仿蜘蛛機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真【含9張CAD圖紙+PDF圖】
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1緒論
1.1論文的研究目的和意義
在我國(guó)仿生機(jī)器人可以幫助完成各種人類(lèi)身體不能達(dá)到或是過(guò)于危險(xiǎn)的任務(wù)，例如深海采集資源和外太空探測(cè)，甚至是軍事行業(yè)的部分應(yīng)用。
隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、機(jī)械電子、信息、自動(dòng)化等技術(shù)的飛速發(fā)展，仿生機(jī)器人的研究進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。同時(shí)，太空資源，海洋資源，甚至部分陸地資源的開(kāi)發(fā)和利用為仿生機(jī)器人提供了廣闊的發(fā)展空間。
仿生機(jī)器人的制造和開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)不可阻擋的一股潮流，仿生機(jī)器人可以做到各種人類(lèi)做不到的事，例如深海中人類(lèi)很難出倉(cāng)行動(dòng)，這時(shí)便可以利用機(jī)器人做到人類(lèi)想做卻做不到的事。
隨著仿生機(jī)器人在工業(yè)軍事等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用以及不可替代性，機(jī)器人學(xué)已經(jīng)逐漸形成，并且獲得各行各業(yè)的人們關(guān)注和參與。機(jī)器人學(xué)是一個(gè)綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，它涉及控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、人工智能、傳動(dòng)技術(shù)、材料選用、力學(xué)等多種知識(shí)。
現(xiàn)在設(shè)計(jì)仿生移動(dòng)機(jī)器人，能夠?yàn)橐院筮M(jìn)入機(jī)器人設(shè)計(jì)行業(yè)大俠良好的基礎(chǔ)。
1.2研究背景
現(xiàn)代仿生機(jī)器人基本能按人的指令完成各種比較復(fù)雜的工作，如深海探測(cè)、作戰(zhàn)、偵察、搜集情報(bào)、搶險(xiǎn)、服務(wù)等工作，模擬完成人類(lèi)不能或不愿完成的任務(wù)，不僅能自主完成工作,而且能與人共同協(xié)作完成任務(wù)或在人的指導(dǎo)下完成任務(wù)，在不同領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。
在未來(lái)的軍事智能移動(dòng)機(jī)器人中，還會(huì)有智能戰(zhàn)斗機(jī)器人、智能偵察機(jī)器人、智能警戒機(jī)器人、智能工兵機(jī)器人、智能運(yùn)輸機(jī)器人等等，成為國(guó)防裝備中新的亮點(diǎn)[2]。
機(jī)器人設(shè)計(jì)有許多技術(shù)。這些關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面：；路徑規(guī)劃技術(shù)，最優(yōu)路徑規(guī)劃就是依據(jù)某個(gè)或某些優(yōu)化準(zhǔn)則，在機(jī)器人工作空間中找到一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)、可以避開(kāi)障礙物的最優(yōu)路徑；機(jī)器人視覺(jué)技術(shù)，機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的工作包括圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出和顯示,核心任務(wù)是特征提取、圖像分割和圖像辨識(shí)；智能控制技術(shù)，智能控制方法提高了機(jī)器人的速度及精度；人機(jī)接口技術(shù)，人機(jī)接口技術(shù)是研究如何使人方便自然地與計(jì)算機(jī)交流[3]。
1.3國(guó)內(nèi)外研究成果
歐洲各國(guó)在智能移動(dòng)機(jī)器人的研究和應(yīng)用方面在世界上處于公認(rèn)的領(lǐng)先地位[4]。中國(guó)起步較晚，而后進(jìn)入了大力發(fā)展的時(shí)期，以期以機(jī)器人為媒介物推動(dòng)整個(gè)制造業(yè)的改變，推動(dòng)整個(gè)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的壯大[5]。
1.3.1國(guó)外研究成果
1990年，美國(guó)卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)研制出用于外星探測(cè)的六足步行機(jī)器人AMBLER[6]。1993年，美國(guó)卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)開(kāi)發(fā)出有纜的八足步行機(jī)器人DANTE[7]。1996~2000年，美國(guó)羅克威爾公司在DARPA資助下，研制自主水下步行機(jī)ALUV[8]。
圖1 AMBLER 圖2DANTE-II
圖3ALUV步行機(jī)
1.3.2國(guó)內(nèi)研究成果
1991年，上海交通大學(xué)馬培蓀等研制出JTUWM系列四足步行機(jī)器人[9]。2000年，上海交通大學(xué)馬培蓀等對(duì)第一代形狀記憶合金SMA驅(qū)動(dòng)的微型六足機(jī)器人進(jìn)行改進(jìn)，開(kāi)發(fā)出具有全方位運(yùn)動(dòng)能力的微型雙三足步行機(jī)器人MDTWR[10]。2002年，上海交通大學(xué)的顏國(guó)正、徐小云等進(jìn)行微型六足仿生機(jī)器人的研究[11]。
圖4微型雙三足步行機(jī)器人MDTWR 圖5微型六足仿生機(jī)器人
2設(shè)計(jì)思路
2.1生物蜘蛛的生理結(jié)構(gòu)分析
生物蜘蛛，如圖所示，是對(duì)節(jié)肢動(dòng)物門(mén)(Arthropoda)蛛形綱(Arachnida)蜘蛛目(Araneida或Araneae)所有種的通稱(chēng)。
圖6 生物蜘蛛
仿生式蜘蛛機(jī)器人，顧名思義，我們借鑒自然界當(dāng)中昆蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)原理。
腳是昆蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)器官。昆蟲(chóng)有3步行,在胸部,胸部和胸部都有一雙,我們反過(guò)來(lái)叫前面的腳,腳和背部的腳。每只腳髖,旋轉(zhuǎn),股骨,脛骨,瞼板和前大數(shù)。髖是一天的基礎(chǔ),比短。旋轉(zhuǎn)是沒(méi)有活動(dòng)通常與腿部分緊密相連。腿部分最長(zhǎng)最厚部分。第四季度叫做脛骨,往往是又細(xì)又長(zhǎng),一排排的荊棘。第五節(jié)叫做大數(shù),一般由2 - 5節(jié)和部分:為了方便走路。小結(jié)束還有兩個(gè)堅(jiān)硬和鋒利的爪子,它可以用來(lái)把握對(duì)象。步行是一組三條腿,前后肢的一邊和另一邊的腳set.Thus托架結(jié)構(gòu),形成了一個(gè)三角形的三條腿在地上,往后推,另三條腿舉起來(lái)取代。前足后固定對(duì)象在它的爪子把昆蟲(chóng)的身體向前,足以支持和提高身體的一邊,腳后促進(jìn)蟲(chóng)體之前,同時(shí)使蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)。
這種運(yùn)動(dòng)方式使昆蟲(chóng)可以在什么時(shí)候停止都可以，由因?yàn)橹行倪z址是不變的。還有一部分昆蟲(chóng)不用全部的腿走路。他們的一些腿有了其他功能，產(chǎn)生了變化。行走就主要靠中和后足來(lái)完成。比如說(shuō)刀螂。兩只前腿不會(huì)用來(lái)走路。而是自己的武器、依靠剩下的四條腿運(yùn)動(dòng)
參考上面的昆蟲(chóng)腳結(jié)構(gòu),我想出了一個(gè)簡(jiǎn)單的方式來(lái)表達(dá)。一只腳兩個(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng),聯(lián)合使用控制型轉(zhuǎn)變，另一個(gè)聯(lián)合使用偏擺,讓腳可以提高,作為一種上下。
2.2仿生蜘蛛機(jī)器人的研究方法及思路
