Internal Combustion Engine &Parts
图1单足支撑期七杆结构建模模型
0引言
外骨骼机器人是一种人机一体化的装置，能够穿戴在人们的身上，帮助人们实现防护、支撑以及运动的功能。

将外骨骼机器人穿戴在士兵身上，能够有效提高其越障能力和承载能力，促使士兵单兵作战力有效提高。

目前，国内外相关专家在对下肢外骨骼机器人建模当中忽略了踝关节的重要作用，因此，本文结合以往的研究数据，优化下肢的动力学建模方法，通过研究人体的下肢步态与自由度，实现动力学分析，并实现结构的设计，进而仿真验证。

1人体下肢动力学建模
人类行走的运动是一个相应步态周期，即单足支撑期→双足支撑期→单足支撑期，在总支撑期中，单足支撑期占到步态周期约40%，而双足支撑期占到步态周期约60%。

以往研究当中在对人体的下肢建立模型中，属于五杆机构，但是忽略了踝关节，本文结合踝关节的重要作用，将其优化为七杆结构。

1.1单足支撑期动力学建模针对简化后的七杆结构模型，通过方法对比，适合选择牛顿—欧拉法进行建模。

建模当中坐标系其相应定义与各个杆件实际参数可见图1，其中D-H 相应连杆的扭转角可见表1。

通过对相应杆的质心进行设定，可得到极坐标中相应位置向量，并能求出相应杆的质心与坐标系其原点之间的实际距离。

针对相应公式进行二阶导数的求导，能够获得相应杆质心具体的加速度。

进而得出相应杆的实际角速度与角加速度。

若设定相应杆为i 杆，则其受力分析如图1。

1.2双足支撑期动力学建模结合双足支撑期实际简化得到的连杆模型（如图2），此时的坐标系定义和杆件具体参数可参考单足支撑期相应定义方法。

在双足支撑期相应第一杆到第六杆方程和单足支撑期相应方程是一样的，只需结合相应科学原理与相关数据对第七杆的方程进行确定即可。

通过相应方程就能够得到相应杆实际力矩和与之存在联系的相应力。

之后，按照依次向前的顺序实现各个关节力矩和关节力的科学推导[1]。

下肢外骨骼机器人动力学分析及设计
姜璐;王宇克
（河南科技大学车辆与交通工程学院，洛阳471003）
摘要:目前我国军事在单兵装备方面不断增加与升级，同时士兵自身负担也在不断加重，运动也不再灵活，在身体机能与抵抗力
不断降低的基础上，士兵难以以充足的战斗力参与到战争当中。

因此，本文针对人类下肢的步态与自由度相应特点，结合单足与双足的支撑期实现动力学方面的分析，并建立相应科学的模型，并对人体下肢登台阶当中功率的变化，综合分析各关节相应驱动的方式。

同时结合科学的软件对其实现设计与验证。

关键词:外骨骼；动力学；设计；仿真
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—作者简介:姜璐（1997-），男，山东临沂人，河南科技大学在读本
科，研究方向为车辆工程。

关节关节角变量θi
连杆扭转角αi
0123567
θ1θ2θ3θ4θ5θ6θ7
π-θ1θ2-π/2θ3θ4θ5-θ6π/2-θ7
表1关节扭转角
图2第i 杆的受力分析
2MATLAB 仿真
2.1关节驱动力矩
在人体的下肢动力学相关分析的基础上，通过MATLAB 进行编程与仿真，能够获取各个关节在每一个相应步态周期之内相应驱动力矩。

结合人类临床方面的各种步态相关数据，能够获得每个步态相应周期之内人体的下肢相应关节具体角度所发生的改变，并对其进行离散，之后导入MATLAB 获得相应角度变化的曲线。

由于本文所设计的外下肢外骨骼机器人主要应用在军事领域，所以设计当中设定人体的背部负担有一百公斤重物，结合我国成年人相应人体尺寸，能够获得人体上肢与下肢相应几何尺寸。

结合成年人人体惯性的相关参数，能够获得人体的下肢所有部位实际的惯性参数和质心位置。

在对人体的步态进行分析的时候，只需要分析人体下肢其中一条腿相应步态周期之内的相关活动。

将一只腿运动的初始状态设定为支撑期，通过MATLAB 并结合相应科学公式实现编程，之后就能够获得一个步态相应周期之内各个关节其驱动力矩的曲线。

2.2关节功率
实现对需要驱动的相应关节进行确定，首先要对相应步态周期之内各个关节实际功率变化情况进行有效计算，通过公式P i =τi ·ωi 能够获得相应步态周期之内各个关节实际平均功率，即：P ave
i =
10
∫τi
·ωi
dt 。

