留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

下肢康复外骨骼的造型与结构优化设计研究

伍赛 涂细凯 李佳璐 李建 李肖 商巍

伍赛,涂细凯,李佳璐, 等. 下肢康复外骨骼的造型与结构优化设计研究[J]. 机械科学与技术,2020,39(6):891-897 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190170
引用本文: 伍赛,涂细凯,李佳璐, 等. 下肢康复外骨骼的造型与结构优化设计研究[J]. 机械科学与技术,2020,39(6):891-897 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190170
Wu Sai, Tu Xikai, Li Jialu, Li Jian, Li Xiao, Shang Wei. Research on Modeling and Structural Optimization Design of Lower Extremity Rehabilitation Exoskeleton[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(6): 891-897. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190170
Citation: Wu Sai, Tu Xikai, Li Jialu, Li Jian, Li Xiao, Shang Wei. Research on Modeling and Structural Optimization Design of Lower Extremity Rehabilitation Exoskeleton[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(6): 891-897. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190170

下肢康复外骨骼的造型与结构优化设计研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190170
基金项目: 湖北省自然科学基金项目(2018CFB276)与湖北省教育厅科学技术研究项目(Q20181403)资助
详细信息
    作者简介:

    伍赛(1993–),硕士研究生,研究方向为外骨骼的造型与结构设计,747478058@qq.com

    通讯作者:

    涂细凯,讲师,博士,tuixikai@gmail.com

  • 中图分类号: TP242.6

Research on Modeling and Structural Optimization Design of Lower Extremity Rehabilitation Exoskeleton

  • 摘要: 为了满足下肢康复外骨骼造型美观化与结构轻量化的双重要求,提出一种造型设计与结构优化互补的综合设计方法。运用感性工学理论和设计美学原则,归纳出下肢康复外骨骼造型设计的一般特征,并应用于下肢康复外骨骼的造型设计中,然后采用7点标度的语义差异量表挑选造型方案。为了验证造型方案结构的合理性,利用SolidWorks软件对优选方案进行三维建模和有限元分析,同时在不改变优选方案造型轮廓美观性的基础上,使用拓扑优化方法对其进行轻量化设计。最终设计得到的造型方案不论是在造型美观性方面还是结构性能方面都比较突出,表明了该方法的有效性。
  • 图  1  下肢外骨骼造型与结构综合设计流程

    图  2  下肢康复外骨骼

    图  3  下肢外骨骼感性词汇

    图  4  下肢外骨骼方案草图

    图  5  下肢外骨骼三维模型

    图  6  下肢外骨骼工况分析简图

    图  7  下肢康复外骨骼有限元应力分析

    图  8  下肢康复外骨骼有限元位移分析

    图  9  拓扑优化过程

    图  10  最终的下肢康复外骨骼效果图

    表  1  下肢康复外骨骼感性词汇所对应的造型设计特征

    感性词汇造型特征
    科技的 裸露部分或者全部的内部机构,给人产生一种复杂的结构代表了高科技的感觉;机械感强、曲线和直线条搭配使用、倒角等
    安全的 有限位等安全防护措施,没有尖锐的边角,弧面、圆角、形态柔和、结构合理
    简洁的 没有强烈对比的形态和色彩,线条简约、简单的面,简单的色彩搭配
    轻巧的 结构镂空,轻质材料,紧凑小巧
    拟人的 造型、结构仿生,人机协作
    舒适的 符合人机工程,与环境统一,视觉感受良好;在整体和细节设计中采用柔和的大曲面、大曲线、大圆角,曲面流畅
    协调的 整体造型和谐与环境相融合,具有时代感,尺度、比例合理
    专业的 细节处理得当、精致、人性化等
    下载: 导出CSV

    表  2  下肢康复外骨骼方案感性意象评估均值

    方案12345678
    均值0.160.700.57−0.25−0.480.71−0.640.13
    下载: 导出CSV

    表  3  材料力学性能

    材料密度ρ/
    (kg·m–3)
    弹性模量E/GPa泊松
    μ
    屈服强度σs/MPa
    6061-T6铝合金2 700720.33275
    下载: 导出CSV
  • [1] 王秋惠, 魏玉坤, 刘力蒙. 康复机器人研究与应用进展[J]. 包装工程, 2018, 39(18): 83-89

    Wang Q H, Wei Y K, Liu L M. Review of rehabilitation robot on research and application[J]. Packaging Engineering, 2018, 39(18): 83-89 (in Chinese)
    [2] Weber L M, Stein J. The use of robots in stroke reha-bilitation: a narrative review[J]. NeuroRehabilitation, 2018, 43(1): 99-110 doi: 10.3233/NRE-172408
    [3] Moreno J C, Figueiredo J, Pons J L. Exoskeletons for lower-limb rehabilitation[M]//Colombo R, Sanguineti V. Rehabilitation Robotics. Elsevier: Academic Press, 2018: 89-99
    [4] Ghezal M, Guiatni M, Boussioud I, et al. Design and robust control of a 2 DOFs lower limb exoskeleton[C]//Proceedings of 2018 International Conference on Communications and Electrical Engineering. El Oued: IEEE, 2018: 1-6
    [5] Chen B, Zi B, Wang Z Y, et al. Knee exoskeletons for gait rehabilitation and human performance augmentation: a state-of-the-art[J]. Mechanism and Machine Theory, 2019, 134: 499-511 doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2019.01.016
    [6] Zhou L B, Chen W H, Wang J H, et al. A novel precision measuring parallel mechanism for the closed-loop control of a biologically inspired lower limb exoskeleton[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2018, 23(6): 2693-2703 doi: 10.1109/TMECH.2018.2872011
    [7] Khoshdel V, Akbarzadeh A, Naghavi N, et al. sEMG-based impedance control for lower-limb rehabilitation robot[J]. Intelligent Service Robotics, 2018, 11(1): 97-108 doi: 10.1007/s11370-017-0239-4
    [8] 张佳帆. 基于柔性外骨骼人机智能系统基础理论及应用技术研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2009