決定這次研究的仿生蜘蛛機(jī)器人為六條腿的結(jié)構(gòu)，要想完成設(shè)計(jì)首先得完成機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。之后才可以進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、自由度、驅(qū)動(dòng)方式，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，都會(huì)影響機(jī)器人的性能。而且，仿設(shè)計(jì)出來(lái)的機(jī)器人機(jī)構(gòu)不僅得滿足技術(shù)條件。而且得滿足經(jīng)濟(jì)條件。必須在滿足機(jī)器人的預(yù)期技術(shù)指標(biāo)的條件下，考慮用合理用材、便捷制造安裝、價(jià)格低廉和可靠性高等問(wèn)題。
仿生蜘蛛機(jī)器人機(jī)制包括身體和腿兩部分、,首先得決定腿的數(shù)量。以及其他數(shù)據(jù)。現(xiàn)有計(jì)算多組機(jī)器人包括三、四、六尺、八尺以上,腳的數(shù)量大,重載和慢鏡頭,和青年的數(shù)量似乎更靈活的運(yùn)動(dòng)。數(shù)選擇的因素主要包括:穩(wěn)定、節(jié)能、冗余、聯(lián)合控制性能的要求,生產(chǎn)成本,質(zhì)量,復(fù)雜的傳感器和可能的步態(tài),等等,腿配置指的是腳的行走機(jī)器人相對(duì)于身體的位置和姿態(tài)的安排,確定分布形式,還需要考慮一些細(xì)節(jié),比如腿在主平面幾何配置和相對(duì)彎曲腿的方向桿,等等。此次設(shè)計(jì)腿的分布如圖1所示。
圖 7仿生蜘蛛機(jī)器人腿的分布示意圖
綜合足的數(shù)量等因素，此次設(shè)計(jì)的行走步態(tài)決定用三角步態(tài)，這也是六足機(jī)器人步行方式通常采用的。三角步態(tài)中，六足機(jī)器人身體的一側(cè)的前足和后足與另一側(cè)的中足共同組成一組。其他三條足組成另外一組。
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3整體設(shè)計(jì)方案
3.1工作原理分析
六足步行機(jī)器人的步態(tài)是多樣的，其中三角步態(tài)是仿生蜘蛛機(jī)器人實(shí)現(xiàn)步行的典型步態(tài)。以下主要分析三角步態(tài)原理。
3.1.1三角步態(tài)原理分析
六條腿的昆蟲(chóng)行走時(shí)，一般不是六足同時(shí)直線前進(jìn)，是把三對(duì)足分成兩組，以三角形支架結(jié)構(gòu)，互相交替前行。目前，大部分仿生蜘蛛機(jī)器人采用了仿昆蟲(chóng)的結(jié)構(gòu)，六條腿分布在身體的兩側(cè)，身體左面的前、后足及右面的中足為一組，右面的前、后足和左面的中足為另一組，分別組成兩個(gè)三角形支架，靠大腿前后劃動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)支撐以及擺動(dòng)過(guò)程，這就是最典型的三角步態(tài)行走方式。但是因?yàn)樯眢w重心比較低，容易穩(wěn)定，所以這種行走方案可以得到廣泛運(yùn)用
3.1.2機(jī)器人走動(dòng)步態(tài)分析
項(xiàng)目設(shè)計(jì)總共用18個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)步態(tài)。每條腿三個(gè)舵機(jī)，分別控制跟關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)以及踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)舵機(jī)安裝呈正交，構(gòu)成垂直以及水平方向的自由度。因?yàn)橥染哂兴胶痛怪逼矫娴倪\(yùn)動(dòng)自由度，所以需要考慮利用三角步態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)直線行走。分別給18個(gè)舵機(jī)編號(hào)（1-18），如下圖所示。
3.2機(jī)器人機(jī)構(gòu)總體設(shè)計(jì)
六條腿的機(jī)器人六條腿走路運(yùn)動(dòng)過(guò)程中分為兩組,昆蟲(chóng)的身體一側(cè)的前足和后腿在另一邊的腳作為一組,剩下的三條腿和一群。在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,會(huì)有一組腿,一組腳,三個(gè)降落腿不僅使昆蟲(chóng)的身體穩(wěn)定,擺動(dòng)和驅(qū)動(dòng)力,昆蟲(chóng)身體能完成直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)使用三角步態(tài)六英尺六條腿的機(jī)器人分為兩組,1、3、5條腿作為一個(gè)群體,2,4,6為另一組腿。六條腿的機(jī)器人通過(guò)控制兩腿交替提高擺動(dòng),實(shí)現(xiàn)步行運(yùn)動(dòng)。從身體的角度提升每條腿是開(kāi)鏈結(jié)構(gòu),等效串聯(lián)的手臂,同時(shí)在三條腿或六條腿和身體成分較為封閉鏈自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。步行機(jī)器人行走在正常情況下,胎停止支持腿與地面接觸有摩擦,可以簡(jiǎn)化為點(diǎn)接觸,相當(dāng)于3自由度球面副的機(jī)制,加上與關(guān)節(jié),膝蓋和腳踝(對(duì)于單自由度,每個(gè)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)),每條腿有6對(duì)單自由度運(yùn)動(dòng)。假設(shè)任何時(shí)候步行機(jī)器人的腿支撐階段數(shù)n,然后用n模型空間多環(huán)并聯(lián)機(jī)構(gòu)分支機(jī)構(gòu),它的自由度可以計(jì)算下一個(gè)類(lèi)型:
（1）
式中：p----運(yùn)動(dòng)副數(shù)，p=4n；
----第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副具有的自由度數(shù)，=1（i=1~3n）,=3(i=3n+1~4n)，
L----獨(dú)立封閉環(huán)數(shù)，L=n-1；
----第i個(gè)獨(dú)立封閉環(huán)所具有的封閉約束條件數(shù)，=6；
----消極自由度數(shù)，=0；
和----分別為局部自由度數(shù)和重復(fù)約束數(shù)，。
將以上參數(shù)代入式（1），可得：
F=3n+3n-(n-1)6=6
由此可得到，不管步行機(jī)器人的幾條腿處于支撐相，不論是三足支撐還是六足支撐，整個(gè)機(jī)構(gòu)都是具有六個(gè)自由度的空間多環(huán)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，只是有時(shí)為三分支并聯(lián)機(jī)構(gòu)，有時(shí)為六分支并聯(lián)機(jī)構(gòu)。六足步行機(jī)是這樣行走，從機(jī)構(gòu)學(xué)角度看就是三分支并聯(lián)機(jī)構(gòu)，六分支并聯(lián)機(jī)構(gòu)和串聯(lián)開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)兩者之間不斷變的復(fù)合型機(jī)構(gòu)。同時(shí)，上面的式子也說(shuō)明，不管該步行機(jī)器人的步態(tài)和地面狀況怎樣，軀干在一定范圍內(nèi)都可靈活的到達(dá)任意位置，而且呈現(xiàn)要求的姿態(tài)。
仿生蜘蛛機(jī)器人腿分布示意圖如圖3所示。
圖8仿生蜘蛛機(jī)器人腿分布示意圖
