下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真

下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真

隨著中國(guó)進(jìn)入老齡化社會(huì)，許多患有腦損傷和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的患者，其中大多數(shù)患者伴有癱瘓癥狀。同時(shí)，交通事故導(dǎo)致的四肢損傷也在增加。除了早期的手術(shù)和必要的藥物治療外，這些患者還正確、科學(xué)地恢復(fù)和提高了下肢運(yùn)動(dòng)的功能。其中，bw系統(tǒng)的支持訓(xùn)練可以支持患者的行走（調(diào)解人需要用雙手收緊患者的腰部，調(diào)解人的力量來引導(dǎo)患者行走），以達(dá)到治療下肢癱瘓的目的?？祻?fù)機(jī)器人是一種自動(dòng)康復(fù)醫(yī)療設(shè)備，根據(jù)醫(yī)學(xué)理論，幫助患者進(jìn)行科學(xué)有效的康復(fù)治療，逐步恢復(fù)患者的運(yùn)動(dòng)能力，提高下肢運(yùn)動(dòng)的平衡和行走速度。區(qū)別于傳統(tǒng)的BWS訓(xùn)練機(jī)器人,本文提出的機(jī)器人具有以下3個(gè)特征:①采用全方位移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)訓(xùn)練病人在平面任意方向行走及任意半徑的轉(zhuǎn)彎;②可以按照醫(yī)生設(shè)計(jì)的訓(xùn)練軌跡和訓(xùn)練模式運(yùn)動(dòng);③可以針對(duì)不同的病人,按照不同康復(fù)訓(xùn)練程序進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練.本文主要研究輪式下肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真,分析在輸入已知的情況下,重心運(yùn)動(dòng)軌跡是否按期望軌跡運(yùn)動(dòng),從而對(duì)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性作出判斷并給出優(yōu)化建議.1旋轉(zhuǎn)速度約束方程本機(jī)器人采用如圖1所示的全方位輪技術(shù),全方位車輪由主動(dòng)輪轂和被動(dòng)輥兩部分組成.被動(dòng)輥的方向與主動(dòng)輪轂的軸線方向平行,輪子的運(yùn)動(dòng)為主動(dòng)輪轂和被動(dòng)輥運(yùn)動(dòng)的合成.4個(gè)全向輪與車體正方向呈八字形,全向輪與前進(jìn)方向呈45°或135°,每個(gè)全向輪由1臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng).通過程序來控制4個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,而后依據(jù)速度的合成來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng).機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖2所示.全向輪運(yùn)動(dòng)分析如圖3所示,定義z軸方向是機(jī)器人的正后方向,機(jī)器人中心點(diǎn)為O、速度為υ、前進(jìn)方向角為θ.由圖3可知{υx=υcosθυz=-υsinθ(1){υx=υcosθυz=?υsinθ(1)第i個(gè)全向輪的線速度為υi=-υxsinαi-υzcosαi+˙θ(2)υi=?υxsinαi?υzcosαi+θ˙(2)式中:αi——第i個(gè)車輪同x軸的夾角;˙θθ˙——機(jī)器人旋轉(zhuǎn)速度.αi可預(yù)先設(shè)定為{α1=-34πα2=34πα3=14πα4=-14π(3)???????????????α1=?34πα2=34πα3=14πα4=?14π(3)則[υ1υ2υ3υ4]=[-sin(-34π)-cos(-34π)l-sin(34π)-cos(34π)l-sin(14π)-cos(14π)l-sin(-14π)-cos(-14π)l][υxυz˙θ]=[11√2l-11√2l-1-1√2l1-1√2l][υxυz˙θ]√22(4)??????υ1υ2υ3υ4??????=?????????sin(?34π)?sin(34π)?sin(14π)?sin(?14π)?cos(?34π)?cos(34π)?cos(14π)?cos(?14π)llll???????????υxυzθ˙???=??????1?1?1111?1?12√l2√l2√l2√l?????????υxυzθ˙???2√2(4)式中,l為中心點(diǎn)O到全向輪的距離.將式(1)代入式(4)可得[υ1υ2υ3υ4]=[1-1-1-1-1111][cosθsinθ]√2υ2+˙θl(5)根據(jù)式(5)給出的機(jī)器人中心點(diǎn)O的速度υ和前進(jìn)方向角θ,可求出4個(gè)全向輪速度.同樣,由機(jī)器人運(yùn)動(dòng)約束方程υ1+υ3=υ2+υ4和式(5)可以得出[υxυz˙θ]=[1-1l-1-1l-11l]-1[υ1υ2υ3]√2=[√22-√2200-√22√2212l012l][υ1υ2υ3](6)根據(jù)式(6)可以從4個(gè)全向輪速度求出機(jī)器人重心軌跡.當(dāng)υ1=υ2=υ3=υ4時(shí),機(jī)器人做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);當(dāng)υ1=υ2=-υ3=-υ4>0時(shí),機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng).