基于虛擬樣機技術的外骨骼機器人機構設計

王超+宋慧新

摘 要： 為了提高人類的負重能力，并降低人類在行進中的能量消耗，設計了一種液壓驅動的可穿戴外骨骼機器人，進行了機構設計并確定了液壓系統(tǒng)的關鍵參數(shù)，其中腿機構設計是關鍵部分。通過數(shù)學公式分析了外骨骼機器人腿部受力，并對外骨骼機器人簡化模型進行虛擬仿真，確定各關節(jié)運動所需的力矩。在此基礎上，完成了機器人機構和液壓系統(tǒng)設計。最后通過虛擬樣機技術，驗證了機構設計參數(shù)選取的合理性及所確定的液壓系統(tǒng)滿足設計要求。

關鍵詞： 外骨骼機器人； 虛擬樣機技術； 機構設計； 液壓系統(tǒng)

中圖分類號： TN911?34； TP319 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）04?0056?04

Mechanism design of exoskeleton robot based on virtual prototype technology

WANG Chao， SONG Hui?xin

（China North Vehicle Research Institute， Beijing 100072， China）

Abstract： In order to improve the ability of carrying heavy loads and reduce the energy consumption of people moving under their way， a wearable exoskeleton robot driven by hydraulic pressure was designed in this paper. The key part in the design is the leg mechanism design. The leg stress of the exoskeleton robot is analyzed with mathematical formulas. The driving torque needed by each joint was derived based on simulations of the simplified exoskeleton robot model. On the basis of the above analysis， the designs of exoskeleton robot mechanism and the hydaulic system were completed. The virtual prototype technology was used to show that the selection of the mechanism design parameters is reasonable and the hydraulic system meets the design requirements.

Keywords： exoskeleton robot； virtual prototype technology； mechanism design； hydraulic system

0 引 言

足式機器人與輪履式機器人相比，具有較強的地形適應能力和越障能力，一直是機器人研究領域的熱點。其中可穿戴式外骨骼機器人既具有超過普通2足機器人的穩(wěn)定性和高通過性，又避免了4足機器人的機構冗余性和控制復雜性，因而更加受到各國的重視[1?2]。

目前研制的大多數(shù)外骨骼機器人均存在自身質量較重，穿戴復雜，需外接能源等問題，實際應用受到限制，基本停留在實驗室研究階段，如美國的“XOS”系列外骨骼機器人[3]、日本的外骨骼機器人“HAL” [4]等。美國洛克希德?馬丁公司的下肢外骨骼機器人“HULC”采用液壓驅動，是當今世界上最先進的外骨骼機器人，已經(jīng)在戰(zhàn)場上試用[5?6]。

為了實現(xiàn)重物背負并降低人類在行進中的能量消耗，以液壓驅動外骨骼機器人為研究對象進行了機構設計，并通過虛擬樣機技術驗證了機構設計滿足要求。

1 外骨骼機器人機構設計

在借鑒分析外骨骼機器人“HULC”的基礎上，進行液壓驅動外骨骼機器人的機構設計。初步選定該機器人自重約為30 kg，負重50 kg，行走速度能達到約1 m/s。

1.1 腿部結構設計

腿部設計是外骨骼機器人設計中最為關鍵的部分之一，直接決定著外骨骼機器人的各項性能。為了便于設計，仿照人體解剖學將外骨骼機器人的腿部分為三段，分別為大腿、小腿和足部，通過關節(jié)實現(xiàn)連接。其中髖關節(jié)具有1個主動自由度和2個被動自由度，膝關節(jié)具有1個主動自由度，踝關節(jié)具有3個被動自由度。通過單腿具有的2個主動自由度和5個被動自由度實現(xiàn)對人體的助力行走。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

本文以下肢外骨骼的膝關節(jié)設計為例，分析膝關節(jié)處所受力矩，圖2為單腿的結構二維圖。其中A點為液壓缸端，B為膝關節(jié)處，C為活塞桿端，設AB=c，BC=a，CA=b，[θ]為AB與BC間夾角，即膝關節(jié)角，設定[θ]允許轉動范圍為45°～180°，h為B到AC的距離，即膝關節(jié)轉動力臂。由此可以得到膝關節(jié)處參數(shù)間的幾何關系，如下：