仿生機(jī)器人蜘蛛六腿機(jī)身的盤(pán)上均勻分布,根據(jù)設(shè)計(jì)要求:一條腿有三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng),因此每條腿組裝三個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。電機(jī)裝配位置腿和關(guān)節(jié),膝蓋和腳踝。機(jī)身連接到主板的基礎(chǔ)部分,關(guān)節(jié),膝蓋和腳踝,每個(gè)都有相應(yīng)的自由度,以確保正常的運(yùn)動(dòng)。脛骨關(guān)節(jié)連接,以保證良好的能動(dòng)性,六條腿的機(jī)器人腳后通常使用昆蟲(chóng)腳設(shè)計(jì)的一部分,好的,優(yōu)越的實(shí)用性和良好的靈活性。腿交替來(lái)支持身體的質(zhì)量在行走的過(guò)程中,和推動(dòng)身體向前移動(dòng)在負(fù)重條件,因此必須適應(yīng)整個(gè)剛度和承載力的質(zhì)量。項(xiàng)目設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器人蜘蛛,三個(gè)自由度的腿在一個(gè)類(lèi)似的機(jī)構(gòu),包括膝蓋和腳踝是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)和錐齒輪,為了使用簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)來(lái)獲得更大的工作空間和靈活性。電機(jī)通過(guò)控制相應(yīng)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)使機(jī)器人具有多個(gè)自由度,可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人走在任何時(shí)候自由的領(lǐng)域。在結(jié)構(gòu)上,以確保它可以更有效地模擬昆蟲(chóng)走路的方式來(lái)完成相對(duì)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)器人仿生蜘蛛等效生物肌肉的作用,改變它,把腿關(guān)節(jié)機(jī)器人的姿態(tài)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須擁有足夠的功率對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行加、減速并帶動(dòng)負(fù)載，而且自身必須輕便、經(jīng)濟(jì)、精準(zhǔn)、靈敏、可靠且便于維護(hù)六足機(jī)器人的腿生物結(jié)構(gòu)示意圖4所示。
圖9仿生蜘蛛機(jī)器人腿的生物結(jié)構(gòu)示意圖
圖10舵機(jī)安裝示意圖
（1）行走步態(tài)分析
由13，14，15，1，2，3，7，8，9，號(hào)舵機(jī)所控制的E,C,,A腿所處的狀態(tài)一直保持一致；同樣，4、5、6、10、11、12、16、17、18號(hào)所控制的B、D、F腿的狀態(tài)也保持一致。當(dāng)一個(gè)三角形內(nèi)的三條腿支撐時(shí)，另三條腿正在擺動(dòng)。支撐的三條腿使身體前進(jìn)，擺動(dòng)的腿對(duì)身體沒(méi)有力以及位移作用，只使小腿向前運(yùn)動(dòng)，做好接下來(lái)支撐的準(zhǔn)備。步態(tài)函數(shù)，的占空系數(shù)為0.5，支撐相還有擺動(dòng)相經(jīng)過(guò)調(diào)整，滿足平坦地形時(shí)行走步態(tài)要求以及穩(wěn)定裕量要求[7]。
（2）轉(zhuǎn)彎步態(tài)分析
項(xiàng)目設(shè)計(jì)的機(jī)器人使用原位將與一只腳為中心轉(zhuǎn)動(dòng),右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程如下：首先E,C,A,號(hào)腿先抬起，然后C,A號(hào)腿向前擺動(dòng)，E腿保持不動(dòng)。此時(shí)B、D、F腿支撐。然后A、C、E腿落地支撐，同時(shí)B、D、F腿抬起保持不動(dòng)。最后A、C腿向后擺動(dòng)。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中B、D、E、F不做前后運(yùn)動(dòng)，只是上下運(yùn)動(dòng)。
3.3電機(jī)的選擇
選擇電機(jī)時(shí)需要考慮機(jī)器人地質(zhì)量以及最大扭矩。必須要有機(jī)器人的腿的質(zhì)量以及尺寸，通過(guò)查閱然后預(yù)算可以得出：上腿（股節(jié)）有效長(zhǎng)度是 34mm，中腿（脛節(jié)）的有效長(zhǎng)度是34mm,下腿（足）的有效長(zhǎng)度是 90mm。上腿質(zhì)量為 190 克，中腿為140克，下腿為 150 克。然后對(duì)腿部做受力分析，做出受力簡(jiǎn)圖5如下
圖11 仿生蜘蛛機(jī)器人腿的受力簡(jiǎn)圖
仿生蜘蛛機(jī)器人以地面做 xoy平面，仿生蜘蛛機(jī)器人地重心在 xoy平面上的投影為坐標(biāo)原點(diǎn)O，z軸和機(jī)身垂直。
仿生蜘蛛機(jī)器人每條腿都會(huì)有3個(gè)自由度，每條腿都是由上腿和中腿以及下腿通過(guò)舵機(jī)連接形成。在本次設(shè)計(jì)中，上腿的長(zhǎng)度是34mm，中腿地長(zhǎng)度是34mm，下腿地長(zhǎng)度為90mm。機(jī)體和上腿由A號(hào)舵機(jī)連接，上腿和中腿是B號(hào)舵機(jī)連接，中腿和下腿用C舵機(jī)連接。腿著地的時(shí)候，上腿和中腿間的夾角為135°，中腿與下腿間的夾角為135°，抬腿的時(shí)候，B舵機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)30°。在仿生蜘蛛機(jī)器人行走的過(guò)程中，要避免腿與腿會(huì)碰到，所以腿擺動(dòng)的時(shí)候需要選擇合適的角度，在本設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)控制的時(shí)候選擇的擺動(dòng)角度為30°。
針對(duì)仿生蜘蛛機(jī)器人支撐腿的受力狀況，其虛位移平衡方程的分析如下：
首先用表示質(zhì)點(diǎn)系的廣義坐標(biāo)，即有
（2）
，，，，，，，，，則仿生仿生蜘蛛機(jī)器人步行足的廣義平衡方程為：
（3）
（4）
其中 M2、M3為膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)所需扭矩，l2、l3、 m2、 m3為脛節(jié)、足的長(zhǎng)度和質(zhì)量。
假設(shè)仿生蜘蛛機(jī)器人要按“三角步態(tài)”來(lái)行走，支撐相的三足均勻承受負(fù)荷，可以得到足的反力為：
（5）
仿生蜘蛛機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中，存在 的情況。據(jù)此，可推算出各關(guān)節(jié)所需的扭矩為：
（6）
（7）
當(dāng)q2=90°，q2-q3=30°時(shí)，由公式得，關(guān)節(jié)需輸出扭矩最大值為：
（8）
（9）
計(jì)算得出，電機(jī)的最大輸出扭矩要大于1.58 Nm。
根據(jù)得到的數(shù)據(jù)；來(lái)選用的伺服馬達(dá)是TowPro的，型號(hào)是 SG303。主要技術(shù)參數(shù)如下：
轉(zhuǎn)速：0.23秒／30度。
力矩：1.8Nm。
尺寸：40.4mm×19.8mm×36mm。
重量：37.2g。
5V電源供電。
舵機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖6所示
圖12 舵機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
通過(guò)整體的設(shè)計(jì)確定了仿生蜘蛛機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)，通過(guò)電機(jī)的選擇而確定仿生蜘蛛機(jī)器人的質(zhì)量以及腿部的尺寸，為后面的零件設(shè)計(jì)做了充分準(zhǔn)備。
3.4舵機(jī)驅(qū)動(dòng)原理
仿生蜘蛛機(jī)器人采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器采用微型直流角位移伺服電動(dòng)機(jī)（舵機(jī)）
3.4.1舵機(jī)原理
舵機(jī)是一種擁有的簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)的、集成化的直流的的伺服系統(tǒng)，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由直流電的機(jī)和減速齒輪和電位計(jì)和的制電路組成?？刂菩诺奶?hào)線提的的供一定脈寬地脈沖時(shí)，輸出軸保持在相應(yīng)的角度。如果舵機(jī)初始角度狀態(tài)在0°位置，那電機(jī)只能朝著一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。舵機(jī)所采用地驅(qū)動(dòng)信號(hào)為脈沖比例調(diào)制信號(hào)（PWM），就是在的通常為20ms的周的期之內(nèi)，輸入（0.5-2.5ms）變化的脈沖寬度，所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角范圍由0°變化到18的0°，脈沖寬度和轉(zhuǎn)角為線性關(guān)系。所以在初始化時(shí)，應(yīng)該把的所有電機(jī)的位置定在90°位置。機(jī)器人和關(guān)節(jié)連接的的舵機(jī)的轉(zhuǎn)軸是水平轉(zhuǎn)動(dòng)，控制腿部的前進(jìn)和后退。