结合一个完整的步
态周期之内各个关节相应功率实际变化曲线，可以发现在功率是正的时候，此时关节需要相应驱动器为其提供一定的能量，在功率是负的情况下，此时关节处于向外趋势，会向外界实现能量的释放。

在一个完整的步态周期内，各个关节相应平均功率是：髋关节为-200.13W ；膝关节为93.79W ；踝关节为42.58W 。

基于相应平均功率，能够得出一个完整的步态周期之内，驱动功率需求最大的是膝关节，其次就是踝关节，在人体髋关节对驱动功率的需求是0，此关节只需要利用自身吸收的相关能量就能实现行走运动。

因此，在下肢外骨骼机器人动力学分析当中需要关注踝关节的相关作用，不能忽视其进行建模，而优化之后的七杆机构能够更全面地反应人们步行过程中各个关节实际力矩以及功率改变。

在登台阶的相应研究中，发现此时踝关节与髋关节需求能量比较小，而膝关节需求能量就比较多。

并通过研究与分析得出，驱动器施加在各个关节处，会对相应骨骼增加额外的重量压力，所以，在前期的研究当中只需要将驱动器加置在膝关节处[2]。

3下肢外骨骼机器人结构设计3.1人体下肢关节分析和关节设计实现下肢外骨骼机器人的结构设计，就要求设计的运动要和人体实际下肢运动存在高度一致性，基于此，就要着重对人体下肢相应运动特点进行深入分析。

通过对人体下肢髋关节、膝关节以及踝关节的相关运动进行分析，发
现人体下肢理想的自由度有十四个。

在髋关节的设计中，结合髋关节实际运动相应自由度的转动轴，要和人体主要的自由度相应转动轴相重合。

相应髋关节其屈伸运动，要能够使下肢外骨骼机器人实现迈脚这一功能动作的完成，在旋转运动与外摆内合的动作当中能够保持平衡，同时还能实现行走方向的改变。

并结合上述分析，在髋关节进行结构设计当中不需要进行驱动的添加。

针对膝关节的设计，由于膝关节具有复杂性和完善性，并且属于下肢活动枢纽，负重较多并且相应运动量也大，所以对膝关节进行相应屈伸自由度的设计，并在此处安装相应的驱动器。

针对踝关节的设计，要确保其关节运动模式与人类的踝关节实际运动具有高度一致性。

基于人体踝关节相应运动模式并未在步行运动中占据突出地位，而且其扭动幅度也较小，所以在设计当中只需要实现2个自由度的保留，并且此处也不需要实现驱动器的添加。

3.2平地行走过程中膝关节液压缸驱动力
在上文动力学的仿真当中得出相应关节对驱动力矩的实际需求，结合设计当中液压缸相应尺寸和外骨骼在大、小腿之上相应安装的尺寸，能够对膝关节相应液压缸输出力进行大小的计算，并对液压缸进行简化安装。

并通过相关公式获得液压缸实际输出力相应曲线和膝关节的液压缸实际位置相关曲线，能够发现不管腿的左右，实际活塞运动其幅度最大时刻均属于摆动期内，并且液压缸需求实现最大输出力予以提供的相应时刻也均在支撑期之内。

因此，在之后的算法研究当中，既要动态控制液压缸其位置，又要通过传感器的安装，实现液压缸相应输出力实际大小的采集。

同时和仿真实验当中相应曲线进行比较，确保相应差值能够对下肢外骨骼机器人实际辅助作用进行体现。

最后，将样机模型与相应曲线导入到ADAMS 当中来进行仿真，验证相应力矩具有正确性，基本符合人体实际行走相应关节其角度特性[3]。

4结束语
人的下肢运动具有可重复、约束性和周期性特点，还包含各种标准运动。

在下肢外骨骼机器人研究设计当中，最主要的评定指标与模拟目标就是下肢平地行走。

结合其相应特点，优化了以往建立的模型，实现七杆模型的改进建立，并在此基础上通过相关科学理论进行建模，并利用先进软件进行仿真验证，实现对外骨骼机器人动力学的有效分析和设计。

参考文献:[1]靳兴来，朱世强，张学群，等.液压驱动下肢助力外骨骼机器人膝关节结构设计及试验[J].农业工程学报，2017，33（5）：26-31.
[2]徐元杰.下肢外骨骼机器人运动失稳机理及控制策略的研究[D].新疆大学，2017，12（33）：122.[3]郭伟，杨丛为，邓静，等.外骨骼机器人系统中人体下肢关节力矩动态解算[J].机械与电子，2015（10）：71-75.。