负重外骨骼机器人液压驱动系统的初步设计

　　引言

　　负重外骨骼机器人由于能帮助人类承载重物、减轻人们的体能消耗，所以已成为目前学术界的一项研究热点。它将人的灵活性、机动性、智能性与机器强壮性完美地结合为一体。在军用方面它不仅能提高士兵的承载能力，还能提高士兵的行军速度，使士兵能够负重长途跋涉于车辆无法通过的地方; 在民用方面它也具有广阔的应用前景: 抗险救灾、建筑施工、作为下肢失调者的训练器及辅助行走装置等。因此，研制负重外骨骼机器人具有非常重要的现实意义。

　　目前，国外外骨骼机器人研制比较成功的有美国伯克力末端外骨骼机器人 BLEEX 和日本筑波大学的混合辅助腿HAL。二者的最大区别是它们采用的驱动方式不同，BLEEX 采用液压驱动，而HAL 采用电机驱动。与电机驱动方式相比，液压驱动承载能力大且易于小型化，而且具有缓冲功能，因此液压驱动在负重外骨骼机器人驱动系统中有着更为广阔的应用前景。负重外骨骼机器人液压驱动系统在国外已经研制成功，但在国内由于起步较晚，目前还处于探索阶段[2 -3]。本文拟借助 ADAMS 软件，对负重外骨骼机器人进行运动学动力学仿真，并在此基础上初步设计了负重外骨骼机器人的液压驱动系统，这为负重外骨骼机器人液压系统的深化设计以及人机协调性控制研究奠定了理论基础。

　　1 负重外骨骼机器人的工作原理及动力学模型

　　1. 1 负重外骨骼机器人的工作原理

　　负重外骨骼机器人是一种可穿戴式随动系统，它工作时必须与人体运动相配合。它帮助人类承受负重的力学原理与人类通过骨骼肌肉承载的机理相似[4]。

　　其力学模型如图1 所示。

　　分析骨骼肌承载力学原理，设计出负重外骨骼机器人结构原理图，如图2 所示。

　　其工作原理为: 由传感器采集脚底压力和身体位置信息，然后将采集到的数据信号传输到板载计算机中进行识别，并判断出肢体的预动作，随后发出指令，驱动液压缸动作，使机器人肢节作出相应的动作，从而使它与人类肢体的动作同步、协调，同时承担背囊等携行具的重量，其工作流程如图3 所示。

　　1. 2 负重外骨骼机器人动力学模型

　　本文用实体造型软件SolidWorks 建立了负重外骨骼机器人机械结构部分和人体的三维几何模型，并将它们装配成一体，然后将装配体模型导入到ADAMS软件中，给各零部件指定材料等属性，并添加约束和载荷。负重外骨骼机器人的动力学模型如图4 所示。

　　2 负重外骨骼机器人液压系统的初步设计