基于adams下肢外骨骼刚柔耦合分析及仿真
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为人体腿部假肢和下肢外骨骼机器人电机的选型提供参考,也为下肢外骨骼的优化设计提供了依据.
关键词:人体下肢外骨骼;ADAMS;ANSYS;刚柔耦合
中图分类号:TP３９１
７ 文献标识码:A
０ 引言
人体下肢外骨骼 是 仿 人 运 动 的 施 力 者,需 要 对 受
力者(人体)实现 康 复 和 助 力 的 效 果 [１],其 安 全 舒 适 性
４)
(
MFa ＝Faxa ．
５)
其中:
ma 为脚的质量;
aa 为脚的加速度;
g 为重力加速
度;
La 为角 动 量 的 变 化 率;MFa 为 踝 关 节 力 产 生 的 转
矩;
Ia 为踝关节的 转 动 惯 量;
xa 为 踝 关 节 到 脚 的 质 心
距;
θa 为踝关节角的角加速度.由式(
１)~ 式(
状面Y 轴的关节角度和 力 矩 的 变 化 曲 线,并 在 此 基 础
上设计了简化的下肢外骨骼机器人.
近年来机械、航空、医疗等诸多领域都在应用虚拟
样机和有限元进行 安 全、便 捷、高 效 的 仿 真,而 涉 及 多
软件刚柔耦合动力学分析的研究很少 [５].本文结合人
体下肢外骨骼和假肢 运 动 规 律 的 需 求,通 过 理 论 计 算
和模拟仿真相结合的 方 式,对 比 刚 体 和 柔 体 验 证 刚 柔
耦合人体下肢外骨骼的准确性和有效性.
１ 下肢外骨骼动力学建模
正常情况下,人体实际运动大体分为矢状面、冠状
面和水平面,而在水平面和冠状面内的运动很小,不太
明显,主要是 在 矢 状 面 内 的 运 动 [６].人 体 下 肢 系 统 组
成如图 １ 所示.
以单侧下肢的运动为例,采用牛顿Ｇ欧拉法建立其
动力学模型如图 ２ 所 示. 它 受 到 的 力 包 括:踝 关 节 力
Fa ,踝 关 节 转 矩 Ma ,自 身 重 力 Ga ,地 面 的 反 作 用 力
GG ,地面对脚的 支 撑 力 矩 Tz ,膝 关 节 力 Fk ,小 腿 的 重
[]
GB/T１７２４５ 中提供的回 归 方 １ 所示,人 体 下 肢 各 关 节 的 自 由 度 和 活
动度如表 ２ 所示.
Tz ＝
体段
大腿
{ma０n
i i z
表 １ 下肢体段参数
尺寸(
mm)
质量(
kg)
质心位置(
mm)
５００
２．
２
２２４．
１
４００
gh
．
z＞f
l
oo
rhe
i
t
gh
其中:
mi 和ai 分别为i 为矢状面、冠正面、水平面时支
持力矩中的质量分量和 加 速 度 分 量;
nz 为 垂 直 于 地 面
的法向量.由地板高度判别z 值的变量.
根据 GB/T１０００—１９８８«中 国 成 年 人 人 体 尺 寸»,
设计下 肢 外 骨 骼 康 复 机 器 人 的 各 部 位 尺 寸 [８],结 合
力 Gk ,膝 关 节 转 矩 Mk ,大 腿 的 重 力 Gh ,髋 关 节 力 Fh ,
髋关节转矩 Mh .
自下而上,先 对 脚 进 行 受 力 分 析,由 牛 顿Ｇ欧 拉 方
程得:
(
Fa ＋GG ＋Ga ＝maaa ．
１)
(
Ga ＝mag ．
２)
La ＝Ma ＋Tz ＋MFa ．
(
３)
(
La ＝Iaθ a ．
变得尤为重要,尤其 是 要 避 免 人 机 耦 合 带 来 的 二 次 伤
害.文献[
２]中将外骨骼看作刚体来建立模型,而达到
试验的目的.实际上任何物体在受到外力和运动的情
况下都会产生变形.于 是 文 献[
３]将 产 生 的 变 形 作 为
主要研究对象来处理,也就是采用刚Ｇ柔混合建模.文
献[
４]通过分析计 算 得 到 了 多 个 步 态 周 期 内 的 下 肢 矢
小腿
３００
足部
下肢关节自由度
８．
５
０．
８９
２５４．
５
表 ２ 下肢各关节运动范围
伸展/屈曲(髋关节)
外展/内收(髋关节)
外旋/内旋(髋关节)
伸展/屈曲(膝关节)
３８．
２
关节运动范围(
°)
自由度数
－３０~４０
髋关节 ３ 个自由度
－１２０~０
膝关节 １ 个自由度
－１２０~６５
－１５~６０
通 过 人 体 关 节 角 度 数 据,用 MATLAB/S
机 械 工 程 与 自 动 化 ２０１９ 年第 ６ 期
度;
MFk 为膝关节 力 产 生 的 转 矩;
MFh 为 髋 关 节 力 产 生
的转矩;
为
膝
关
节
的
转
动
惯
量;
Ik
Ih 为 髋 关 节 的 转 动
惯量.