4零件的設(shè)計(jì)
4.1軀干的設(shè)計(jì)
為了便于加工以及控制器等設(shè)備的安裝，多足步行機(jī)器人的機(jī)體常采用箱型剛體結(jié)構(gòu)。
對(duì)機(jī)體為長(zhǎng)方形和菱形的兩種步行機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析(如圖）后發(fā)現(xiàn)，近似菱形的機(jī)器人結(jié)構(gòu)本體具有以下三方面明顯優(yōu)勢(shì):一、可以減少各個(gè)腿部之間的相互干涉碰撞;二、提高了機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;三、增大了機(jī)器人腿部的轉(zhuǎn)動(dòng)空間。綜合以上優(yōu)點(diǎn)，仿蜘蛛機(jī)器人采用近似橢圓形的框架結(jié)構(gòu)，為了降低機(jī)器人質(zhì)量，使用高強(qiáng)度的鋁合金材料。軀體上預(yù)留設(shè)備安裝孔，便于安裝控制器、傳感器、電池等及走線。同時(shí)，兼顧六條腿的根部與機(jī)體相連整體布局與安裝定位。
在本設(shè)計(jì)過(guò)程中，我選用長(zhǎng)方形軀干本體。
4.2基節(jié)設(shè)計(jì)
基節(jié)是機(jī)器人的腿的安裝位置,應(yīng)考慮舵機(jī)的安裝。這兩個(gè)表的部分是用來(lái)構(gòu)成一個(gè)基本部分。節(jié)片分為上層節(jié)片和基地。圖10為上基節(jié)片
圖13 基節(jié)片
做髖生長(zhǎng)板的安裝位置腿向前伸,使腿部空間增加,可以避免兩條腿受傷,它的長(zhǎng)度是65毫米,前面是25毫米寬度后端基礎(chǔ)32 mm.Consists兩個(gè)街區(qū),基地節(jié)片上中心鉆一個(gè)直徑4毫米的洞,留給轉(zhuǎn)向齒輪軸。在圓的中心為中心的圓半徑7.5毫米統(tǒng)一四內(nèi)螺紋孔直徑是3毫米。通過(guò)與固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的圓片連接，當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，舵機(jī)的機(jī)身就會(huì)帶動(dòng)與它緊固的部分轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)位置可稱(chēng)為仿生蜘蛛機(jī)器人的跟關(guān)節(jié)。
下基本節(jié)片舵機(jī)與聯(lián)合平臺(tái),放置在前面的中心半圓的半徑10毫米晶片,晶片的中心舵機(jī)與聯(lián)合洞洞的相同位置的電影由一個(gè)圓柱銷(xiāo)的位置。圖11為下基節(jié)片
圖14 下基節(jié)片
下基節(jié)片和上基節(jié)片在其結(jié)構(gòu)上只有一個(gè)直徑是4mm的通孔的區(qū)別，其基本尺與上基節(jié)片一樣，厚度都為 3mm。
4.3關(guān)節(jié)蓋的設(shè)計(jì)
聯(lián)合覆蓋函數(shù)是用來(lái)連接關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)。剪輯與關(guān)節(jié)舵機(jī)在后面,前面的膝關(guān)節(jié)操舵裝置,由于對(duì)兩個(gè)舵機(jī)負(fù)載這部分,考慮到穩(wěn)定性,所以長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)。（圖12即關(guān)節(jié)蓋）
圖15 關(guān)節(jié)蓋
前端處理長(zhǎng)42毫米寬21毫米方孔,方孔用于修復(fù)膝關(guān)節(jié)操舵裝置由聯(lián)合封面圖還需要兩個(gè),后面操舵裝置的聯(lián)合,通過(guò)兩個(gè)螺絲。多在洞前略大于操舵裝置的大小與位置和大小,舵機(jī)方孔,之前和之后的每一個(gè),兩個(gè)聯(lián)合覆蓋20毫米。操舵裝置本身的固定部分。所以成四個(gè)M4螺釘,通過(guò)兩個(gè)洞,和關(guān)節(jié)封面是固定的。
聯(lián)合覆蓋的基本尺寸85毫米長(zhǎng),60毫米,厚度3毫米寬。后面是40毫米寬。綜合兩個(gè)舵機(jī)安裝位置,膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)向齒輪軸和聯(lián)合轉(zhuǎn)向齒輪軸的距離是30 mm.The 30 mm的線段的長(zhǎng)度,因?yàn)橥鹊拈L(zhǎng)度30 mm的結(jié)束似乎太短。考慮到短段可以避免兩條腿之間的碰撞,使每條腿可以鍛煉在一個(gè)安全的區(qū)域。便于操控與行走，確保了機(jī)構(gòu)的可行性。
4.4脛節(jié)片的設(shè)計(jì)
脛骨連接部分的膝蓋和腳踝的腿。Shin節(jié)片直接與兩個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸。從頂部的腿,上部的柄節(jié)片和連接到膝關(guān)節(jié)的操舵裝置,當(dāng)膝關(guān)節(jié)操舵裝置,驅(qū)動(dòng)脛骨運(yùn)動(dòng)。在脛骨底部連接到腳踝和腳,可以促進(jìn)腳,腳。從下往上,當(dāng)腳腳踝舵機(jī)旋轉(zhuǎn),地面接觸由于腳與地面接觸部分相當(dāng)?shù)哪_是固定的,踝關(guān)節(jié)脛骨上轉(zhuǎn)向扭矩傳遞節(jié)片上升。傳遞上去的扭矩使仿生蜘蛛機(jī)器人的軀體運(yùn)動(dòng)。
在脛節(jié)兩個(gè)脛節(jié)片當(dāng)中有一片需和兩個(gè)關(guān)節(jié)的舵機(jī)相連。所以有了傳動(dòng)脛節(jié)片的設(shè)計(jì)。傳動(dòng)的脛節(jié)片地結(jié)構(gòu)圖如圖13所示
圖16 傳動(dòng)脛節(jié)片
傳動(dòng)脛節(jié)片的尺寸為長(zhǎng) 75mm、寬 22mm、厚 3mm。在兩端的半圓的圓心位置加工直徑為 4mm的通孔用于與舵機(jī)相連接。在中間中心線兩邊分布有兩個(gè)直徑 2.2的通孔，加裝兩個(gè)連接桿用于兩塊脛節(jié)片的連接。連接桿的長(zhǎng)度為 45mm。
圖17 脛節(jié)片
和傳動(dòng)脛節(jié)片相對(duì)應(yīng)地另一塊脛節(jié)片采用加強(qiáng)膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的連結(jié)，結(jié)構(gòu)為圖14所示
兩塊脛節(jié)片平行裝配連接，通過(guò)中間的兩根連接桿用螺釘緊固。從而組成中腿。
4.5足的設(shè)計(jì)
腳是機(jī)器人直接接觸地面的一部分，有裝在踝關(guān)節(jié)上的舵機(jī)來(lái)控制運(yùn)動(dòng)。為了可以減小與地面的摩擦，足前端做成了尖的圓頭狀。如圖15所示
圖18 足
足的后半部分做寬是想要能夠?qū)⒍鏅C(jī)裝進(jìn)來(lái)。由計(jì)算所得足的長(zhǎng)度為 90mm，這個(gè)長(zhǎng)度是從足尖到裝在足上地舵機(jī)的轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)度，實(shí)際足的零件的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度是108mm，要保證90mm后還需要有舵機(jī)的裝配空間。足寬為 30mm。
4.6連接桿的設(shè)計(jì)
為能夠把一些零件,需要添加支持。體積小和桿連接器質(zhì)量成為首選的設(shè)計(jì)。首先,六條腿的機(jī)器人身體機(jī)身主板,兩塊板之間的距離需要推進(jìn)的大小關(guān)節(jié)舵機(jī)來(lái)確定。寬度尺寸的操舵裝置的結(jié)構(gòu)是舵機(jī)作為機(jī)身主板的基礎(chǔ)間距,結(jié)果表明連桿上的箱子應(yīng)該是44毫米長(zhǎng)。
通過(guò)兩頭的螺釘緊固。圖16即軀干上的連接桿。
圖19 軀干連接桿
在連接桿的兩端鉆孔攻絲加工內(nèi)螺紋以便與螺釘配合。另一個(gè)是用于兩塊脛節(jié)片的連接，使得通過(guò)脛節(jié)把足和股節(jié)連接起來(lái)如：如圖17所示。
圖20 脛節(jié)連桿
4.7固定片的設(shè)計(jì)
如何使轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)矩效應(yīng)的幾個(gè)關(guān)節(jié),腿需要相關(guān)和固定,以確保機(jī)器人走路腳穩(wěn)定和良好的靈活性。需要設(shè)計(jì)特殊的部分。鑒于前面設(shè)計(jì)部分設(shè)計(jì)一塊晶片固定。推動(dòng)連接器與轉(zhuǎn)向齒輪軸直接連接,再由四個(gè)螺絲和節(jié)片或脛骨節(jié)片連接可以傳遞扭矩。
