圖1 可穿戴機(jī)器人

• 研究產(chǎn)品: 穿戴機(jī)器人 (Wearble Robot)

• 仿真目的: 構(gòu)建人體和可穿戴機(jī)器人的動態(tài)模型，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)產(chǎn)品的耐受性，并驗(yàn)證控制模型

 

事實(shí)上，構(gòu)建人體動力學(xué)模型來設(shè)計(jì)人體穿戴機(jī)器人的動態(tài)模型至關(guān)重要。此外，人體模型和可穿戴機(jī)器人配對后，根據(jù)人的行為預(yù)測機(jī)器人執(zhí)行器所需的扭矩，并預(yù)測各關(guān)節(jié)的ROM（運(yùn)動范圍），檢查機(jī)器人是否可以在各種情況下實(shí)現(xiàn)所有必要的姿勢。最后，通過控制執(zhí)行器模型和動力學(xué)模型的耦合仿真確認(rèn)了控制器的性能。

┃仿真過程

①獲取人體運(yùn)動測量數(shù)據(jù)、人體程序、創(chuàng)建人體模型和輸入運(yùn)動數(shù)據(jù)的“Bio-motion”

②將生成的人體模型導(dǎo)入 RecurDyn，然后實(shí)現(xiàn)動力學(xué)模型

③利用襯套將人體與穿戴機(jī)器人相結(jié)合，仿真人體的動態(tài)行為

*獲取可穿戴機(jī)器人運(yùn)動結(jié)果

④地面反作用力（GRF）和可穿戴機(jī)器人運(yùn)動數(shù)據(jù)輸入后的動力學(xué)分析

⑤獲取可穿戴機(jī)器人執(zhí)行器所需的扭矩?cái)?shù)據(jù)和機(jī)器人關(guān)節(jié)容許角度（ROM）

⑥利用可穿戴機(jī)器人執(zhí)行器的位移和速度數(shù)據(jù)構(gòu)建控制聯(lián)動模型，并進(jìn)行聯(lián)合仿真

             

 

圖2 人體模型的創(chuàng)建

 

┃關(guān)鍵分析技術(shù)

• 利用RecurDyn/Bio-motion創(chuàng)建人體動力學(xué)模型

• 人體和可穿戴機(jī)器人通過皮帶連接以及動力學(xué)建模

• 使用 ProcessNet進(jìn)行定制應(yīng)用后處理和各種人體運(yùn)動測量數(shù)據(jù)

• 動力學(xué)模型和Simulink控制聯(lián)合仿真

 

┃RecurDyn工具包

• RecurDyn/Professional
• RecurDyn xSimulink Co-simulation (RecurDyn/Control) or CoLink
• ProcessNet

 

┃面臨的工程問題

• 在驗(yàn)證階段難以預(yù)測測試中的破損而帶來的時間和金錢的損失

• 直接佩戴樣機(jī)具有一定危險(xiǎn)性

• 修改設(shè)計(jì)變量（設(shè)計(jì)、執(zhí)行器容量和允許的運(yùn)動角度）帶來重復(fù)過度的實(shí)驗(yàn)時間和成本

• 需要通過各項(xiàng)人體模型身體外觀對穿戴機(jī)器人進(jìn)行驗(yàn)證

 

┃解決放案

• 使用人體模型構(gòu)建動力學(xué)模型，以驗(yàn)證每個關(guān)節(jié)的扭矩載荷

• 使用逼真的、多樣化的人體模型進(jìn)行仿真

• 通過在虛擬環(huán)境中驗(yàn)證執(zhí)行器容量、運(yùn)動允許角度等來降低樣機(jī)設(shè)計(jì)成本

 

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圖3 利用RecurDyn開發(fā)中的可穿戴機(jī)器人

 

┃仿真結(jié)果

• 在RecurDyn中導(dǎo)入“考慮各關(guān)節(jié)上加載力矩執(zhí)行器”的人體模型，建立動力學(xué)模型

• 預(yù)測機(jī)器人構(gòu)建動力學(xué)模型所需的扭矩和關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍，并在此基礎(chǔ)上得到執(zhí)行器驅(qū)動范圍

 

┃其他應(yīng)用場景

圖4 可穿戴機(jī)器人-RecurDyn

 

? 上階梯的機(jī)器人仿真

• 防止機(jī)器人摔倒的控制器設(shè)計(jì)
• 選擇機(jī)器人驅(qū)動所需的電機(jī)容量

圖5 上階梯的機(jī)器人