地面对脚的支撑力矩 [７]由下式计算:
z≤f
l
oo
rhe
i
t
图6髋膝txt数据表3仿真模型接触类各参数设置参数值刚度系数k10力指数fe22阻尼系数c1穿透深度p01摩擦因数023刚柔耦合模型的建立外骨骼是在行走中协调身体运动的主要肢体在很多文献中14g15满足一定条件的情况下都将其看做刚体而实际上它是有变形的为得到准确的受力和转矩????07????机械工程与自动化2019年第6期情况对下肢关节柔性化
摘要:为了达到人体下肢康复的目的,对人 体 下 肢 外 骨 骼 的 周 期 步 态 进 行 研 究. 采 用 So
l
i
dWo
r
ks 软 件 对 人
体下肢外骨骼进行三维建模,利用 ADAMS 和 ANSYS 软 件 对 人 体 下 肢 外 骨 骼 进 行 刚 柔 耦 合 动 力 学 联 合 仿
真,验证了模型的准确性,得出柔性比刚性更为符合 人 体 的 运 动 特 点,并 确 定 了 耦 合 模 型 的 危 险 应 力 节 点,
第 ６ 期(总第 ２１７ 期)
２０１９ 年 １２ 月
No．
６
De
c．
机 械 工 程 与 自 动 化
MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION
文章编号:
１６７２
Ｇ６４１３(
２０１９)
０６
Ｇ００６９
Ｇ０３
基于 ADAMS 下肢外骨骼刚柔耦合分析及仿真
蔡玉强,李赐恩
(华北理工大学 机械工程学院,河北 唐山 ０６３２００)
θh 为髋关节的角加速
A２０１４００２１４);华北理工大学博士启动基金资助项目 (
BS２０１７０９４)
河北省高层次人才资助项目 (
收稿日期:２０１９
Ｇ０７
Ｇ２４;修订日期:２０１９
Ｇ１０
Ｇ１５
作者简介:蔡玉强 (
１９６７
Ｇ),男,河北唐山人,博士,教授,主要研究方向:机构学与机械动力学.
７０
imu
l
i
nk
简单验证角度的曲线为正常人体步态参数.角度转化
５)联立
可得踝关节转矩 Ma :
Ma ＝Iaθ a －Tz －MFa ．
图 １ 人体下肢系统组成
图 ２ 人体下肢动力学模型
同理膝关节转矩 Mk 、髋关节转矩 Mh 分别为:
Mk ＝Ikθ k －MFk －MFa ．
Mh ＝Ihθ h －MFh －MFk ．
其中:
θk 为膝关节的角加速度;
关键词:人体下肢外骨骼;ADAMS;ANSYS;刚柔耦合
中图分类号:TP３９１
７ 文献标识码:A
０ 引言
人体下肢外骨骼 是 仿 人 运 动 的 施 力 者,需 要 对 受
力者(人体)实现 康 复 和 助 力 的 效 果 [１],其 安 全 舒 适 性
４)
(
MFa ＝Faxa ．
５)
其中:
ma 为脚的质量;
aa 为脚的加速度;
g 为重力加速
度;
La 为角 动 量 的 变 化 率;MFa 为 踝 关 节 力 产 生 的 转
矩;
Ia 为踝关节的 转 动 惯 量;
xa 为 踝 关 节 到 脚 的 质 心
距;
θa 为踝关节角的角加速度.由式(
１)~ 式(
状面Y 轴的关节角度和 力 矩 的 变 化 曲 线,并 在 此 基 础
上设计了简化的下肢外骨骼机器人.
近年来机械、航空、医疗等诸多领域都在应用虚拟
样机和有限元进行 安 全、便 捷、高 效 的 仿 真,而 涉 及 多
软件刚柔耦合动力学分析的研究很少 [５].本文结合人
体下肢外骨骼和假肢 运 动 规 律 的 需 求,通 过 理 论 计 算
和模拟仿真相结合的 方 式,对 比 刚 体 和 柔 体 验 证 刚 柔
耦合人体下肢外骨骼的准确性和有效性.
１ 下肢外骨骼动力学建模
正常情况下,人体实际运动大体分为矢状面、冠状
面和水平面,而在水平面和冠状面内的运动很小,不太
明显,主要是 在 矢 状 面 内 的 运 动 [６].人 体 下 肢 系 统 组
成如图 １ 所示.
以单侧下肢的运动为例,采用牛顿Ｇ欧拉法建立其
动力学模型如图 ２ 所 示. 它 受 到 的 力 包 括:踝 关 节 力
Fa ,踝 关 节 转 矩 Ma ,自 身 重 力 Ga ,地 面 的 反 作 用 力
GG ,地面对脚的 支 撑 力 矩 Tz ,膝 关 节 力 Fk ,小 腿 的 重
[]
GB/T１７２４５ 中提供的回 归 方 １ 所示,人 体 下 肢 各 关 节 的 自 由 度 和 活
动度如表 ２ 所示.