[b2=a2+c2-2accosθ] （1）

[hb=acsinθ] （2）

[Te=pπd24h] （3）

式中：[p]為系統(tǒng)油壓；[d]為液壓缸內徑；[Te]為液壓缸對膝關節(jié)的轉動力矩。

圖1 系統(tǒng)整體框架

圖2 單腿結構二維圖

在進行外骨骼機器人結構設計時，需要獲得各關節(jié)運動所需力矩作為依據(jù)。為了得到膝關節(jié)運動所需的最大力矩，在動力學仿真軟件Adams中進行外骨骼機器人原地蹲下起立仿真，以此測量膝關節(jié)轉動時所需的最大力矩。對模型進行簡化，設置如下：只在膝關節(jié)處施加一轉動驅動，忽略足部，踝關節(jié)通過1轉動副連接背架，小腿通過1轉動副與地面相連，仿真中設置背架及負載重量為70 kg，大腿質量為2 kg，小腿質量為1.1 kg，蹲下起立運動時間為2 s，并保證膝關節(jié)角在運動范圍內，如圖3（a）所示。

圖3 簡化模型及仿真結果

圖3（b） 所示為仿真時膝關節(jié)轉動所需力矩與其對應的關節(jié)角度曲線，在機器人蹲下起立過程中，膝關節(jié)角度θ越小，此時所需要的力矩越大，整個過程中所需最大力矩為197.4 N·m。

結合《GB 10000?1988中國成年人人體尺寸》中成年人下肢尺寸，初步選定機構參數(shù)為c=450 mm，p=21 MPa，d=20 mm，當a在一定范圍內取值時，根據(jù)式（1）～式（3），在Matlab中對其進行仿真，得到了膝關節(jié)處力矩曲線，如圖4所示。由圖4可以看出b的取值決定了膝關節(jié)最大輸出力矩。結合圖4曲線，本文取a為0.1 m，此時對應的T?[θ]曲線為如圖5所示。由圖3 （b）可以看出此時膝關節(jié)處液壓缸輸出力矩遠大于膝關節(jié)轉動所需力矩，完全符合機構設計要求。

圖4 膝關節(jié)油缸輸出轉動力矩曲線

圖5 膝關節(jié)油缸輸出轉動力矩

同樣，髖關節(jié)處轉動自由度在運動時輸出力矩及所需最大力矩的分析仿真思路與膝關節(jié)處類似，因此不再論述。

1.2 軀干部分設計

外骨骼機器人的軀干部分主體為背架。背架上放置有外骨骼機器人的控制系統(tǒng)，動力系統(tǒng)、部分姿態(tài)系統(tǒng)和高效能源系統(tǒng)及相關附件。人體所需背負的重物也通過背架作用在外骨骼機器人上。背架上各系統(tǒng)通過電纜、液壓油管與腿部的傳感器、執(zhí)行器等連接，實現(xiàn)對整個外骨骼機器人的感知和控制。其相應的三維模型如圖6所示，從1～7分別為液壓泵，液壓系統(tǒng)控制閥塊及姿態(tài)傳感器，高性能鋰電池，系統(tǒng)控制器、液壓油箱，驅動電機，動力系統(tǒng)散熱器，背架。

圖6 外骨骼軀干部三維模型

1.3 外骨骼機器人三維模型

綜合上文所述，并結合仿生學和人機工程原理設計了外骨骼機器人三維模型，如圖7所示。

圖7 外骨骼機器人三維模型

1.4 外骨骼機器人液壓系統(tǒng)設計

由于液壓驅動相比于其他驅動方式具有功率質量比高、推力大、響應迅速等優(yōu)點，所以本文設計的外骨骼機器人采用液壓驅動。液壓系統(tǒng)的選取一方面要保證系統(tǒng)能輸出足夠大的力及力矩， 以滿足外骨骼機器人的性能要求；另一方面應該使液壓系統(tǒng)的體積質量盡可能的小，有助于減輕機器人自身質量。

液壓系統(tǒng)的油壓與液壓缸內徑、活塞桿直徑?jīng)Q定了液壓伺服缸在該處輸出力的大小，從而決定了該關節(jié)輸出力矩的大小。為了滿足外骨骼機器人在負重50 kg的條件下能夠快速行走的要求，并結合對國內液壓產(chǎn)品市場調研，進行了外骨骼機器人液壓系統(tǒng)的設計。液壓系統(tǒng)關鍵參數(shù)選取如表1所示。