關(guān)節(jié)連接件通過(guò)中心孔和操舵裝置板固定圓柱銷(xiāo)連接,用于修復(fù)操舵裝置的位置,和機(jī)構(gòu),以確保穩(wěn)定的仿生蜘蛛機(jī)器人。另外連接片還通過(guò)四個(gè)螺釘與基節(jié)片或脛節(jié)片相連接。在跟關(guān)節(jié)與股節(jié)片相連的過(guò)程中以及在膝關(guān)節(jié)與脛關(guān)節(jié)的連接過(guò)程中，加上一條腿的過(guò)程中連接到腳踝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)和足根的過(guò)程中需要連接定子和連接件,關(guān)鍵部分看似簡(jiǎn)單,實(shí)際上在確保穩(wěn)定的機(jī)構(gòu)行走的狀態(tài),它的作用。
通過(guò)尺寸計(jì)算可以確定零件的尺寸，根據(jù)需要設(shè)計(jì)的零件的結(jié)構(gòu)，在零件設(shè)計(jì)時(shí)靈活運(yùn)用如圖18和19
圖21 傳動(dòng)連接片圖 圖 22 關(guān)節(jié)連接片
5.仿真圖文詳解
圖23 仿真蜘蛛初始狀態(tài)
第一步蜘蛛六足支撐站立。
圖24 蜘蛛仿真截圖
第二步綠、藍(lán)、黃三足同時(shí)抬起，其他三足保持不動(dòng)，保持站立姿勢(shì)。
圖25 蜘蛛仿真截圖
第三步綠、藍(lán)兩足挺尸向前轉(zhuǎn)動(dòng)，其他足不變。
圖26 蜘蛛仿真截圖
第四步綠、藍(lán)兩足落下，黃足收縮落下，紅、橙、紫三足抬起，由綠、藍(lán)、黃三足支撐站立。
圖27 蜘蛛仿真截圖
第五步綠、藍(lán)兩足向后擺動(dòng)，黃足向后伸張，三足同時(shí)運(yùn)動(dòng)，使蜘蛛向前運(yùn)動(dòng)。同時(shí)紅、橙兩足向前擺動(dòng)。
圖28 蜘蛛仿真截圖
第六步紅、橙、紫三足同時(shí)落下，藍(lán)、綠、黃三足同時(shí)升起。
圖29蜘蛛仿真截圖
第七步紅、黃兩足同時(shí)向后擺動(dòng)，紫足向后收縮，三足同時(shí)用力使蜘蛛向前運(yùn)動(dòng)。綠、藍(lán)兩足向前擺動(dòng)。之后從第二步開(kāi)始重復(fù)運(yùn)動(dòng)。
結(jié) 論
感謝李蕊老師精心指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計(jì),參考書(shū)籍和大量的機(jī)器人設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),我成功完成了仿生蜘蛛機(jī)器人的設(shè)計(jì)和研究。主要工作包括:根據(jù)需求,確定仿生機(jī)器人的總體方案、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)給了我一個(gè)獨(dú)立的分析問(wèn)題,解決問(wèn)題,同時(shí)進(jìn)一步理解和鞏固理論知識(shí),鍛煉自己的實(shí)踐能力,為未來(lái)的工作是極大的幫助。還發(fā)現(xiàn)了設(shè)計(jì)中的一些不足,仍有一些有待改進(jìn),總結(jié)如下:
1）. 目前我的設(shè)計(jì),控制機(jī)器人的速度、方向,實(shí)現(xiàn)良好的控制,但在轉(zhuǎn)向步態(tài)變化大,轉(zhuǎn)換的步態(tài)是不夠敏感。因此需要進(jìn)一步研究控制系統(tǒng),完美的數(shù)學(xué)模型。
2）. 為了實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器人的功能,如障礙、避障或障礙,傳感器就足夠了?？梢栽黾右恍┢渌膫鞲衅?、紅外傳感器等觸摸傳感器,實(shí)現(xiàn)多傳感器的融合,共同完成的功能仿生機(jī)器人的性能,以便實(shí)現(xiàn)真正意義上的仿生機(jī)器人。
3）. 建立機(jī)器人的實(shí)體模型六邊連接連接牢固能力尚且不足
畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)在一個(gè)大的知識(shí)培訓(xùn),為我們即將到來(lái)的工作做準(zhǔn)備。通過(guò)這次設(shè)計(jì),我看到自己的缺點(diǎn),但是從最初的不知道如何開(kāi)始主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題在這個(gè)過(guò)程中,我不斷磨練自己。從一開(kāi)始的主題選擇,感覺(jué)一個(gè)六足機(jī)器人非常有趣。規(guī)范畢業(yè)設(shè)計(jì)之后,我看見(jiàn)我懷疑這個(gè)選擇是否合適,是否適合我,我可以適應(yīng)。通過(guò)自己的努力慢慢克服,找到樂(lè)趣。設(shè)計(jì)的進(jìn)步提高。四個(gè)月的設(shè)計(jì)即將結(jié)束。在此期間他不斷反思補(bǔ)償不足,學(xué)會(huì)了如何做事如何提高自己。
結(jié)論要求精煉、準(zhǔn)確地闡述作者的研究成果或新的見(jiàn)解及意義和作用，還可進(jìn)一步提出需要討論的問(wèn)題和建議。
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致謝
本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作是在李蕊老師的悉心指導(dǎo)下完成的，李蕊老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和科學(xué)的工作方法給了我極大的幫助和影響。在此衷心感謝四年來(lái)李蕊老師對(duì)我的關(guān)心和指導(dǎo)。
李蕊老師悉心指導(dǎo)我們完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），在學(xué)習(xí)上和生活上都給予了我很大的關(guān)心和幫助，在此向李蕊老師表示衷心的謝意。
李蕊老師對(duì)于我的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）都提出了許多的寶貴意見(jiàn)，在此表示衷心的感謝。
在撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）期間，陳超等同學(xué)對(duì)我畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中的舵機(jī)選擇 研究工作給予了熱情幫助，在此向他們表達(dá)我的感激之情。
另外也感謝家人，他們的理解和支持使我能夠在學(xué)校專(zhuān)心完成我的學(xué)業(yè)。
設(shè)計(jì)一個(gè)聯(lián)合仿真為上肢外骨骼機(jī)器人協(xié)助康復(fù)
摘要：介紹了外骨骼的設(shè)計(jì)和仿真基于人類(lèi)手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)，機(jī)器人用于上肢康復(fù)協(xié)助機(jī)器人。設(shè)計(jì)滿足人類(lèi)手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征,這樣的外骨骼可以讓手臂的運(yùn)動(dòng)全方位的運(yùn)動(dòng)。我們使用聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)的上肢外骨骼，考慮模型開(kāi)發(fā)的Opensim,Solidworks設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和Matlab構(gòu)建動(dòng)態(tài)模型。系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)在Simmechanics使用預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算獲得的獨(dú)立的關(guān)節(jié)軌跡造型外骨骼的幾個(gè)優(yōu)化問(wèn)題與Tomlab SNOPT解決。使用虛擬工具的外骨骼的設(shè)計(jì)流程和模塊化的結(jié)構(gòu)將允許使用3 d打印設(shè)備。外骨骼設(shè)計(jì)工作是獨(dú)立的聯(lián)合控制,以便系統(tǒng)能夠運(yùn)行被動(dòng),輔助和active-assistive模式,記錄數(shù)據(jù)分析和支持康復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。
關(guān)鍵詞:外骨骼、robot-mediated聯(lián)合仿真、上肢、虛擬設(shè)計(jì)
1、介紹
