主動(dòng)航天服下肢關(guān)節(jié)電動(dòng)伺服控制機(jī)構(gòu)研究

郭 慶，張向剛，秦開(kāi)宇

(電子科技大學(xué)航空航天學(xué)院，成都，611731)

1 引言

隨著人類對(duì)太空未知領(lǐng)域的不斷探索，航天員在太空的工作空間正在不斷地?cái)U(kuò)大，諸多工作(如航天設(shè)施的裝配維修、貨物運(yùn)輸、察看其他航天器和進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)等)因?yàn)槠洳淮_定性和復(fù)雜性，需要在艙外惡劣環(huán)境中進(jìn)行，這些惡劣的環(huán)境包括高真空、高輻射、干燥、溫差大等［1-2］，而航天服系統(tǒng)是這些操作的基本保證，是載人航天和深空探索的重要設(shè)備。

主動(dòng)航天服不僅能夠?yàn)楹教靻T提供傳統(tǒng)航天服防輻射、生命保障、功效保障3個(gè)方面的保障，而且能夠增強(qiáng)航天員生理功能，實(shí)現(xiàn)感官的延伸，使航天員成為融合了人的智慧和機(jī)器力量的超智能體。主動(dòng)航天服的基本思想是:在現(xiàn)有航天服的基礎(chǔ)上運(yùn)用外骨骼機(jī)器人技術(shù)，并融入傳感、控制、信息等技術(shù)，使航天員—航天服系統(tǒng)成為高度人機(jī)耦合的復(fù)雜力量隨動(dòng)系統(tǒng)。在太空探索中，提高了航天員的承載能力、抓舉能力、機(jī)動(dòng)能力和信息處理能力，增強(qiáng)了航天員的惡劣環(huán)境適應(yīng)能力，輔助航天員完成各種深空探索作業(yè)。

主動(dòng)航天服是對(duì)目前力量增強(qiáng)型外骨骼助力技術(shù)的延伸，幫助航天員實(shí)現(xiàn)太空行走、漂浮、艙內(nèi)作業(yè)、艙外機(jī)動(dòng)、月面采礦作業(yè)等等。NASA的X1外骨骼服由NASA佛羅里達(dá)州的人機(jī)認(rèn)知研究所(Florida Institute for Human and Machine Cognition)和航洋工程空間系統(tǒng)公司(Oceaneering Space Systems in Houston)聯(lián)合研制，是基于NASA的Robonaut2(國(guó)際空間站的第一個(gè)人形機(jī)器人)。

2000年，美國(guó)國(guó)防部預(yù)研局(DARPA)分別資助了加州大學(xué)伯克利分校(U.C.Berkley)的BLEEX外骨骼系統(tǒng)和麻省理工學(xué)院(MIT)的類被動(dòng)骨骼服的研究［3-4］;2006年，基于“BLEEX(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton)”技術(shù)，美國(guó)洛克希德·馬丁公司(Lockheed Martin)研制成功了“人類萬(wàn)能攜行器(Human Universal Load Carrier，HULC)”，HULC 質(zhì)量 24 kg(53 磅)，可攜行90 kg(200磅)的物品持續(xù)運(yùn)行3 h。日本筑波大學(xué)研制出了世界第1臺(tái)商業(yè)化外骨骼助力裝置HAL［5］。俄羅斯正在研制第二代外骨骼助力裝備“勇士－21”，可承擔(dān)步兵大約95%的貨物負(fù)荷。在我國(guó)，2004年，國(guó)防科技大學(xué)和二炮工程學(xué)院開(kāi)始了力量增強(qiáng)型外骨骼助力技術(shù)研究，分別開(kāi)發(fā)了無(wú)動(dòng)力攜行輔助器樣機(jī)。此后，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華東理工大學(xué)、中國(guó)人民解放軍海軍航空工程學(xué)院等單位［6-8］也陸續(xù)開(kāi)展了相關(guān)技術(shù)的研究。周宏［9］于2011年提出了力量增強(qiáng)型下肢外骨骼助力系統(tǒng)的定義:“力量增強(qiáng)型下肢外骨骼助力系統(tǒng)，是以人為控制主體，機(jī)器為力量主體，高度人機(jī)耦合的復(fù)雜力量隨動(dòng)系統(tǒng)?！?/p>

本文針對(duì)航天員艙內(nèi)行走運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)一套可以驅(qū)動(dòng)主動(dòng)航天服的電動(dòng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方案，實(shí)現(xiàn)下肢髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)隨動(dòng)控制，幫助航天員能夠在艙內(nèi)進(jìn)行正常的助力行走、助力搬運(yùn)等作業(yè)。

2 主動(dòng)航天服組成

主動(dòng)航天服作業(yè)系統(tǒng)，由太空和月面人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律建模分系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、動(dòng)力與能源分系統(tǒng)和感知控制分系統(tǒng)組成。NASA X1空間主動(dòng)外骨骼服外形如圖1所示。X1采用聯(lián)合設(shè)計(jì)模式將外骨骼與航天服材料結(jié)合，增加了目前航天服機(jī)動(dòng)和負(fù)重能力。X1包括機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置、感知與控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)4個(gè)分系統(tǒng)。機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置采用仿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)航天員承載與攜行功能，感知與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)航天服攜行隨動(dòng)與太空主動(dòng)作業(yè)需求。動(dòng)力系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出，作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。能源系統(tǒng)提供長(zhǎng)效能源。

