基于虚拟样机技术的外骨骼机器人机构设计

王超+宋慧新

摘 要： 为了提高人类的负重能力，并降低人类在行进中的能量消耗，设计了一种液压驱动的可穿戴外骨骼机器人，进行了机构设计并确定了液压系统的关键参数，其中腿机构设计是关键部分。通过数学公式分析了外骨骼机器人腿部受力，并对外骨骼机器人简化模型进行虚拟仿真，确定各关节运动所需的力矩。在此基础上，完成了机器人机构和液压系统设计。最后通过虚拟样机技术，验证了机构设计参数选取的合理性及所确定的液压系统满足设计要求。

关键词： 外骨骼机器人； 虚拟样机技术； 机构设计； 液压系统

中图分类号： TN911?34； TP319 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）04?0056?04

Mechanism design of exoskeleton robot based on virtual prototype technology

WANG Chao， SONG Hui?xin

（China North Vehicle Research Institute， Beijing 100072， China）

Abstract： In order to improve the ability of carrying heavy loads and reduce the energy consumption of people moving under their way， a wearable exoskeleton robot driven by hydraulic pressure was designed in this paper. The key part in the design is the leg mechanism design. The leg stress of the exoskeleton robot is analyzed with mathematical formulas. The driving torque needed by each joint was derived based on simulations of the simplified exoskeleton robot model. On the basis of the above analysis， the designs of exoskeleton robot mechanism and the hydaulic system were completed. The virtual prototype technology was used to show that the selection of the mechanism design parameters is reasonable and the hydraulic system meets the design requirements.

Keywords： exoskeleton robot； virtual prototype technology； mechanism design； hydraulic system

0 引 言

足式机器人与轮履式机器人相比，具有较强的地形适应能力和越障能力，一直是机器人研究领域的热点。其中可穿戴式外骨骼机器人既具有超过普通2足机器人的稳定性和高通过性，又避免了4足机器人的机构冗余性和控制复杂性，因而更加受到各国的重视[1?2]。

目前研制的大多数外骨骼机器人均存在自身质量较重，穿戴复杂，需外接能源等问题，实际应用受到限制，基本停留在实验室研究阶段，如美国的“XOS”系列外骨骼机器人[3]、日本的外骨骼机器人“HAL” [4]等。美国洛克希德?马丁公司的下肢外骨骼机器人“HULC”采用液压驱动，是当今世界上最先进的外骨骼机器人，已经在战场上试用[5?6]。

为了实现重物背负并降低人类在行进中的能量消耗，以液压驱动外骨骼机器人为研究对象进行了机构设计，并通过虚拟样机技术验证了机构设计满足要求。……