單兵裝甲下肢外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)與仿真分析

晁智強(qiáng)， 王 飛, 2， 張傳清， 韓壽松

(1. 裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京 100072； 2. 66336部隊(duì)， 河北 高碑店 074000)

單兵裝甲下肢外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)與仿真分析

晁智強(qiáng)1， 王 飛1, 2， 張傳清1， 韓壽松1

(1. 裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京 100072； 2. 66336部隊(duì)， 河北 高碑店 074000)

設(shè)計(jì)了一種針對(duì)軍事用途的單兵裝甲下肢外骨骼機(jī)器人(Individual Soldier Armored Lower Extremity Exoskeleton, ISALEE)，發(fā)揮人與機(jī)械各自?xún)?yōu)勢(shì)，提高士兵在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中的承載能力。通過(guò)建立5連桿模型，對(duì)人體行走步態(tài)及下肢自由度進(jìn)行了分析。利用零力矩點(diǎn)(Zero Moment Point, ZMP)穩(wěn)定判據(jù)，分析單兵裝甲下肢外骨骼的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，并對(duì)步態(tài)進(jìn)行規(guī)劃。最后利用CAD軟件Solidworks和動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS對(duì)單兵裝甲下肢外骨骼進(jìn)行虛擬樣機(jī)建模和仿真。仿真結(jié)果驗(yàn)證了利用ADAMS虛擬樣機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，并為液壓驅(qū)動(dòng)元件的選型和減小膝關(guān)節(jié)負(fù)載壓力的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

下肢外骨骼； 零力矩點(diǎn)； 步態(tài)規(guī)劃； 仿真

單兵裝甲機(jī)器人是仿人機(jī)器人的一個(gè)特殊應(yīng)用，使用時(shí)“穿”在人體外側(cè)，構(gòu)成一套人體的“外骨骼”系統(tǒng)。單兵裝甲機(jī)器人可增強(qiáng)人的體能，提供裝甲防護(hù)，可應(yīng)用于環(huán)境狹小、惡劣，不便于重型機(jī)械展開(kāi)而不得不需要人力完成的各種作戰(zhàn)、修筑、運(yùn)輸或搶險(xiǎn)救災(zāi)等場(chǎng)所。從軍用角度進(jìn)行分析，單兵裝甲機(jī)器人的應(yīng)用將會(huì)十分廣泛[1]。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的下肢外骨骼(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton, BLEEX)是世界上首個(gè)可實(shí)際應(yīng)用的智能負(fù)載外骨骼機(jī)器人；雷神公司研制的第2代外骨骼裝置Exoskeleton-2(XOS-2)因其強(qiáng)大的負(fù)載能力和動(dòng)力而聞名。國(guó)內(nèi)對(duì)下肢外骨骼的研究單位主要有浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等[2-5]，但仍處于理論研究和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)階段，并未投入實(shí)際應(yīng)用。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究主要集中在如何增強(qiáng)穿戴者的力量，而對(duì)于降低外骨骼能耗和穿戴者膝關(guān)節(jié)負(fù)載方面的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。BLEEX由于其能耗大，穿戴者長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)導(dǎo)致膝蓋不舒服，因此未獲得進(jìn)一步資助；XOS-2也因自帶電池僅能使用40 min，導(dǎo)致其始終離不開(kāi)地面供電，至今未能投入使用。因此，在當(dāng)前便攜電源續(xù)航技術(shù)發(fā)展遇到瓶頸的情況下，如何能夠降低能耗是決定外骨骼能否更好地投入實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用的重要因素。Grifn等[6]研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)外骨骼負(fù)載增加40%時(shí)，踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩峰值分別增加38%、98%和47%。由此可見(jiàn)：提高外骨骼膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)能力或降低膝關(guān)節(jié)的負(fù)載，能更大程度地減小負(fù)載對(duì)穿戴者的作用力，進(jìn)而保護(hù)人體下肢較為脆弱的膝關(guān)節(jié)，更有效地降低外骨骼能耗。

筆者根據(jù)人體構(gòu)造設(shè)計(jì)出單兵裝甲下肢外骨骼簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)，分析自由度驅(qū)動(dòng)分配方案，運(yùn)用零力矩點(diǎn)(Zero Moment Point)穩(wěn)定判據(jù)進(jìn)行外骨骼步態(tài)穩(wěn)定控制[7]，利用CAD軟件Solidworks和動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS對(duì)外骨骼步態(tài)周期進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，并對(duì)不同抬腿高度H下膝關(guān)節(jié)力矩曲線(xiàn)進(jìn)行分析，以期通過(guò)合理配置各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力和改變穿戴者行走步態(tài)達(dá)到降低外骨骼能耗的目的。

