模块化外骨骼机器人设计方法

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外骨骼机器人-般定义为节肢动物体外的骨架或者支撑机构 。国内外学者 已经展开了很多相关研究，如加州伯克利大学研制的 BLEEX、瑞士苏瑞士联邦工业大学研制的 Lokomat机器人、瑞士 HO-COMA公司研制的床式外骨骼康复系统。但是这些外骨骼机器人大都体积巨大、价格昂贵和功能单-。 人的体貌千差万别，功能需求也是各不相同。

拈化旨在将产品设计成为由彼此分离的拈够成，很多学者对此做出了研究。拈化产品可以得到多方面的优势，如装配拆卸的简化、方便的维护服务、易于扩展功能和易于零部件的循环再利用。

Ulrich和 Tung[1 提出拈化是设计中重要的趋势，并且给出了拈设计中的-些准则。拈化研究主目前主要集中于 2个方面[2]：功能方面，主要针对产品功能的可升级能力、同簇产品功能多样化和顾客定制化；全生命周期设计，使得产品后期易于维护服务、使得某些拈得以循环再利用等。其中，基于功能的拈化设计更适用于原创设计，即没有形成设计标准的产品设计；而全生命周期设计更适用于产品已经形成既定标准，且大批量生产广泛应用 的产品设计↑ 1O年来，全生命周期设计广受关注，许多学者对其进行了研究并且将此方法应用到了很多产品2 ]，包括吸尘器、汽车空调系统、汽车底盘和发动机。而对于普通的针对功能的原始设计的拈化则研究甚少。这部分由于初始设计时各种参数、要求极其约束往往不能完全得出，且各种产品的功能干差万别，难以形成-个公用的拈化设计方法。

而初始设计隶属于概念设计阶段，概念设计对于产品功能成本具有决定性的作用，因此，应当对于原创设计中的拈化设计给予更深入的研究。

《机械与电子)2013(6)人Kusiak Chow算法可以迅速减少迭代次数，从而减少在初始设计时的成本。

l 3 5 7 9 B 4 6 8 A C F G 2 D El 2 1 l 13 l 2 2 l5 l 2 2 27 l 2 2 29 2 2 2B 2 2 l l 14 l 2 2 l6 1 1 2 2 2 28 l 2 2 22 2 2 2 AC 2 2 lF 1 1 2 2G 2 22 2D 22 E图4 运算结果4 拈化优 化设计4.1 拈化评估准则根据关联矩阵拈化的结果，可以清晰地将外骨骼机器人划分成为几个拈，结果如表 1所示。

表 1 外骨骼机器人拈化结果拈化程度及其有效度需要评估。根据拈化设计的2个基本准则：拈内部的零部件间的关联应该足够大；拈之间的零部件的关联尽量猩得 2个量化评估公式为：M M ∑∑C(i， )CM -CN -M N∑∑C(i， )i竺 1 J 1M ⅣM∑∑C(i， )i 1 i 1≥ P (1)≤ Q (2)∑∑C(i， ) 1 J1M 为拈中零部件的数目；N为机构中零部件的总数目；C(i， )为 i和J 2个零部件之间的关联数值；CM 为拈内部的关联值加权与拈内零部件· 64 ·总的关联值和的比值，其理想值为 1，如果拈化有效其应该大于-个下限值 P；CN 为拈间零部件的关联值与拈内零部件的关联值总和，其理想值为 0，拈化有效时其比值应该小于上限值 Q。

P和Q由设计者根据拈化程度的具体要求来确定。运用式(1)来评估 3个拈的拈化程度，其中，P设为 0.8，得到 CM1-0.84，CM2-0.88，C -0.8，均大于下限值 P，所以拈化是有效的。

4.2 拈化设计根据拈化的结果，得出优化后的外骨骼机器人拈构成如表 2所示。

表 2 外骨骼机器人拈构成名称 拈 名称 拈驱动部分 1 髋关节电机 膝关节传动 拈2驱动部分 2 膝关节电机 人机接口1 髋关节护具 14髋关节传动 拈 1 人机接口2 拈 3两关节连结 运动传递件 13根据这些结果，提出以下优化策略：a.对于拈化的零部件统-设计，提供多种构型选择 ，从而可实现功能拓展和多功能化。

c.拈基体为拈的承载体，拥有和拈间良好的接口，重构过程中基体不变，通过拈的更替实现功能拓展以及良好的后期维护性。

4.2.1 电机的选择经过计算，驱动源应能提供持续大于 6O N·m的扭矩〖虑到髋关节和膝关节及踝关节的扭矩要求差距 ，选择 2种型号的电机 ，EC-4pole 100 W 大扭矩输出作为髋关节驱动电机，EC-4pole 120 W中扭矩输出作为膝关节和踝关节的电机。

4.2.2 关节传动机构优化设计原设计中采用了曲柄滑块传动机构，其精度可靠，易于装配。但是零件较多，设计复杂且体积庞大。优化设计旨在解决上述缺点，采用行星轮减速箱加锥齿轮的设计方法，设计如图5所示。

减速箱选择 Maxon行星轮减速箱。锥齿轮由强度计算得出，在此不赘述。输出轴可以由联轴器或轴套和输入轴相连，另外前后设计了固定孔，以便和其他拈或者拈基体迅速便捷的连接。