圖1 NASA X1空間主動(dòng)外骨骼服Fig.1 X1 active exoskeleton spacesuit of NASA

3 控制機(jī)構(gòu)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

如果航天員在艙內(nèi)需要以3 km/h的速度行走，則髖關(guān)節(jié)角度變化曲線如圖2所示。

以1個(gè)步態(tài)周期Tgait為例，對(duì)髖關(guān)節(jié)角度變化規(guī)律進(jìn)行擬合，表示如下:

① 當(dāng)t＜0.5Tgait時(shí)，

圖2 單個(gè)周期髖關(guān)節(jié)角度在矢狀面內(nèi)的變化規(guī)律Fig.2 Hip angle variation in sagittal plane for a gait cycle

② 當(dāng)t＞0.5Tgait時(shí)，

對(duì)以上兩個(gè)關(guān)節(jié)分別求一階和二階導(dǎo)數(shù)，可以得到髖關(guān)節(jié)角速度ωh(t)、髖關(guān)節(jié)角加速度αh(t)隨時(shí)間變化規(guī)律。

同理，可以得到膝關(guān)節(jié)角度θk(t)、角速度ωk(t)以及角加速度αk(t)變化規(guī)律。建立主動(dòng)航天服關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型表示為:

其中q=［θh，θk］T=［ωh，ωk］T，=［αh，αk］T，T=［Th，Tk］T為執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用在主動(dòng)航天服上的關(guān)節(jié)力矩。H(q)為慣性矩陣，C(q是Coriolis項(xiàng)，是重力項(xiàng)。

考慮航天員下肢大小腿與主動(dòng)航天服機(jī)械裝置的大小腿耦合參數(shù)之后，將θk(t)、ωk(t)以及αk(t)變化規(guī)律代入，可以得到主動(dòng)航天服行走過(guò)程中髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處的動(dòng)態(tài)負(fù)載扭矩Th，Tk。以髖關(guān)節(jié)為例，其動(dòng)態(tài)負(fù)載扭矩變化規(guī)律如圖3所示。

由圖3可知，髖關(guān)節(jié)的最大扭矩Thmax=93 Nm出現(xiàn)在擺動(dòng)相階段，最大轉(zhuǎn)速為rhmax=27 r/min。

髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角功率在一個(gè)行走步態(tài)周期內(nèi)變化規(guī)律如圖4所示。

由圖可知，髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的最大角功率為Phmax=409 W。

圖3 髖關(guān)節(jié)角速度與扭矩變化規(guī)律Fig.3 Hip joint angular velocity and torque variation

圖4 髖關(guān)節(jié)角功率變化規(guī)律Fig.4 Hip angular power variation

3.2 關(guān)節(jié)電機(jī)與減速器選型設(shè)計(jì)

假設(shè)電機(jī)效率為0.85，減速器傳動(dòng)效率為0.9，因此電機(jī)額定功率表示為:

因此選擇一款盤式電機(jī)，額定功率Pnh=550 W，額定轉(zhuǎn)速為rnh=3500 r/min，扭矩Tnh=1.5 Nm。

要保證關(guān)節(jié)輸出大扭矩要求，需要配置減速器，因此髖關(guān)節(jié)的減速器的減速比表示為:

因此選定一減速器，減速比μh=100。最大輸出扭矩為Thout=191 Nm，滿足:

同理，擺動(dòng)相階段的髖關(guān)節(jié)最大扭矩Tkmax=30 Nm，額定轉(zhuǎn)速為rkmax=71 r/min。膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的最大角功率為Pkmax=45 W。所需電機(jī)額定功率為:

因此選擇一款盤式電機(jī)，額定功率Pnk=250 W為，額定轉(zhuǎn)速為rnk=4000 r/min，扭矩Tnh=0.6 Nm。髖關(guān)節(jié)的減速器的減速比表示為:

因此選定一減速器，減速比μh=50。最大輸出扭矩為Tkout=91 Nm，滿足:

4 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制建模

4.1 電機(jī)負(fù)載運(yùn)動(dòng)建模

當(dāng)以關(guān)節(jié)屈伸角θ為作為輸出量時(shí)，減速器輸出軸上的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)模型表示為:

其中ML為關(guān)節(jié)軸上的負(fù)載扭矩，ua為控制電壓，Ke為電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，Km為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)，B為將電機(jī)折合到減速器輸出軸上的阻尼系數(shù)，Ra為電樞電阻。模型參數(shù)Tm、Td表示為:

其中La為電機(jī)的電樞電感，J為電機(jī)折算到減速器軸上與髖關(guān)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)合成的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

4.2 關(guān)節(jié)角度控制規(guī)律設(shè)計(jì)