1 人體行走步態(tài)及驅(qū)動(dòng)分析

由于下肢外骨骼需要與人同幅度動(dòng)作行走，因此對(duì)下肢外骨骼的研究必須從研究人的步態(tài)開(kāi)始。

1.1 步態(tài)周期

步態(tài)指的是人在行走過(guò)程中肢體的協(xié)調(diào)關(guān)系[8]。人正常行走的過(guò)程通常發(fā)生在矢狀面，圖1以5連桿模型表示一個(gè)完整的步態(tài)周期[9]。

圖1 人體下肢步態(tài)周期

這里以左腳為參考腳，從左腳尖離開(kāi)地面開(kāi)始，到左腳尖再次離開(kāi)地面結(jié)束為一個(gè)完整的步態(tài)周期。整個(gè)步態(tài)周期可分為擺動(dòng)相(swing phase)和支撐相(stance phase)，其中：左腳從腳尖離開(kāi)地面到腳跟接觸地面為擺動(dòng)相，約占步態(tài)周期的40%；左腳從腳跟接觸地面到腳尖離開(kāi)地面為支撐相，約占步態(tài)周期的60%。此外，根據(jù)兩條腿相互之間的姿態(tài)，整個(gè)步態(tài)周期又可以分為單腳支撐期和雙腳支撐期。

1.2 自由度及驅(qū)動(dòng)分析

人體下肢運(yùn)動(dòng)主要依靠髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，雙腿共有12個(gè)自由度。髖關(guān)節(jié)是一個(gè)典型的球窩關(guān)節(jié)，具有伸/屈、內(nèi)收/外展和旋內(nèi)/旋外3個(gè)自由度；膝關(guān)節(jié)是一個(gè)髁狀關(guān)節(jié)，能進(jìn)行前屈運(yùn)動(dòng)和小范圍的轉(zhuǎn)動(dòng)，通常忽視膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)自由度，將其視為具有1個(gè)前屈自由度；踝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍較小，通常具有伸/屈和內(nèi)收/外展2個(gè)自由度。在考慮可操作性的同時(shí)，應(yīng)使外骨骼機(jī)器人盡量模擬人體下肢自由度的分配，在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)設(shè)置驅(qū)動(dòng)，以使大腿和小腿實(shí)現(xiàn)抬起并邁步。臨床步態(tài)分析(Clinical Gait Analysis, CGA)研究提供的數(shù)據(jù)表明：人類(lèi)在行走、下蹲、登臺(tái)階和大多數(shù)運(yùn)動(dòng)中，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)在矢狀面釋放大部分力量。因此，筆者采取了髖、膝、踝關(guān)節(jié)伸/屈自由度的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)方案,由于所需驅(qū)動(dòng)力矩較大，因此筆者采用液壓驅(qū)動(dòng)元件。另外，髖關(guān)節(jié)的內(nèi)收/外展自由度提供側(cè)向平衡力，所需驅(qū)動(dòng)力矩較小，但對(duì)安裝空間要求較高，液壓驅(qū)動(dòng)元件很難安裝，因此筆者采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。考慮到節(jié)能，由于髖關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)自由度以及踝關(guān)節(jié)的內(nèi)收/外展自由度耗能很小，無(wú)需驅(qū)動(dòng)力矩，因此將其設(shè)計(jì)成被動(dòng)關(guān)節(jié)，由使用者的相應(yīng)關(guān)節(jié)帶動(dòng)[10]。

2 步態(tài)穩(wěn)定控制及規(guī)劃

人穿著下肢外骨骼機(jī)器人行走時(shí)必須要滿(mǎn)足一個(gè)條件，即保持足底與地面接觸；同時(shí)，需要規(guī)劃能滿(mǎn)足這一條件的外骨骼機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。為保證雙足步行時(shí)的穩(wěn)定性，筆者采用ZMP穩(wěn)定判據(jù)，其主要思想是：雙足步行時(shí)身體保持平衡，保證所承受的所有外力之合力的作用線(xiàn)通過(guò)支撐足，并且處于支撐足和地面接觸的區(qū)域內(nèi)[7]。因此，外骨骼ZMP應(yīng)處于足底支撐多邊形內(nèi)[11]，如圖2所示，在單腳支撐階段，支撐多邊形是單腳觸地的底面；在雙腳支撐階段，支撐多邊形是雙腳觸地所形成的多邊形。