上肢運(yùn)動(dòng)功能障礙是一種常見(jiàn)的障礙，可能影響卒中后的人。如拿起一個(gè)對(duì)象定期運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行成為慢性【1】?；颊咦渲泻罂梢则?qū)動(dòng)神經(jīng)重組腦復(fù)蘇和返回功能與任務(wù)特定的重復(fù)訓(xùn)練[2]。傳統(tǒng)療法包括重復(fù)定位和活動(dòng)度(ROM)運(yùn)動(dòng),動(dòng)員、補(bǔ)償技術(shù),加強(qiáng)和耐力訓(xùn)練。中風(fēng)后,運(yùn)動(dòng)療法結(jié)合醫(yī)療實(shí)踐支持的電子設(shè)備(e-health)幫助病人的恢復(fù)利用虛擬環(huán)境旨在鼓勵(lì)個(gè)人執(zhí)行特定動(dòng)作[3 - 5]。機(jī)器人輔助設(shè)備經(jīng)常用于e-health上肢康復(fù)由于其能力,以適應(yīng)不同類(lèi)型的療法。機(jī)械設(shè)備是用于促進(jìn)早期恢復(fù)運(yùn)動(dòng)的肩膀,手肘、手腕和手指[6 - 9]。已經(jīng)表明,機(jī)器人的使用調(diào)節(jié)裝置來(lái)支持在上肢運(yùn)動(dòng)障礙康復(fù)治療中風(fēng)患者,損傷措施可以顯著減少受影響的肢體[10]Robot-mediated為上肢康復(fù)包括各種形式如被動(dòng),被動(dòng)和電阻。這些模式已經(jīng)被Basteris分類(lèi)最近和他的同事們根據(jù)他們的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn):活躍(Ac),輔助(如),被動(dòng)(P),passive-mirrored(PM),active-assistive(AA),糾正(C),路徑指導(dǎo)(PG)和電阻(R)。主動(dòng)模式是建立在完全的貢獻(xiàn)的用戶(hù)在執(zhí)行一個(gè)任務(wù),在被動(dòng)模式下的機(jī)器人負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng),而在病人和機(jī)器人輔助模式導(dǎo)致任務(wù)執(zhí)行。被動(dòng)反映模式中使用雙手的設(shè)備當(dāng)主體執(zhí)行運(yùn)動(dòng)與健康的手臂復(fù)制的受損的手臂active-assistive模式機(jī)器人糾正用戶(hù)當(dāng)他/她不正確執(zhí)行任務(wù)而在矯正模式下機(jī)器人停止用戶(hù)在同樣的條件下運(yùn)動(dòng),這樣用戶(hù)可以?shī)Z回這個(gè)任務(wù)。在電阻模式下機(jī)器人抵抗用戶(hù)正在執(zhí)行的運(yùn)動(dòng)。在路徑指導(dǎo)模式下用戶(hù)執(zhí)行軌跡觸覺(jué)的指導(dǎo)下機(jī)器人[11]。
機(jī)器人外骨骼是可穿戴的機(jī)械結(jié)構(gòu)是基于人類(lèi)手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)產(chǎn)物。每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)和位置傳感器位于關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)工作集中在設(shè)計(jì)的8自由度(自由度)外骨骼,預(yù)計(jì)在被動(dòng)執(zhí)行,輔助和active-assistive模式。在流行robot-mediated設(shè)備已經(jīng)在該領(lǐng)域的研究流行robot-mediated設(shè)備的過(guò)去的那些年里,執(zhí)行下一個(gè)多的模式,我們可以提到active-assistive手臂外骨骼的骨頭,在active-assistive KINARM混合動(dòng)力外骨骼,輔助MAHI EXO-II L-Exos機(jī)器人外骨骼和活躍的仿生矯正法Neurorehabilitation肘部和肩膀骨頭氣動(dòng)動(dòng)力外骨骼的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)復(fù)制人類(lèi)手臂的運(yùn)動(dòng)的正常范圍。骨骼的控制系統(tǒng)可以通過(guò)編程所以援助算法可以根據(jù)用戶(hù)的需要添加[12]。KINARM外骨骼是一個(gè)商業(yè)設(shè)備使用的聯(lián)系,讓肘部和肩膀的運(yùn)動(dòng)在水平平面。KINARM記錄模式的控制系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)和關(guān)節(jié)力矩為了復(fù)制任務(wù)或應(yīng)用加載[13]。的MAHI EXO-II是一個(gè)自由度的機(jī)器人外骨骼內(nèi)置兩個(gè)肘部和前臂轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),和一個(gè)球形關(guān)節(jié)的手腕與直流換向器電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。的設(shè)計(jì)MAHI EXO-II允許用戶(hù)記錄每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)獨(dú)立為一個(gè)精確的手臂和手腕運(yùn)動(dòng)的知識(shí)。(14、15)。L-Exo是一個(gè)自由度的外骨骼,力反饋擬人化的胳膊和四個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)允許的肩部和肘部的ROM。系統(tǒng)也有一個(gè)被動(dòng)關(guān)節(jié),讓手腕運(yùn)動(dòng)(16、17)。
在本文中,我們目前的設(shè)計(jì)和仿真外骨骼基于人類(lèi)手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)，旨在用于上肢康復(fù)機(jī)器人協(xié)助。該設(shè)備是一個(gè)八自由度機(jī)械結(jié)構(gòu)與獨(dú)立的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié),將允許用戶(hù)移動(dòng)全羅的手臂外骨骼是肌肉骨骼的聯(lián)合仿真軟件開(kāi)發(fā)的建模和仿真運(yùn)動(dòng)(Opensim),計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件(Solidworks)和機(jī)械系統(tǒng)仿真環(huán)境(MATLAB-Simmechanics)。圖1顯示了包含元素的流程圖中使用的發(fā)展系統(tǒng)。首先,我們使用的上肢Opensim中開(kāi)發(fā)一個(gè)模型提供了一個(gè)人類(lèi)手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)Solidworks的外骨骼結(jié)構(gòu)。Solidworks結(jié)構(gòu)提供了物理特性和慣性數(shù)據(jù)使用的外骨骼,后來(lái)在Matlab構(gòu)建動(dòng)態(tài)模型。自從上肢模型提供數(shù)據(jù)來(lái)模擬一個(gè)手肘旋轉(zhuǎn),我們預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)(PD)用于計(jì)算獨(dú)立的各關(guān)節(jié)軌跡外骨骼考慮人類(lèi)手臂的ROM。我們建模外骨骼系統(tǒng)的優(yōu)化問(wèn)題,基于動(dòng)態(tài)模型使用從Tomlab SNOPT解決它們。最后,我們模擬了外骨骼在Simmechanics考慮聯(lián)合使用PD軌跡了。實(shí)驗(yàn)部分給出了一個(gè)洞察力Solidworks的外骨骼的設(shè)計(jì)過(guò)程和仿真的外骨骼Simmechanics動(dòng)態(tài)模型。最后兩個(gè)部分分析模擬的結(jié)果和討論外骨骼的針對(duì)性,根據(jù)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。
2、實(shí)驗(yàn)部分
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2.1、設(shè)計(jì)目標(biāo)