Tz ＝
体段
大腿
{ma０n
i i z
表 １ 下肢体段参数
尺寸(
mm)
质量(
kg)
质心位置(
mm)
５００
２．
２
２２４．
１
４００
gh
．
z＞f
l
oo
rhe
i
t
gh
其中:
mi 和ai 分别为i 为矢状面、冠正面、水平面时支
持力矩中的质量分量和 加 速 度 分 量;
nz 为 垂 直 于 地 面
的法向量.由地板高度判别z 值的变量.
根据 GB/T１０００—１９８８«中 国 成 年 人 人 体 尺 寸»,
设计下 肢 外 骨 骼 康 复 机 器 人 的 各 部 位 尺 寸 [８],结 合
力 Gk ,膝 关 节 转 矩 Mk ,大 腿 的 重 力 Gh ,髋 关 节 力 Fh ,
髋关节转矩 Mh .
自下而上,先 对 脚 进 行 受 力 分 析,由 牛 顿Ｇ欧 拉 方
程得:
(
Fa ＋GG ＋Ga ＝maaa ．
１)
(
Ga ＝mag ．
２)
La ＝Ma ＋Tz ＋MFa ．
(
３)
(
La ＝Iaθ a ．
变得尤为重要,尤其 是 要 避 免 人 机 耦 合 带 来 的 二 次 伤
害.文献[
２]中将外骨骼看作刚体来建立模型,而达到
试验的目的.实际上任何物体在受到外力和运动的情
况下都会产生变形.于 是 文 献[
３]将 产 生 的 变 形 作 为
主要研究对象来处理,也就是采用刚Ｇ柔混合建模.文
献[
４]通过分析计 算 得 到 了 多 个 步 态 周 期 内 的 下 肢 矢
小腿
３００
足部
下肢关节自由度
８．
５
０．
８９
２５４．
５
表 ２ 下肢各关节运动范围
伸展/屈曲(髋关节)
外展/内收(髋关节)
外旋/内旋(髋关节)
伸展/屈曲(膝关节)
３８．
２
关节运动范围(
°)
自由度数
－３０~４０
髋关节 ３ 个自由度
－１２０~０
膝关节 １ 个自由度
－１２０~６５
－１５~６０
通 过 人 体 关 节 角 度 数 据,用 MATLAB/S
机 械 工 程 与 自 动 化 ２０１９ 年第 ６ 期
度;
MFk 为膝关节 力 产 生 的 转 矩;
MFh 为 髋 关 节 力 产 生
的转矩;
为
膝
关
节
的
转
动
惯
量;
Ik
Ih 为 髋 关 节 的 转 动
惯量.
地面对脚的支撑力矩 [７]由下式计算:
z≤f
l
oo
rhe
i
t
图6髋膝txt数据表3仿真模型接触类各参数设置参数值刚度系数k10力指数fe22阻尼系数c1穿透深度p01摩擦因数023刚柔耦合模型的建立外骨骼是在行走中协调身体运动的主要肢体在很多文献中14g15满足一定条件的情况下都将其看做刚体而实际上它是有变形的为得到准确的受力和转矩????07????机械工程与自动化2019年第6期情况对下肢关节柔性化
摘要:为了达到人体下肢康复的目的,对人 体 下 肢 外 骨 骼 的 周 期 步 态 进 行 研 究. 采 用 So
l
i
dWo
r
ks 软 件 对 人
体下肢外骨骼进行三维建模,利用 ADAMS 和 ANSYS 软 件 对 人 体 下 肢 外 骨 骼 进 行 刚 柔 耦 合 动 力 学 联 合 仿
真,验证了模型的准确性,得出柔性比刚性更为符合 人 体 的 运 动 特 点,并 确 定 了 耦 合 模 型 的 危 险 应 力 节 点,
第 ６ 期(总第 ２１７ 期)
２０１９ 年 １２ 月
No．
６
De
c．
机 械 工 程 与 自 动 化
MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION
文章编号:
１６７２
Ｇ６４１３(
２０１９)
０６
Ｇ００６９
Ｇ０３
基于 ADAMS 下肢外骨骼刚柔耦合分析及仿真
蔡玉强,李赐恩
(华北理工大学 机械工程学院,河北 唐山 ０６３２００)
θh 为髋关节的角加速
A２０１４００２１４);华北理工大学博士启动基金资助项目 (
BS２０１７０９４)
河北省高层次人才资助项目 (
收稿日期:２０１９
Ｇ０７
Ｇ２４;修订日期:２０１９
Ｇ１０
Ｇ１５
作者简介:蔡玉强 (
１９６７
Ｇ),男,河北唐山人,博士,教授,主要研究方向:机构学与机械动力学.
７０
imu
l
i
nk
简单验证角度的曲线为正常人体步态参数.角度转化
５)联立
可得踝关节转矩 Ma :
Ma ＝Iaθ a －Tz －MFa ．
图 １ 人体下肢系统组成
图 ２ 人体下肢动力学模型
同理膝关节转矩 Mk 、髋关节转矩 Mh 分别为:
Mk ＝Ikθ k －MFk －MFa ．
Mh ＝Ihθ h －MFh －MFk ．
其中:
θk 为膝关节的角加速度;