中实线可
知
,加了机构之后负重依次增加时,重心位移变化相对于初始位
置移动量依次为
54mm
、
72mm
、
82mm
、
88mm
。
变化量占参考距离
的百分比依次为
43.5%
、
58.1%
、
66.1%
和
70.9%,
可以看出百分比
相较于之前有所减小
，
同比减小百分比依次为
8.6%
、
8.8%
、
9%
和
8.4%,
可见新机构可以使得系统重心有所前移,比例在
9%
左右。
图
6
系统重心在矢状面内前后位移变化量
Fig.6
The
Amount
of
Displacement
of
the
Center
of
Gravity
of
the
System
in
the
Sagittal
Plane
当系统没有加髓背机构时
,
负重随着人体躯干绕髓关节转
动
。
由图
3.a
知杆
1
与杆
3
相对
A
点作反向转动
，
结合图
5
可知负
载加在杆
1
上
，
由于机构作用,负重与人体躯干作反向运动
，
相对
于负重初始位置相比机构使得负重重心向下
，
进而使得系统整体
重心相对降低
，
有利于系统稳定
。
不同负重比例时系统重心在竖
直方向上相对于未加髓背机构时系统重心均有所下降
，且负重比
例越大时系统重心降低差值越大，
如图
7
所示
。
这是因为当负重
越大时躯干前倾角度变大
，
负重相对于初始位置绕髏关节旋转角
度越大
，
负重端小角度转动与靠背端大角度转动导致负重增加而
图
7
系统重心在竖直方向上变化量
Fig.7
Variation
of
the
Center
of
Gravity
of
the
System
in
the
Vertical
Direction
由图
7
可知,当负重较小时
，
重心上下位移变化曲线在形状
上接近正弦函数
，
但在一个周期内规律性较差,随着负重增加
，
重
心变化曲线越接近正弦函数
。在一个步态周期内随着左右下肢
交替摆动,理想状态下曲线前后两段是一样的
，
忽略身体左右摆
动带来的影响
，曲线趋于规律性
，
利于行走稳定性
。
304
机械设计与制造
ment
of
Science,2010
(
Zl)
:
54-54.)
No.6
June.2021
5
结论
(1)
采用
Kane
方法建立人体七杆模型,将行走过程中不可缺
少的足考虑进去更加符合人体实际行走情况
，
相比
Newton
定律
、
[6]
Zoss
A
B,
Kazerooni
H,
Chu
A.
Biomechanical
design
of
the
Berkeley
lower
extremity
exoskeleton
(BLEE
X)
[J].leee-Asme
Transactions
on
Mechatronics
2006,11(2
)
:
128-138.
Euler
方程和
Lagrange
方程
,
Kane
方法不需求动能和势能
,
更适宜
用计算机完成求解
，
减小计算量
，
提高工作效率
。
(
2
)
采用新机构作为人体与外骨骼在髓关节处的联结机构
，
[7]
夏旭峰，
葛文杰.仿生机器人运动稳定性的研究进展
[J].
机床与液压,
2007,35(2):229-234.
(Xia
Xu-feng,
Ge
Wen-jie.
Research
progress
on
motion
stability
of
bi
onic
robot[
J
]
.Machine
tools
and
hydraulics
,2007,35(2)
：
229-234.)
使得原本负重与人体躯干一起转动(绕髓关节)的方式变为反向
转动
。
结果表明机构在负重之后,系统重心向后移动趋势减小，
[8]
Griffin
T
M
,
Roberts
T
J,Kram
lic
cost
of
generating
muscular
force
in
human
walking
：
insights
from
load-carrying
and
speed
experi
ments
[j].
Journal
of
Applied
Physiology
,2003,95(1)
：
172-183.
相较于前者
，
现在的系统重心与初始系统稳定点更加接近
，
有利
于系统稳定性
。
(
3
)
采用新机构时
,
负重与人体上肢及躯干作反向转动
,
系
⑼
TRKane,
杨海兴.建立动力学方程的新方法
[j].
力学进展
,1983,13
(2):143-148.
统重心有所降低且随着负重增大,下降变化量就越大
。
参考文献
[1]
Chu
A,
Kazerooni
H
,
Zoss
the
Biomimetic
Design
of
the
Berkeley
(
Hai-xing.A
New
method
for
establishing
Kinetic
equa
tions
[
J
]
.Progress
in
Mechanics,
1983,13(2)
：
143-148.)
Lower
Extremity
Exoskeleton
(BLEEX)
[C]//IEEE
International
Confer
[10]
全国人类工效学标准化技术委员会
.
成年人人体惯性参数:
GB/T
172412004[S]
北京
冲国标准出版社
,2004.
ence
on
Robotics
and
,2006
:
4345-4352.
[2]
Kazerooni
,
augmentation
and
exoskeleton
systems in berkeley
(National
Technical
Committee
for
Standardization
of
ergonomics.
