AnyBody 应用案例
外骨骼型机器人
① 概要
外骨骼型机器人,是使用被安装的电动执行机构充当人体动力的外骨骼型装置,应用于康复、护理、重负载的运输等领域。
但是在开发阶段,存在几个设计课题。
对上述设计课题的一部分举例,把AnyBody模型化做支援下肢的关节弯曲伸展动作,作为外骨骼型机器人的目的。评价用软件提供的步行样品模型,研究装置的使用与否,下肢的肌肉活动和动员(肌肉的用法)是如何变化的。
数据 :
・ 步行周期=1.2秒
・ 被试验者的体重=65kg
・ 身高:170cm
・ 重力=9.81m/s2
② 外骨骼型机器人的模型化
■ 地板反力
这个模型中,进行被试验者的步行运动捕捉,同时测定地板反力。
但是,因为人体模型内安装机器人的话,人体-机器人模型的重量增加,所以样品步行模型的地板反力值是不妥当的,不能使用。
可使用"GRFPrediction"的AnyBody地板反力推测功能作为
■ 机器人
机器人,在7级别上单纯地定义,作为12kg质量分配给这些区段。
另外,作为结合条件,使不约束人体模型腿的外展/外旋的动作定义了接缝。
骨关节:ball joint
膝盖:回转节
脚踝:ball joint
机器人的动作,因为作为分析的输入条件需要输入,所以有必要对人体模型的步行跟随动作定义约束条件。
■ 机器人的运作能力
作为机器人的运作能力,在机器人的接缝处,附加工作扭矩。
为了确定扭矩,人体模型安装一旦输出无效的机器人,进行逆动力学分析。(图1)
从逆动力学分析的解析结果,能够得到考虑机器人质量的情况下的人体关节扭矩。(图2)
作为工作扭矩,适用机器人接缝分析的人体关节扭矩的时间关系曲线图。(图3 )
② 结果
右侧的图是正常人在不安装机器人的通常步行(图4)和安装机器人(图5)的情况下,右脚全筋的有效质量的对比结果。
首先,明白整体的筋有效质量减少,最大值从38%下降到15%。并且,整体的肌肉动员模式发生变化,主要的活动部位不是腓肠肌,腓骨肌成为主要部分。另外,图5图表在2.4~2.6秒的时间内,通过机器人的影响,几乎没有肌肉的活动。
图表虽没表示,但可以看出关节反力也下降的结果。
图5为机器人的理想支持状态的分析。不过,右脚的筋有效质量也没有完全成为零。那是因为脚关节的外展/外旋的支援。为了一些共同的筋,为这些动作需要,筋有效质量残留。
③ 总结
有了关节支援图形,来推测肌肉动员(肌肉的用法)和肌活动量(或人体的反应)就变成了可能。有助于以下AnyBody特征的分析:
・模型化的自由
・冗余系统的无缝对应
・被验证的地板反力推测功能
・大量人体模型验证研究计算时间较短
接着,外骨骼型机器人的设计课题要活用,以下分析在AnyBody中双方也将被考虑。
・机器人/人体的界面更现实的模型化
・机器人运作力量模式可利用的技术配合设定
・不同模式的解析支持
・肌肉缺损时的解析(残疾人)
・步行以外的动作种类的解析
・不同个体群的解析