外骨骼机器人上臂前臂结构设计(3)
外骨骼必须能够准确感测穿着者的活动并做出最佳的反应。它们还必须能够从能量源转换成驱动能量来协助穿着者的活动。
2 外骨骼机器人上臂前臂结构设计
2.1 人体上肢上臂前臂生理结构分析
与其他机器人最大的不同是外骨骼机器人的操作者是真真正正的人类，而不是由机器或电脑来控制。使用者与外骨骼具有真正的身体接触，这就形成了人机一体的系统。因此，外骨骼的拟人化的需要体现在结构上能有一定程度，以模拟人的运动
然而，由于人类上肢的高适应性和高柔韧性，各关节的结构及运动会更加复杂，涉及骨骼肌韧带和其它软组织结构特征和运动。由此我们需要了解一些人体生理结构。
2.1.1 各关节自由度确定
人体上肢包括肩膀、上臂、手肘、前臂、手腕还有手掌。其中上臂通过肩关节连接到躯干，而前臂则通过手肘关节相连到上臂。3个关节点为肩关节、肘关节和腕关节。肩关节具有有2个自由度,而肘关节有2个自由，腕关节有1个自由度。其自由度的分配如图2.1所示
图2.1 自由度分配示意图
(1)肩关节自由度确定
肩部的关节需要协调运动，运动起来也比较复杂，故其有两个方向的自由度，肩关节的屈伸和外展内收。
(2)肘关节自由度确定
根据肘关节的生理结构并结合实际情况可以知道共有两个自由度，分别为肘部的屈伸和前臂的旋转。
(3)腕关节自由度确定
腕关节那里最重要的自由度为腕关节的屈伸运动,也就是只定义为一个自由度。
2.1.2 手臂的长度确定
由于每个人的手臂的长度是不一样的,我们可以通过查询尺寸标准找到一个平均值来确定其长度。
下表是我国的GB10000-88，上面标有人体的尺寸长度。
表2.1人体尺寸标准明细表
百分数
测量
项目
1
5
10
50
90
95
99
上臂长
279
289
294
313
333
338
349
前臂长
206
216
220
237
253
258
268
由表格2.1可知，当上臂长度338mm的时候已覆盖95%的人群，因此初步设定上臂长度为340mm。同样当前臂长度为258mm的时候也覆盖了95%，初步设定前臂的长度为260mm。
2.2 材料选择
生产零件首先要考虑零件的经济性，也就是其本身的生产成本上。我们在设计零件时要力求使用耗费最少的材料。外骨骼机器人手臂材料的选择除满足设计和生产要求外也应考虑以下几个方面：
（1）高强度，高强度材料的机器人手臂不仅可以满足其强度条件，还可以减少手臂的横截面尺寸和减轻重量。
（2）轻重量，外骨骼的重量由穿着者直接承担，这直接影响到佩戴者的舒适性，因此密度低的材料可大大减轻穿着者的负担。
（3）大阻尼，机器人手臂在终止构件的移动之后将余振而不能平稳地停止。从提高定位精度来考虑应该采取一个大的阻尼材料或采取措施来增加阻尼。
机器人常用的材料为碳素钢，合金钢，铝，铝合金等轻合金，纤文增强型陶瓷和材料等。同时，现代钢结构材料的比例下降，为了满足所要求的条件下，铝合金的应用，更多的是镁合金，钛合金和复合材料。