RecurDyn 成功案例：基于人体建模的可穿戴机器人设计与仿真

图1 可穿戴机器人

• 研究产品: 穿戴机器人 (Wearble Robot)

• 仿真目的: 构建人体和可穿戴机器人的动态模型，以验证设计产品的耐受性，并验证控制模型

 

事实上，构建人体动力学模型来设计人体穿戴机器人的动态模型至关重要。此外，人体模型和可穿戴机器人配对后，根据人的行为预测机器人执行器所需的扭矩，并预测各关节的ROM（运动范围），检查机器人是否可以在各种情况下实现所有必要的姿势。最后，通过控制执行器模型和动力学模型的耦合仿真确认了控制器的性能。

┃仿真过程

①获取人体运动测量数据、人体程序、创建人体模型和输入运动数据的“Bio-motion”

②将生成的人体模型导入 RecurDyn，然后实现动力学模型

③利用衬套将人体与穿戴机器人相结合，仿真人体的动态行为

*获取可穿戴机器人运动结果

④地面反作用力（GRF）和可穿戴机器人运动数据输入后的动力学分析

⑤获取可穿戴机器人执行器所需的扭矩数据和机器人关节容许角度（ROM）

⑥利用可穿戴机器人执行器的位移和速度数据构建控制联动模型，并进行联合仿真

             

 

图2 人体模型的创建

 

┃关键分析技术

• 利用RecurDyn/Bio-motion创建人体动力学模型

• 人体和可穿戴机器人通过皮带连接以及动力学建模

• 使用 ProcessNet进行定制应用后处理和各种人体运动测量数据

• 动力学模型和Simulink控制联合仿真

 

┃RecurDyn工具包

• RecurDyn/Professional
• RecurDyn xSimulink Co-simulation (RecurDyn/Control) or CoLink
• ProcessNet

 

┃面临的工程问题

• 在验证阶段难以预测测试中的破损而带来的时间和金钱的损失

• 直接佩戴样机具有一定危险性

• 修改设计变量（设计、执行器容量和允许的运动角度）带来重复过度的实验时间和成本

• 需要通过各项人体模型身体外观对穿戴机器人进行验证

 

┃解决放案

• 使用人体模型构建动力学模型，以验证每个关节的扭矩载荷

• 使用逼真的、多样化的人体模型进行仿真

• 通过在虚拟环境中验证执行器容量、运动允许角度等来降低样机设计成本

 

                                  由 LIGNex1 提供 .

图3 利用RecurDyn开发中的可穿戴机器人

 

┃仿真结果

• 在RecurDyn中导入“考虑各关节上加载力矩执行器”的人体模型，建立动力学模型

• 预测机器人构建动力学模型所需的扭矩和关节运动范围，并在此基础上得到执行器驱动范围

 

┃其他应用场景

图4 可穿戴机器人-RecurDyn

 

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• 防止机器人摔倒的控制器设计
• 选择机器人驱动所需的电机容量

图5 上阶梯的机器人