外骨骼的設(shè)計(jì)考慮特定的特點(diǎn),所以,一旦建成,機(jī)器人裝置可成功用于援助和恢復(fù)運(yùn)動(dòng)。主要objectiveof設(shè)計(jì)是滿足人類(lèi)手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征考慮獨(dú)立的聯(lián)合控制,這樣的外骨骼允許運(yùn)動(dòng)解剖中心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[18]。擬人化設(shè)計(jì)將允許完整的人類(lèi)手臂的ROM的執(zhí)行一些運(yùn)動(dòng)和日常生活活動(dòng)(ADL)[19]。外骨骼是為了支持卒中后患者的康復(fù),能夠增加訓(xùn)練強(qiáng)度,以允許用戶(hù)實(shí)踐運(yùn)動(dòng)任務(wù)本身的自然和直觀的交互[20]。設(shè)計(jì)必須考慮安全可靠性、簡(jiǎn)單的耐磨性和可移植性和可用性/驗(yàn)收(21、22)。最后,系統(tǒng)必須有能力記錄每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng),以監(jiān)視和分析孤立運(yùn)動(dòng)[14]。
2.2、生物力學(xué)的人類(lèi)的手臂
上肢的運(yùn)動(dòng)學(xué)位于肩胛骨的運(yùn)動(dòng)的肩膀,前臂和手。完全的組合兩個(gè)或更多,或者通過(guò)執(zhí)行這些元素的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)手臂負(fù)責(zé)定位空間。每個(gè)元素參與的運(yùn)動(dòng)學(xué)上肢有至少一個(gè)自由度有限的活動(dòng)范圍如表1所示。在運(yùn)動(dòng)參與手定位任務(wù):肩胛骨彎曲/擴(kuò)展;肩膀彎曲/擴(kuò)展,內(nèi)收/綁架,中位數(shù)/橫向旋轉(zhuǎn);屈肘/擴(kuò)展,前臂旋后,手綁架/內(nèi)收和彎曲/擴(kuò)展[23]。
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?
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2.2.1、一只手臂運(yùn)動(dòng)的仿真
外骨骼的設(shè)計(jì)是基于一個(gè)精確的模型50百分位人體手臂的男性(170厘米高)由Holzbaur和同事。該模型定義了人類(lèi)手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)為15自由度系統(tǒng),包括三個(gè)自由度的肩膀,兩肘景深,兩個(gè)自由度的手腕,食指和四個(gè)自由度的四自由度拇指[24]。模型被開(kāi)發(fā)使用Opensim Delp開(kāi)發(fā)的一個(gè)平臺(tái)和他的同事們?cè)谒固垢４髮W(xué)的建模和仿真neuroskeletal系統(tǒng)[25]。我們使用了描述定義外骨骼的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。Opensim的手臂的模型包括彎頭的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真旋轉(zhuǎn)從0到90度。
表1。上肢的元素和他們的活動(dòng)范圍
DOF
運(yùn)動(dòng)
t旋轉(zhuǎn)角度(度)下限/上里美
肩胛骨
1
彎曲度/ 伸展度
20/15
肩膀
1
彎曲度/ 伸展度
140-180/60
2
內(nèi)側(cè)/外側(cè)
90/20
3
外展/內(nèi)收
180/20
肘
1
彎曲度/ 伸展度
150/10
前臂
1
上翻/下翻
90/80
手腕
1
外展/內(nèi)收
25-30/30-40
2
彎曲度/ 伸展度
60-80/60-90
2.3、設(shè)計(jì)規(guī)范
在Solidworks外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，外骨骼是一種基于上肢八自由度ROM表1所示。外骨骼元素的尺寸是基于人類(lèi)手臂的尺寸模型50百分位男性[24]。圖2顯示了外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2(一個(gè))顯示外骨骼的八自由度的結(jié)構(gòu)。:所有的關(guān)節(jié)為J1,J2,J3,閣下,J5,衛(wèi)星,J7和J8轉(zhuǎn)動(dòng)。背面的外骨骼,圖2所示(b),作為支持外骨骼也認(rèn)為電池。的側(cè)面的外骨骼initialpose圖2所示(c)。圖2(d)顯示了人類(lèi)的手臂和肘部時(shí)的外骨骼是在一個(gè)90度的位置。
a b c d
圖1所示。外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu):1)示意圖和自由度,b)和c)人類(lèi)手臂外骨骼的側(cè)面安裝模式,d)外骨骼和人類(lèi)手臂的肘部時(shí)在一個(gè)90度的位置
2.3.1、聯(lián)合布局
結(jié)構(gòu)由八個(gè)移動(dòng)部件或鏈接顯示在圖3。圖3(一個(gè))顯示元素負(fù)責(zé)肩胛骨彎曲/擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)。圖3中的元素(b),圖3(c)和圖3(d)允許綁架/內(nèi)收,彎曲/擴(kuò)展和內(nèi)側(cè)/外側(cè)的肩膀。圖3中的元素(e)允許屈肘/擴(kuò)展。圖3中的元素(f)允許前臂旋后運(yùn)動(dòng)。圖3中的元素(g)和圖3(h)允許手綁架/內(nèi)收和彎曲/擴(kuò)展,分別。
2.3.2、動(dòng)態(tài)模型
外骨骼的動(dòng)態(tài)模型表示為情商(1):
影響關(guān)節(jié)和代表執(zhí)行所需的扭矩所需的運(yùn)動(dòng)[26]。外骨骼的動(dòng)態(tài)模型建立了考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的物理特性,由于大量的自由度的系統(tǒng),我們使用遞歸動(dòng)態(tài)基礎(chǔ)上的貢獻(xiàn)所有力量影響每個(gè)鏈接為了找到整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力。在構(gòu)建和模型的仿真系統(tǒng)被認(rèn)為是無(wú)摩擦。
2.3.3、預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)
動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)是用來(lái)預(yù)測(cè)人類(lèi)運(yùn)動(dòng)造型系統(tǒng)作為一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題,以發(fā)現(xiàn)未知的關(guān)節(jié)角和未知的廣義力參與特定動(dòng)作(27、28)。我們使用預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)找到新軌跡,作為參考的外骨骼關(guān)節(jié)控制器系統(tǒng)的模擬。所需的旋轉(zhuǎn)接頭,問(wèn)題是模型來(lái)確定關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)角受到限制,運(yùn)動(dòng)方程和物理和其他約束,同時(shí)最小化代價(jià)函數(shù)。Eq。(2)顯示了優(yōu)化問(wèn)題的考慮兩種不同的成本函數(shù):動(dòng)態(tài)的努力表示為一體的廣場(chǎng)的所有關(guān)節(jié)扭矩()隨著時(shí)間的推移和最小關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)時(shí)間();的約束
2.4、模擬的性能