如果虛擬樣機(jī)分析結(jié)果與該結(jié)論一致,則可以證明設(shè)計(jì)符合康復(fù)訓(xùn)練要求.2pro/e建模和adams聯(lián)合模型建立Adams軟件具有很強(qiáng)的分析能力,但是Adams的建模功能一般不適合復(fù)雜模型的建造;Pro/E則具有強(qiáng)大的建模功能,能建造各種復(fù)雜的模型,但是Pro/E卻不能對(duì)模型進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真.結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì),本文采用Pro/E進(jìn)行建模,然后在Adams里進(jìn)行仿真分析.Pro/E與Adams聯(lián)合模型是一個(gè)不斷完善的過程,三維實(shí)體建模包括零件建模和總體裝配兩個(gè)階段.根據(jù)康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能要求完成各零件的建模和裝配,得到康復(fù)機(jī)器人的三維實(shí)體模型.通過Pro/E與Adams兩軟件之間的接口程序Mechanism/Pro定義出剛體和部分約束,再將Pro/E建立的三維實(shí)體裝配模型轉(zhuǎn)換到Adams中,進(jìn)一步完善Adams動(dòng)力學(xué)模型,具體的建模步驟如圖4所示.2.1預(yù)算與設(shè)計(jì)采用Pro/E對(duì)新型下肢康復(fù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,圖5為康復(fù)機(jī)器人各部分零件模型,圖6為Pro/E中的裝配模型.2.2真分析和模型構(gòu)建將Pro/E模型導(dǎo)入Adams中,通過Adams與Pro/E的接口軟件mechpro2005生成Adams模型,并在Adams里進(jìn)行仿真分析.模型轉(zhuǎn)換包括定義剛體、定義約束和模型轉(zhuǎn)化3個(gè)步驟.在Adams環(huán)境下為系統(tǒng)添加必要的約束和受力,完善導(dǎo)入的Adams模型.增加必要的力與驅(qū)動(dòng),定義各個(gè)剛體的材料密度、剛度、彈性形變、重力加速度等參考量.最后,定義各個(gè)剛體間的相互作用力,包括輪轂與地面間的接觸力、重力加速度和Motion驅(qū)動(dòng)等.建好的Adams動(dòng)力學(xué)模型如圖7所示.建模過程中涉及的各個(gè)零部件、剛體和約束等具體數(shù)量統(tǒng)計(jì)如表1所示.3比較單變量動(dòng)態(tài)模擬和分析3.1速度曲線仿真給定全向輪角速度為π6rad/s,旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下全向輪角度變化曲線如圖8所示,而圖9給出了機(jī)器人軌跡曲線及旋轉(zhuǎn)角速度曲線.圖8采樣的是各輪角速度,由于仿真目的是分析各輪角速度與機(jī)器人軌跡的關(guān)系,因此,該采樣作為已知輸入.圖9反映出機(jī)器人在旋轉(zhuǎn)過程中重心在空間中的變化.在水平面上,機(jī)器人重心在x、z軸上呈現(xiàn)正弦變化,符合系統(tǒng)控制要求;在y軸變化上存在1mm的擾動(dòng),說明機(jī)器人旋轉(zhuǎn)過程中存在震動(dòng)現(xiàn)象,可以通過在支撐臂上加軟墊等緩沖方法除去.3.2機(jī)器人的重心變化給定全向輪角速度為π6rad/s,向前行走狀態(tài)下全向輪角度變化曲線,即輸入曲線如圖10所示.機(jī)器人處于前進(jìn)狀態(tài)下的軌跡及速度曲線,即與圖10對(duì)應(yīng)的機(jī)器人重心變化曲線如圖11所示.圖11a反映起動(dòng)過程中在x軸方向上存在的擾動(dòng),擾動(dòng)最大峰-峰值為4mm,15s后趨于平緩.通過分析可知,導(dǎo)致該擾動(dòng)產(chǎn)生的原因是機(jī)器人的重心與其幾何中心不在同一個(gè)垂直方向上,起動(dòng)時(shí)各輪之間受力不均勻;圖11b反映了在y軸變化上存在1mm的擾動(dòng);圖11c表明機(jī)器人沿z軸勻速行走.由于圖11a中所采樣到的擾動(dòng)峰值對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說都比較微小,因此,對(duì)系統(tǒng)整體效果影響不大.根據(jù)在Adams中取得的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果可以分析出機(jī)器人的重心并不在其幾何中心,這必將對(duì)機(jī)器人的控制產(chǎn)生一定的干擾.改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)使其更加對(duì)稱,可以降低這種干擾的趨勢(shì).從動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型角度分析,Adams仿真結(jié)果符合動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型,當(dāng)給定輸入相同時(shí),該設(shè)計(jì)的動(dòng)力學(xué)仿真與數(shù)學(xué)模型結(jié)果一致,說明設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)滿足訓(xùn)練要求.4基于adams運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的下肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)從數(shù)學(xué)建模角度推導(dǎo)出輪速與軌跡的對(duì)應(yīng)關(guān)系.采用Pro