表1 液壓系統(tǒng)關鍵參數(shù)設計值

選取性能好、響應速度快且體積小的高速開關電磁閥作為液壓系統(tǒng)控制閥，通過調節(jié)開關閥的占空比系統(tǒng)實現(xiàn)對油缸位置的精確控制，保證了外骨骼機器人動作的準確性[7?8]。液壓系統(tǒng)所需最大流量與活塞桿速度、油缸進/出油腔面積及處于同時工作狀態(tài)的液壓缸數(shù)成正比。系統(tǒng)的液壓泵通過電動機驅動，通過控制電機功率來控制液壓系統(tǒng)功率。整個系統(tǒng)動力源來自外骨骼機器人背部安裝的兩塊高性能鋰電池。

2 外骨骼機器人虛擬樣機仿真

2.1 外骨骼機器人虛擬樣機

在Solidworks中建立外骨骼機器人三維模型，如圖8所示，利用parsolid接口，通過_. x_t文件將三維模型導入Adams中。在Adams中完成約束副的添加[9?10]，在膝關節(jié)和髖關節(jié)處添加已設定的運動函數(shù)，使其能夠模仿人類正常行走步態(tài)。仿真時各部件完全按照設計參數(shù)進行設置，其中人體模型參數(shù)按照《GB/T 17245?2004 成年人人體慣性參數(shù)》中95%的百分位數(shù)對應的數(shù)據(jù)進行設定，以保證外骨骼機器人的通用性。虛擬樣機如圖8所示。

圖8 外骨骼機器人虛擬樣機

2.2 行走仿真及結果分析

仿真時間為5 s，仿真結束后得到外骨骼機器人質心位移曲線，如圖9所示，可得機器人的步速約為1.1 m/s，略優(yōu)于設計要求。在圖9中曲線初始階段的位移出現(xiàn)負數(shù)是由于仿真初始階段步態(tài)未達到正常步態(tài)造成的，在實現(xiàn)步態(tài)正常后即可消除。

圖9 機器人質心位移時間曲線

膝關節(jié)和髖關節(jié)處所受轉動力矩曲線分別如圖10、圖11所示，其中縱軸負載力矩為負值表明活塞桿伸出需要克服的負載力矩，為正值表明活塞桿收縮時需要克服的負載力矩。圖10中負峰值出現(xiàn)在足部落下剛與地面接觸時，膝關節(jié)轉動力矩絕對值的最大值為162.5 N·m，遠小于膝關節(jié)處油缸最大輸出力矩197 N·m，滿足設計要求。當活塞桿收縮時，所克服的力矩很小，而圖中出現(xiàn)的正向較大峰值是由于仿真時未考慮機器人的姿態(tài)控制而造成的，也是下一步在步態(tài)控制中所需要解決的。同樣髖關節(jié)轉動關節(jié)處液壓缸也可以提供足夠的驅動力，能夠滿足系統(tǒng)設計要求。

圖10 膝關節(jié)所受力矩曲線

3 結 語

在借鑒分析了外骨骼機器人“HULC”的基礎上，完成了液壓驅動外骨骼機器人機構設計，并采用虛擬樣機技術對所設計外骨骼機器人進行了建模和行走仿真實驗，通過對仿真結果進行分析驗證了機器人機構設計的合理性及所選擇液壓系統(tǒng)滿足設計要求。為接下來的樣機加工提供了理論依據(jù)。

圖11 髖關節(jié)所受力矩曲線

參考文獻

[1] 楊智勇，歸麗華，張靜，等.能量輔助骨骼服的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].山東科技大學學報：自然科學版，2012，31（5）：41?49.

[2] KAZEROONI Homayoon， AMUNDSON Kurt， ANGOLD Russdon， et al. Exoskeleton and method for controlling a swing leg of the exoskeleton： US， US2011/0105966 [P]. 2011?05?05.

[3] ATSUSHI T， YASUHISA H， SANKAI Y. Gait Support for complete spinal cord injury patient by synchornized leg?swing with HAL [C]// 2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. San Francisco： IEEE， 2011： 1737?1742.

[4] TSUKAHARA A， KAWANISHI R. Sit?to?stand and stand?to?sit transfer support for complete paraplegic patients with robot suit HAL [J]. Advanced Robotics， 2010， 24（11）： 1615?1638.

[5] 劉志娟.多自由度下肢外骨骼控制系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江大學，2011.

[6] RACINE J L C. Control of a lower extremity exoskeleton for human performance amplification [D]. Berkeley： University of California， 2010.

[7] 高欽和，劉志浩，宋海洲，等.基于高速開關閥的液壓缸速度控制系統(tǒng)設計[J].流體傳動與控制，2013，57（2）：5?9.

[8] 溫成卓，吳張永，王嫻，等.高速開關閥控插裝閥的特性研究[J].機床與液壓，2012，40（23）：61?63.

