具有多个旋转关节间隙的仿生人形腿部机制的非线性动态行为与运动学关节磨损特性 王一林（Yilin Wang）、 郑思远（Siyuan Zheng）、 魏伊然（Yiran Wei）、 朱建诺（Jianuo Zhu）、 江帅（Shuai Jiang） 和 周书桐（Shutong Zhou）

《Lubricants》：Nonlinear Dynamic Behavior and Kinematic Joint Wear Characteristics of a Bionic Humanoid Leg Mechanism with Multiple Revolute Joint Clearances Yilin Wang, Siyuan Zheng, Yiran Wei, Jianuo Zhu, Shuai Jiang and Shutong Zhou

　　

摘要

随着外骨骼技术和康复机器人的快速发展，现代医疗保健对医疗设备的高动态精度和可靠性提出了更高的要求。然而，机械系统的动态响应和耐用性受到运动关节中不可避免的存在间隙的影响。现有的研究主要集中在简化的平面或空间机构上，对于医疗应用中的复杂机械结构提供的指导有限。为了解决这个问题，本研究提出了一种统一的建模框架，用于探讨包含旋转关节间隙的仿生人形刚性机构的非线性动态行为和磨损特性。建立了一个考虑旋转关节间隙的动态模型，该模型采用了Lankarani–Nikravesh接触模型和改进的库仑摩擦方法来描述接触行为。为了描述轴与轴套之间的磨损过程，使用了Archard磨损模型，而系统的动态方程则是通过拉格朗日乘子方法建立的。通过系统仿真，研究了间隙大小、位置以及多间隙耦合对动态响应和磨损行为的影响。结果表明，髋关节处的间隙对系统性能的影响最为显著，胫股关节间隙会加剧精度误差，足部末端的间隙会显著降低系统的稳健性。间隙大小的增加以及多个间隙的共存会加剧磨损并导致更严重的非线性动态现象。相位图和庞加莱映射进一步表明，在某些条件下，系统可能会表现出复杂或混沌的行为。本研究为人形机器人中存在关节间隙时的性能退化机制提供了理论见解，并引入了一种模块化的“驱动-中间-末端”结构，增强了模型的通用性，使其能够应用于外骨骼和康复设备中，以实现设计优化、寿命预测和健康监测。