采用PID控制方法設(shè)計(jì)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)電機(jī)控制規(guī)律，表示為:

其中uah、uak為兩個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制電壓，kph、kih、kdh為髖關(guān)節(jié) PID 控制參數(shù);kpk、kik、kdk為膝關(guān)節(jié)PID控制參數(shù)、為期望髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)角度變化，由3.1節(jié)擬合給出。θh、θk為關(guān)節(jié)實(shí)際角度，由關(guān)節(jié)編碼器測(cè)量得到，ωh、ωk為關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角速度，由大小腿角速度陀螺儀測(cè)量得到。

5 仿真結(jié)果

對(duì)主動(dòng)航天服動(dòng)力控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制數(shù)字仿真。分別在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處加入動(dòng)態(tài)負(fù)載扭矩如圖3和圖4所示，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的控制律正確性。其中髖關(guān)節(jié)額定電壓Unh=48 5 V，反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Keh=0.756，電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kmh=0.114;電樞電阻Rah=3.636 Ω，電樞電感Lah=0.0055 H，髖關(guān)節(jié)軸等效后的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jh=3.611 kg·m2，阻尼系數(shù)Bh=0.35。膝關(guān)節(jié)額定電壓Unk=24 V，反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Kek=0.318，電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kmk=0.047;電樞電阻Rak=1.86 Ω，電樞電感Lak=0.0055H，髖關(guān)節(jié)軸等效后的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jk=0.435 kg·m2，阻尼系數(shù)Bk=0.0875。控制參數(shù)kph=1，bkih=0.1，kdh=0.3;kpk=4，kik=1，kdk=1。

髖關(guān)節(jié)期望角度和實(shí)際角度變化曲線如圖5所示，對(duì)應(yīng)的控制電壓變化曲線如圖6所示。膝關(guān)節(jié)期望角度和實(shí)際角度變化曲線如圖7所示，對(duì)應(yīng)的控制電壓變化曲線如圖8所示。

圖5 髖關(guān)節(jié)期望角度和實(shí)際角度變化曲線Fig.5 Hip desired angle and the actual angle curve

圖6 髖關(guān)節(jié)電機(jī)控制電壓變化曲線Fig.6 Hip curve of the motor control voltage

圖7 膝關(guān)節(jié)期望角度和實(shí)際角度變化曲線Fig.7 Knee desired angle and actual angle curve

圖8 膝關(guān)節(jié)電機(jī)控制電壓變化曲線Fig.8 Knee curve of motor control voltage

由圖可知，設(shè)計(jì)的控制律可以保證關(guān)節(jié)角度跟蹤期望步態(tài)角度的變化，控制量不飽和，表明髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)控制律能夠滿足穩(wěn)定跟蹤航天員步態(tài)運(yùn)動(dòng)控制需求。

4 結(jié)論

本文介紹了一種應(yīng)用于主動(dòng)航天服系統(tǒng)中的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)選型方案。通過(guò)分析航天員行走步態(tài)，計(jì)算出關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)扭矩變化，以此作為電機(jī)角度控制回路的輸入;通過(guò)設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)角度控制律使膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)角度變化能夠進(jìn)行隨動(dòng)控制，為研制具有高機(jī)動(dòng)性、高負(fù)載能力和一定防護(hù)能力的主動(dòng)航天服提供技術(shù)支撐，以全面提高航天員的太空及月面的綜合活動(dòng)能力。

［1］ 梁志偉，高峰，吳志強(qiáng)，等.“飛天”艙外航天服便攜式生保系統(tǒng)研制［J］.載人航天，2010，16(1):37-43.

［2］ 王巖松，石培新，張峰.國(guó)外載人航天出艙活動(dòng)故障綜述［J］.載人航天，2008，14(2):4-8.

［3］ John Ryan Steger.A design and control methodology for human exoskeletons［D］.Berkeley:University of California.2006:36-44.

［4］ 王智鑫.雷聲公司推出XOS2第二代外骨骼裝置［J］.輕兵器，2010(24):44-47.

［5］ Veneman JF，Ekkelenkamp R，Kruidhof R，et al.Design of a series elastic-and Bowden cable-based actuation system for use as torque-actuator in exoskeleton-type training［J］.International Jounal of Robotics Reseach，2006，25(3):261-281.

［6］ 孫立寧，李慶玲，孔民秀，等.5-DOF上肢康復(fù)機(jī)械臂交互式康復(fù)訓(xùn)練控制策略［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44(9):169-176.

［7］ 曹恒，孟憲偉，凌正陽(yáng)，等.兩足外骨骼機(jī)器人足底壓力測(cè)量系統(tǒng)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23(3):326-330.

［8］ 楊智勇，張遠(yuǎn)山，顧文錦，等.骨骼服靈敏度放大控制方法研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2010，27(1):177-180.

［9］ Zhu Jiayuan，Zhou Hong.Realization of Key Technology for Intelligent Exoskeleton Load System［C］//2011 2nd International Conference of Electricaland Electronics Engineering.December 1-December 2，Macau，China，2011.