[发明专利]一种下肢外骨骼机器人助力系统的设计方法

说明书

本发明公开了一种下肢外骨骼机器人助力系统的设计方法，特点是包括以下步骤：确定初始大腿助力部件的尺寸和形状；建立初始大腿助力部件的三维模型；对初始大腿助力部件的三维模型进行有限元分析；选取优化部位，根据优化目标和约束条件对初始大腿助力部件进行优化处理；根据有限元分析判断优化后的大腿助力部件是否满足强度要求，确定最优优化方案；优点是本发明提出先对大腿助力部件进行选型分析与设计，然后利用有限元方法对大腿助力部件进行结构优化分析，在满足强度要求的前提下，根据有限元分析结果对大腿助力部件进行减重优化处理，不但减轻了下肢外骨骼机器人的重量，而且提高了穿戴者的穿戴舒适性。

技术领域

本发明涉及机器人设计领域，尤其是一种下肢外骨骼机器人助力系统的设计方法。

背景技术

下肢助力外骨骼机器人是一种供人穿戴的人机一体化机械装置，将人的智力和机器人的体力结合在一起，属于人机协同机器人，具有广泛的应用前景。下肢助力外骨骼机器人适用于穿戴者具有主观的运动意图，但运动能力衰退或失去运动能力的情况，此时下肢外骨骼机器人对人体关节的转动起一定辅助作用，或穿戴者完全依靠下肢外骨骼机器人带动人体运动，例如助老助残或进行康复训练等。

下肢助力外骨骼机器人的关键零部件是大腿助力部件，要求既要保障人体工程学，又要保证轻便以及强度要求。现有的下肢外骨骼机器人的大腿助力部件存在满足强度要求但在重量上不符合要求的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种下肢外骨骼机器人助力系统的设计方法，不但能满足强度要求，而且能满足轻便要求。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种下肢外骨骼机器人助力系统的设计方法，包括以下步骤：

确定尺寸和形状：选取大腿助力部件进行优化设计，并确定初始大腿助力部件的尺寸和形状；

建立三维模型：根据步骤中确定的初始大腿助力部件的尺寸和形状，利用三维设计软件建立初始大腿助力部件的三维模型；

进行有限元分析：将步骤中建立的初始大腿助力部件的三维模型导入有限元分析软件中，对初始大腿助力部件进行约束加载以及载荷加载，得到初始大腿助力部件应力、应变以及变形量分布图；

进行优化处理：选择步骤中得到的应力、应变以及变形量分布图中变形量小或者没有变形的其中一个部位作为优化部位，定义优化目标和约束条件，根据优化目标和约束条件对初始大腿助力部件的优化部位进行优化处理，得到优化后的大腿助力部件；

确定最优优化方案：利用三维设计软件建立优化后的大腿助力部件的三维模型，将优化后的大腿助力部件的三维模型导入有限元分析软件中进行约束加载以及载荷加载，根据有限元分析判断优化后的大腿助力部件是否满足强度要求，若满足，则该方案为最优优化方案；若不满足，则返回步骤修改优化部位进行优化处理，直至满足强度要求，得到最优优化方案，完成下肢外骨骼机器人助力系统的设计。

所述的初始大腿助力部件的尺寸和形状是根据所选材料的抗拉强度和弯曲强度以及大腿助力部件在连接处所受的径向力和垂直于大腿接触面受到的推力来确定。

所述的所选材料为碳纤维材料。

所述的大腿助力部件包括左大腿连杆和右大腿连杆。

所述的步骤中的优化目标为减轻初始大腿助力部件的重量。

所述的优化目标为减轻初始大腿助力部件的重量的10%。

所述的步骤中的约束条件为保持形状基本不变。

所述的步骤中的优化处理的具体方式为在优化部位开弧形槽或挖取圆孔。

所述的步骤中强度要求为变形量小于1mm且没有应力集中现象。