[9] 賈長治.MD ADAMS虛擬樣機從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[10] 王鵬，徐曉希，李吉祥，等.小型化四足機器人的運動學分析及仿真研究[J].機電工程，2013，30（8）：901?904.

圖10 膝關節(jié)所受力矩曲線

3 結 語

在借鑒分析了外骨骼機器人“HULC”的基礎上，完成了液壓驅動外骨骼機器人機構設計，并采用虛擬樣機技術對所設計外骨骼機器人進行了建模和行走仿真實驗，通過對仿真結果進行分析驗證了機器人機構設計的合理性及所選擇液壓系統(tǒng)滿足設計要求。為接下來的樣機加工提供了理論依據(jù)。

圖11 髖關節(jié)所受力矩曲線

參考文獻

[1] 楊智勇，歸麗華，張靜，等.能量輔助骨骼服的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].山東科技大學學報：自然科學版，2012，31（5）：41?49.

[2] KAZEROONI Homayoon， AMUNDSON Kurt， ANGOLD Russdon， et al. Exoskeleton and method for controlling a swing leg of the exoskeleton： US， US2011/0105966 [P]. 2011?05?05.

[3] ATSUSHI T， YASUHISA H， SANKAI Y. Gait Support for complete spinal cord injury patient by synchornized leg?swing with HAL [C]// 2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. San Francisco： IEEE， 2011： 1737?1742.

[4] TSUKAHARA A， KAWANISHI R. Sit?to?stand and stand?to?sit transfer support for complete paraplegic patients with robot suit HAL [J]. Advanced Robotics， 2010， 24（11）： 1615?1638.

[5] 劉志娟.多自由度下肢外骨骼控制系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江大學，2011.

[6] RACINE J L C. Control of a lower extremity exoskeleton for human performance amplification [D]. Berkeley： University of California， 2010.

[7] 高欽和，劉志浩，宋海洲，等.基于高速開關閥的液壓缸速度控制系統(tǒng)設計[J].流體傳動與控制，2013，57（2）：5?9.

[8] 溫成卓，吳張永，王嫻，等.高速開關閥控插裝閥的特性研究[J].機床與液壓，2012，40（23）：61?63.

[9] 賈長治.MD ADAMS虛擬樣機從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[10] 王鵬，徐曉希，李吉祥，等.小型化四足機器人的運動學分析及仿真研究[J].機電工程，2013，30（8）：901?904.

圖10 膝關節(jié)所受力矩曲線

3 結 語

在借鑒分析了外骨骼機器人“HULC”的基礎上，完成了液壓驅動外骨骼機器人機構設計，并采用虛擬樣機技術對所設計外骨骼機器人進行了建模和行走仿真實驗，通過對仿真結果進行分析驗證了機器人機構設計的合理性及所選擇液壓系統(tǒng)滿足設計要求。為接下來的樣機加工提供了理論依據(jù)。

圖11 髖關節(jié)所受力矩曲線

參考文獻

[1] 楊智勇，歸麗華，張靜，等.能量輔助骨骼服的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].山東科技大學學報：自然科學版，2012，31（5）：41?49.

[2] KAZEROONI Homayoon， AMUNDSON Kurt， ANGOLD Russdon， et al. Exoskeleton and method for controlling a swing leg of the exoskeleton： US， US2011/0105966 [P]. 2011?05?05.

[3] ATSUSHI T， YASUHISA H， SANKAI Y. Gait Support for complete spinal cord injury patient by synchornized leg?swing with HAL [C]// 2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. San Francisco： IEEE， 2011： 1737?1742.

[4] TSUKAHARA A， KAWANISHI R. Sit?to?stand and stand?to?sit transfer support for complete paraplegic patients with robot suit HAL [J]. Advanced Robotics， 2010， 24（11）： 1615?1638.

[5] 劉志娟.多自由度下肢外骨骼控制系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江大學，2011.

[6] RACINE J L C. Control of a lower extremity exoskeleton for human performance amplification [D]. Berkeley： University of California， 2010.

[7] 高欽和，劉志浩，宋海洲，等.基于高速開關閥的液壓缸速度控制系統(tǒng)設計[J].流體傳動與控制，2013，57（2）：5?9.

[8] 溫成卓，吳張永，王嫻，等.高速開關閥控插裝閥的特性研究[J].機床與液壓，2012，40（23）：61?63.

[9] 賈長治.MD ADAMS虛擬樣機從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[10] 王鵬，徐曉希，李吉祥，等.小型化四足機器人的運動學分析及仿真研究[J].機電工程，2013，30（8）：901?904.