外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)Simmechanics為了模擬系統(tǒng)的性能。如前所述,手臂的模型包括彎頭的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真旋轉(zhuǎn)從0到90度,因此我們使用預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)軌跡,將作為參考關(guān)節(jié)控制器。首先我們得到的關(guān)節(jié)角彎頭在Opensim旋轉(zhuǎn),自定義的優(yōu)化問(wèn)題是考慮兩個(gè)不同的成本函數(shù),我們使用SNOPT解算器從TOMLAB優(yōu)化環(huán)境在MATLAB解決PD問(wèn)題為了找到成本函數(shù)將提供最接近真正的關(guān)節(jié)軌跡。PD的問(wèn)題被認(rèn)為是動(dòng)態(tài)的努力和成本函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間;約束所需的運(yùn)動(dòng)限制,所需的扭矩限制和所需的執(zhí)行時(shí)間。最小的時(shí)間是0.9秒的模擬肘部旋轉(zhuǎn)Opensim中執(zhí)行。最大的值所需的扭矩的重量,每個(gè)關(guān)節(jié)外骨骼的支持。:關(guān)節(jié)為J1 J2,J3和閣下支持整個(gè)手臂的重量,聯(lián)合J5支持下臂的重量和手,關(guān)節(jié),J7,J8支持的手。上臂的權(quán)重,較低的手臂和手被從50百分位maleaccording丘吉爾和他的同事們[29]。該模型的外骨骼Simmechanics建成的考慮實(shí)施提供的物理特性和慣性數(shù)據(jù)臂嗎模型和系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。各關(guān)節(jié)的外骨骼控制獨(dú)立使用比例積分微分(PID)控制器。我們模擬了外骨骼的性能考慮不同角度的八個(gè)關(guān)節(jié)的基于低限制了人類(lèi)的手臂外骨骼羅各關(guān)節(jié)的外骨骼搬一次使用關(guān)節(jié)軌跡通過(guò)預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)擔(dān)任參考信號(hào)的獨(dú)立的關(guān)節(jié)控制器在模擬外骨骼的運(yùn)動(dòng)。
3、結(jié)果
逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題的肘部運(yùn)動(dòng)Opensim和執(zhí)行軌跡獲得PD的問(wèn)題的解決方案在考慮轉(zhuǎn)矩平方和最小時(shí)間成本函數(shù)圖4所示。PD問(wèn)題的兩種解決方案Opensim靠近肘部軌跡。然而,PD與最低的時(shí)間成本函數(shù)提出了一個(gè)更大的均方誤差(MSE)的解決方案時(shí)獲得的使用方無(wú)邊女帽作為一個(gè)成本函數(shù)。最短時(shí)間給了241.4879的平均誤差和扭矩10.2932平方給了一個(gè)錯(cuò)誤,這意味著考慮動(dòng)態(tài)工作作為一個(gè)成本函數(shù)解決優(yōu)化問(wèn)題提供了一個(gè)最親密的方法計(jì)算旋轉(zhuǎn)肘0到90度。由于建議成本函數(shù)似乎提供良好的真正方法軌跡,我們解決了八PD問(wèn)題找到外骨骼的關(guān)節(jié)軌跡考慮最小時(shí)間和轉(zhuǎn)矩廣場(chǎng)。解決方案被用作參考信號(hào)的每個(gè)關(guān)節(jié)PID控制器的外骨骼運(yùn)動(dòng)的模擬。從0到20度,關(guān)節(jié)1旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2從0到140度旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3從0到90度,聯(lián)合4從0到180度旋轉(zhuǎn),聯(lián)合5從0到150度旋轉(zhuǎn),聯(lián)合6從0到90度旋轉(zhuǎn),聯(lián)合7旋轉(zhuǎn)從0到25度,聯(lián)合8旋轉(zhuǎn)從0到60度。圖5顯示關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)軌跡測(cè)量的外骨骼。
4、討論
這項(xiàng)工作提出了外骨骼的設(shè)計(jì)旨在用于robot-mediated療法中風(fēng)病人的上肢。利用Opensim的特點(diǎn)模擬人類(lèi)手臂,可以設(shè)計(jì)一個(gè)外骨骼,允許的運(yùn)動(dòng)解剖的中心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)期間人類(lèi)手臂的每個(gè)元素。Solidworks外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和提供精確的物理測(cè)量長(zhǎng)度、質(zhì)量、質(zhì)量和慣性中心數(shù)據(jù),允許每個(gè)元素的結(jié)構(gòu)建設(shè)的外骨骼MATLAB動(dòng)態(tài)模型,并為仿真模型
運(yùn)動(dòng)在Simmechanics發(fā)達(dá)。動(dòng)態(tài)模型有助于模型系統(tǒng)預(yù)測(cè)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,是用來(lái)預(yù)測(cè)的運(yùn)動(dòng)肘考慮轉(zhuǎn)矩廣場(chǎng)和旋轉(zhuǎn)所需的最小執(zhí)行時(shí)間成本函數(shù)。的解決優(yōu)化問(wèn)題是準(zhǔn)確的手肘旋轉(zhuǎn)相比一只手臂模型由Holzbaur Opensim和他的同事們。我們計(jì)算均方錯(cuò)誤定義代價(jià)函數(shù)給最準(zhǔn)確的方法。結(jié)果表明,預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩平方作為一個(gè)成本函數(shù)有一個(gè)更小的均方誤差。的
模型實(shí)現(xiàn)的手臂Opensim肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)只提供數(shù)據(jù),我們使用預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)幾個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軌跡模擬肩膀,手肘和手腕。進(jìn)一步研究認(rèn)為動(dòng)作捕捉的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分析上肢的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)模擬的執(zhí)行這項(xiàng)工作,成本函數(shù)的分析結(jié)果將顯示手臂運(yùn)動(dòng)提供了最好的方法在執(zhí)行特定的聯(lián)合旋轉(zhuǎn)。外骨骼滿足的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征人類(lèi)手臂考慮獨(dú)立的聯(lián)合控制,允許全面的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行重復(fù)的練習(xí)和運(yùn)動(dòng)任務(wù)支持卒中后康復(fù)患者相比其他系統(tǒng)如KINARM只支持的康復(fù)肘部和肩膀在水平面;MAHI EXO-II的5自由度允許therehabilitation肘,前臂和手腕;L-EXO旨在恢復(fù)的肩膀和肘部。因?yàn)槔寐?lián)合仿真的虛擬工具可以設(shè)置相應(yīng)的,可以構(gòu)建個(gè)性化設(shè)備根據(jù)每個(gè)用戶(hù)的需求。模塊化的外骨骼的設(shè)計(jì)將允許其使用聚合物將建設(shè)3 d打印機(jī)為用戶(hù)降低設(shè)備的重量,有利于其耐磨性和可移植性。自外骨骼設(shè)計(jì)獨(dú)立的聯(lián)合控制,系統(tǒng)將有能力為協(xié)助編寫(xiě)算法類(lèi)似于骨頭外骨骼,使其工作被動(dòng),輔助和active-assistive模式。提出獨(dú)立的聯(lián)合
各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的控制適用于記錄執(zhí)行期間所需的鍛煉或運(yùn)動(dòng)任務(wù),外骨骼KINARM,MAHI EXO-II,L-EXO做。這特征將有助于康復(fù)過(guò)程的跟蹤,將允許用戶(hù)分析適當(dāng)時(shí)手臂的關(guān)節(jié)軌跡移動(dòng)的羅在具體的執(zhí)行任務(wù),如挑選對(duì)象。這一特點(diǎn)也將有助于分析的準(zhǔn)確性不同的關(guān)節(jié)軌跡計(jì)算使用預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)確定針對(duì)性使用外骨骼負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)時(shí)手臂的被動(dòng)和active-assistive模式,創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)測(cè)試未來(lái)個(gè)性化的外骨骼。未來(lái)工作包括外骨骼的建設(shè)和識(shí)別的摩擦動(dòng)力學(xué)模型的驗(yàn)證。
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