    Zhang J F. Exoskeleton based man machine intelligent system and its application[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2009 (in Chinese)
    [9] 张素航. 下肢康复外骨骼造型及APP界面设计[D]. 南京: 东南大学, 2017

    Zhang S H. Design of exoskeleton shape and app interface for lower extremity rehabilitation of exoskeleton[D]. Nanjing: Southeast University, 2017 (in Chinese)
    [10] 乔宇, 张立娟, 吕韫琦, 等. 人体下肢康复训练机器人及其造型设计[J]. 北京理工大学学报, 2017, 37(7): 698-703

    Qiao Y, Zhang L J, Lü Y Q, et al. A rehabilitation robot and its industrial design for human lower limb training[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2017, 37(7): 698-703 (in Chinese)
    [11] 唐逵. 基于有限元方法的下肢外骨骼结构优化设计[D]. 成都: 电子科技大学, 2017

    Tang K. Optimized design of structure of lower-limbs exoskeleton based on finite element method[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2017 (in Chinese)
    [12] 刘放, 程文明, 赵南. 基于自由度耦合的携行式外骨骼机械结构有限元分析[J]. 机械设计, 2012, 29(10): 59-62 doi: 10.3969/j.issn.1001-2354.2012.10.014

    Liu F, Cheng W M, Zhao N. Mechanical finite element analysis of the portable exoskeleton based on DOF coupling[J]. Journal of Machine Design, 2012, 29(10): 59-62 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-2354.2012.10.014
    [13] 夏田, 陈宇, 桓茜, 等. 人体下肢动力外骨骼的设计与分析[J]. 机床与液压, 2018, 46(3): 28-32, 111 doi: 10.3969/j.issn.1001-3881.2018.03.008

    Xia T, Chen Y, Huan X, et al. Design and analysis of the human lower limb exoskeleton[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2018, 46(3): 28-32, 111 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-3881.2018.03.008
    [14] 康淑贤, 郝艳华, 黄致建. 汽车轮毂造型设计与结构分析[J]. 机械设计, 2013, 30(12): 32-36 doi: 10.3969/j.issn.1001-2354.2013.12.008

    Kang S X, Hao Y H, Huang Z J. Shape design and structual analysis of automobile wheel hub[J]. Journal of Machine Design, 2013, 30(12): 32-36 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-2354.2013.12.008
    [15] 全国人类工效学标准化技术委员会, 中国标准出版社第四编辑室. 人类工效学标准汇编: 人体测量与生物力学卷[M]. 北京: 中国标准出版社, 2009

    National Ergonomics Standardization Technical Committee, Fourth Room of China Standard Press. Compilation of ergonomic standards[M]. Beijing: China Standard Press, 2009 (in Chinese)
    [16] 邱静, 程洪, 过浩星. 面向康复工程的助行可穿戴外骨骼机器人的人类工效学设计[J]. 计算机科学, 2015, 42(10): 31-34

    Qiu J, Cheng H, Guo H X. Ergonomic considerations in design of wearable exoskeleton to aid walking[J]. Computer Science, 2015, 42(10): 31-34 (in Chinese)
    [17] 孙文贤. 下肢助行外骨骼机器人的人机工程研究与设计[D]. 南京: 东南大学, 2018

    Sun W X. Ergonomics research and design of lower extremity assistance exoskeleton robot[D]. Nanjing: Southeast University, 2018 (in Chinese)
    [18] 刘炯宙, 李基拓, 陆国栋. 色彩语义驱动的产品交互式遗传配色设计[J]. 计算机辅助设计与图形学学报, 2012, 24(5): 669-676 doi: 10.3969/j.issn.1003-9775.2012.05.014

    Liu J Z, Li J T, Lu G D. Color scheme design through color semantic and interactive genetic algorithm[J]. Journal of Computer-Aided Design & Computer Graphics, 2012, 24(5): 669-676 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1003-9775.2012.05.014
    [19] 缪云洁. 新型下肢外骨骼的机构性能设计方法 研究[D].上海: 上海交通大学, 2015

    Miao Y J. Research on the mechanical performance design of an innovative lower extremity exoskeleton[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2015 (in Chinese)
  • 加载中
图(10) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  509
  • HTML全文浏览量:  71
  • PDF下载量:  51
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-08
  • 刊出日期:  2020-06-05

目录

    /

    返回文章
    返回