圖2 支撐多邊形

2.1 穩(wěn)定裕度

穩(wěn)定裕度是指ZMP與支撐多邊形邊界的最小距離。人在穿著下肢外骨骼機(jī)器人行走時(shí)，穩(wěn)定裕度決定其穩(wěn)定性。當(dāng)ZMP距支撐多邊形的中心越近，則穩(wěn)定裕度越大，行走也越穩(wěn)定。在外骨骼能夠快速響應(yīng)人動(dòng)作的前提下，人體可以主動(dòng)調(diào)節(jié)重心，使ZMP在動(dòng)態(tài)步行過(guò)程中始終保持在支撐多邊形內(nèi)[7]。

2.2 ZMP計(jì)算

由于穿戴者與外骨骼之間的交互，當(dāng)ZMP處于多邊形內(nèi)時(shí)需要有足夠的穩(wěn)定裕度。根據(jù)動(dòng)力學(xué)理論和算法，可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)計(jì)算ZMP[11-12]。

地面作用力繞原點(diǎn)力矩為

τ=p×f+τp,

(1)

式中：p為ZMP位置坐標(biāo)；f為地面作用力；τp為繞過(guò)ZMP的鉛垂軸力矩。

地面作用力與動(dòng)量、地面作用力力矩與角動(dòng)量之間關(guān)系分別為

(2)

(3)

式中： P=(Px, Py, Pz)為總動(dòng)量,Px、Py、Pz分別為P在各軸上的分量；M為總動(dòng)量；g=(0, 0, -gz)為重力加速度,gz為g在z軸上的分量；L=(Lx,Ly,Lz)為角動(dòng)量，Lx、Ly、Lz分別為L(zhǎng)在各軸上的分量；c=(x,y,z)為質(zhì)心位置坐標(biāo)。

將式(1)、(2)代入式(3)可得

(4)

由于繞ZMP力矩的x、y兩分量為0，可得

(5)

(6)

可從式(5)、(6)得到ZMP位置

(7)

(8)

假設(shè)人在平地上行走，則pz=0,因此，可得px和py分別為

(9)

(10)

如果將機(jī)器人簡(jiǎn)化為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，則

(11)

(12)

2.3 步態(tài)規(guī)劃

根據(jù)外骨骼機(jī)器人行走時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足的約束條件規(guī)劃出踝關(guān)節(jié)軌跡，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆運(yùn)算得出相應(yīng)關(guān)節(jié)角的時(shí)間函數(shù)。利用ZMP穩(wěn)定判據(jù)得出外骨骼機(jī)器人行走ZMP軌跡，并求出在滿(mǎn)足ZMP軌跡時(shí)穩(wěn)定裕度最大的質(zhì)心和擺動(dòng)踝關(guān)節(jié)軌跡[13]。步態(tài)規(guī)劃算法流程如圖3所示。

圖3 步態(tài)規(guī)劃算法流程

3 虛擬樣機(jī)建模及仿真

3.1 外骨骼建模

本設(shè)計(jì)中單兵裝甲下肢外骨骼機(jī)器人模擬人體的結(jié)構(gòu)，可直接對(duì)外骨骼進(jìn)行ZMP動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析。對(duì)于復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，單純依靠數(shù)學(xué)方法進(jìn)行建模分析十分復(fù)雜，在實(shí)踐中不可行，因此，筆者利用虛擬樣機(jī)ADAMS對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和仿真。為提高效率，利用Solidworks進(jìn)行外骨骼機(jī)構(gòu)建模，再通過(guò)數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入ADAMS。模型導(dǎo)入后，對(duì)模型各關(guān)節(jié)添加約束和相應(yīng)驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[8]。這里，采用STEP函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)起步、左腳、雙腳支撐期運(yùn)動(dòng)的控制。ISALEE單步行走仿真如圖4所示。

圖4 ISALEE單步行走仿真

筆者所在課題組在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)制作了簡(jiǎn)易樣機(jī)，并通過(guò)仿真曲線(xiàn)對(duì)其運(yùn)動(dòng)性和靈活性進(jìn)行了測(cè)試。圖5為穿著樣機(jī)時(shí)的平地行走靈活性測(cè)試。

圖5 平地行走靈活性測(cè)試

3.2 仿真及分析

根據(jù)GB10000—1988給出的人體主要尺寸數(shù)據(jù)，以身高1 775 mm的成年男性為例，設(shè)置大腿連桿505 mm，小腿連桿403 mm。仿真僅在矢狀面內(nèi)進(jìn)行，僅保留髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)的伸/屈自由度，采用旋轉(zhuǎn)副連接，足部板視其為連接固定在小腿末端的質(zhì)量塊。通過(guò)在motion中添加STEP函數(shù)近似擬合外骨骼髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角變化曲線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的控制。在仿真過(guò)程中，設(shè)定仿真步長(zhǎng)200步，仿真時(shí)間3.5 s。圖4中基于ZMP穩(wěn)定控制判據(jù)對(duì)外骨骼機(jī)器人虛擬樣機(jī)進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃，樣機(jī)右腿能夠在半個(gè)步態(tài)周期內(nèi)穩(wěn)定前行，表明步態(tài)規(guī)劃合理、控制方法有效。在后處理模塊Postprocessor中，可對(duì)各約束上的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)進(jìn)行分析，這里以髖關(guān)節(jié)為例。