GB/
T
17245-2004[S]Beijing
:
China
Standard
Press,
2004.)
[j].International
Journal
of
Humanoid
Robotics
,2007,4(3
)
：
575-605.
[11]
阿尔文
・
R
・
蒂利.人体工程学图解
[M].
朱涛
，
译.北京冲国建筑工
[3]
Kawamoto
H,
Lee
S,
Kanbe
assist
method
for
HAL-3
using
业出版社
.199
&
29-30.
(
Engineering
Diagram[M].
Zhu
g
：
Chi
EMG-based
feedback
controller
[C]//Systems,
Man
and
Cybernetics,
International
Conference
on.
IEEE,
2003.
na
Construction
Industry
Press
,
1998:29-30.)
[12]
赵美雅
，
倪义坤
，
田山.行走过程中不同背包负重方式对人体生理参
[4]
Cappellini
G,
Ivanenko
Y
P,Poppele
patterns
in
human
walk
ing
and
running[
J
]
.Journal
of
Neurophysiology
,2006,95(6)
：
3426-3437.
[5]
马寿春.俄罗斯:未来士兵的
“
钢铁战甲
”
[J].
科学启蒙
，
2010
(
zl)
：
54
-
数的影响
[J].
医用生物力学
,2015,30(1):8-13.
(Zhao
Mei-ya,
Ni
Yi-kun,Tian
s
of
difierent
ways
of
carry
ing
weight on
physiological
parameters
of
human
body
during
walking
54.
(Ma
：
steel
armor
of
future
soldiers
[
J
].
The
Enlighten
[
J
].
Medical
biomechanics
,2015,30(1):
8-13.)
(上接第
299
页)
(Zhang
Tie
,
Lin
Kang-yu
,
Zhou
Yan
—
input
shaper
with
control
nal
residual
vibration
of
a
3
—
DOF
parallel
robot
with
limbs
of
embed
of
error
optimization
for
endefiector
residual
vibration
suppression
of
in
dustrial
robots
[j].
Journal
of
Xi'
an
Jiaotong
University,
2018(4
)
:
90-
ding
structures
[
j]
.
China
Mechanical Engineering
,2016,27(12
)
:
1648-
1655.)
[7]
杭强,黄连生.六自由度工业机器人振动测量与分析
[J].
中国计量
，
2018(8):89-90.
97.)
[3
]
李成祥
,
杨志军，蔡铁根
.
基于
ADAMS
仿真优化的搬运机器人运动规
划
[J].
机械传动
,2016(9):28-31.
(Li
Cheng-xiang,
Yang
Zhi-jun
,
Cai
Tie
—
gen.
Motion
planning
for
the
(Hang
Qiang,
Huang
Lian-sheng.
Vibration
measurement
and
analysis
of
six-dof
industrial
robot[j
]
.China
Metrology
,2018(8)
：
89-90.)
tranfer
robot
based
on
ADAMS
simulation
optimization
[j].
Journal
of
⑻梁捷
，
陈力，
梁频.柔性空间机器人基于关节柔性补偿控制器与虚拟力
概念的模糊全局滑模控制及振动主动抑制
[J].
振动与冲击
,
2016,35
(18):62-70.
(Liang
Jie,
Chen
Li
,
Liang
Pin.
Adaptive
fuzzy
global
sliding
mode
con
Mechanical
Transmission,
2016(9
)
：
28-31.)
[4] Pemer
M
,
Krombholz
C
,
Bock
M.
Clarifying
Vibrational
Issues
of
an
Ad
vanced
Pemer
M
,
Krombholz
C,
Bock
ying
Vibrational
Issues
of
an
Advanced
Automated
Fiber
Placement
Production
Plant
[C]//
Inter
national
Conference
on
Advanced
InteUigent
,2012.
trol
and
active
hierarchical
vibration
suppression
of
space
robot
with
flexible
—
link
and
flexible-joint
[j].
Journal
of
Vibration
and
Shock
,
2016,35(18):62-70.)
[5]
Krombholz
C
,
Pemer
M,
Bock
ing
The
Production
Quality
Of
The
Advanced
Automated
Fiber
Placement
Process
By
Means
Of
Online
⑼郭珂甫
，刘广瑞,王庆海.线性二次型在柔性机械臂抑振控制中的研究
[J].
机械设计与制造
,2018(7
)
：
256-259.
Path
Correction
[J],
2012.
[6]
柯辉
，
王晓慧,张建军.一种三自由度支链嵌套并联机器人末端残余振
(Guo
Ke-fii,
Liu
Guang-rui,
Wang
Qing-hai.
Research
on
linear
qua
动的主动抑制
[J]
冲国机械工程
,2016,27(12):1648
-
1655.
(Ke
Hui,
Wang
Xiao-hui
,
Zhang
suppression
for
termi
dratic
optimal
control
in
vibration
control
of
flexible
manipulator
[j].2018
(
7
)
：
256-259.)