圖6-8分別為半個(gè)行走周期內(nèi)右髖關(guān)節(jié)的角度、角速度和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩變化曲線(xiàn)。對(duì)其進(jìn)行分析，可得以下結(jié)論：

1) 模型自然站立時(shí)，髖關(guān)節(jié)角度為0°，在半個(gè)步態(tài)周期內(nèi)髖關(guān)節(jié)矢狀面屈伸角度變化范圍為0°～45° ，與控制函數(shù)設(shè)定相吻合；

2) 角度變化曲線(xiàn)平滑，沒(méi)有尖點(diǎn)，且沒(méi)有多余的起伏變化，說(shuō)明外骨骼行走是一個(gè)平穩(wěn)過(guò)程，驗(yàn)證了模型的有效性；

3) 角速度變化曲線(xiàn)在1.5、2.0 s處出現(xiàn)拐點(diǎn)，但波動(dòng)不大，且通過(guò)拐點(diǎn)時(shí)外骨骼結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性；

4) 由于仿真周期為右腿擺動(dòng)期，因此右髖關(guān)節(jié)力矩僅為正，其曲線(xiàn)絕對(duì)峰值為348 N·m，出現(xiàn)在右足落下與地面剛接觸的時(shí)刻，可依此選擇液壓缸型號(hào)及液壓泵大小，以滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)力設(shè)計(jì)要求。

圖6 右髖關(guān)節(jié)角度變化曲線(xiàn)

圖7 右髖關(guān)節(jié)角速度變化曲線(xiàn)

圖8 右髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩變化曲線(xiàn)

圖9為外骨骼髖關(guān)節(jié)屈向旋轉(zhuǎn)角度不同，即大腿連桿抬腿高度H(在矢狀面內(nèi)，以髖關(guān)節(jié)為圓點(diǎn)，以大腿連桿長(zhǎng)度為半徑，以大腿連桿垂直于地面的位置為起始位置，當(dāng)大腿連桿繞髖關(guān)節(jié)逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí)，膝關(guān)節(jié)距地面高度即為H)不同的情況下膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩變化曲線(xiàn)，其中H1

圖9 不同H下膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩變化曲線(xiàn)

4 結(jié)論

本文對(duì)單兵裝甲下肢外骨骼的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)下肢外骨骼的步態(tài)進(jìn)行了規(guī)劃，通過(guò)ADAMS建立了虛擬樣機(jī)并進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明：在合理設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)以確保模型有效和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，提高外骨骼大腿連桿抬腿高度H可降低膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，從而保護(hù)人體膝關(guān)節(jié)并更大程度地降低外骨骼能耗。

下肢外骨骼是一個(gè)復(fù)雜的非線(xiàn)性多體模型，筆者只是對(duì)人體進(jìn)行簡(jiǎn)化而得到近似模型，研究結(jié)果僅限于下肢外骨骼在平地上的矢狀面運(yùn)動(dòng)，后續(xù)將通過(guò)空間運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真進(jìn)一步對(duì)下肢外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和能耗進(jìn)行研究。

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(責(zé)任編輯: 尚彩娟)

Design and Simulation Analysis of Individual Soldier Armored Lower Extremity Exoskeleton

CHAO Zhi-qiang1, WANG Fei1,2, ZHANG Chuan-qing1, HAN Shou-song1

(1. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. Troop No.66336 of PLA, Gaobeidian 074000, China)

An Individual Soldier Armored Lower Extremity Exoskeleton (ISALEE) is designed for military, which takes advantages of human and machine to improve carrying capacity of soldiers during missions. The human lower extremity’s gait and degrees of freedom are analyzed with 5-links model. According to Zero Moment Point (ZMP) stability criterion, ISALEE’s dynamic stability is analyzed, and its gait is planned. Finally, the modeling and simulation of ISALEE virtual prototype are performed with CAD software Solidworks and dynamic simulation software ADAMS. The simulation result shows that structure design of the exoskeleton is reasonable with ADAMS virtual prototype, which provides theoretical basis for selecting hydraulic drive components and reducing load of knee.

lower extremity exoskeleton; Zero Moment Point (ZMP); gait planning; simulation

1672-1497(2015)06-0053-05

2015-09-21

晁智強(qiáng)(1967-)，男，教授，博士。

TP242.6

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.06.011