外骨骼機(jī)器人柔性變剛度驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

馬挺++郭險(xiǎn)峰

摘 要：關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器是外骨骼機(jī)器人的核心組成部分，目前傳統(tǒng)的剛性驅(qū)動(dòng)器的缺點(diǎn)是：體積大、能耗多以及無(wú)法避免外界沖擊。為此該文提出一種全新的柔性變剛度驅(qū)動(dòng)器，其基于彈簧的剛度控制，并對(duì)此柔性機(jī)構(gòu)進(jìn)行了理論驗(yàn)證，結(jié)果表明全新的柔性變剛度驅(qū)動(dòng)器很好地解決了傳統(tǒng)剛性驅(qū)動(dòng)器的主要缺點(diǎn)。

關(guān)鍵字：外骨骼 柔性變剛度驅(qū)動(dòng)器 彈簧

中圖分類號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）12（b）-0065-03

外骨骼原指為生物提供保護(hù)和支持的外部結(jié)構(gòu)，外骨骼機(jī)器人可以理解為一種結(jié)合了人的智能和機(jī)器人機(jī)械能量的人機(jī)結(jié)合可穿戴裝備[1]，可以增強(qiáng)穿戴者機(jī)能的一種裝備，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、相關(guān)制動(dòng)器、彈性部件、傳感器和控制元件重量等，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用的要求[2]。

如今，外骨骼機(jī)器人越來(lái)越多的應(yīng)用于輔助康復(fù)功能訓(xùn)練，患者通過(guò)穿戴外骨骼機(jī)器人，可以進(jìn)行有效的功能康復(fù)訓(xùn)練，達(dá)到促進(jìn)神經(jīng)系統(tǒng)功能恢復(fù)、提高日常生活活動(dòng)能力的目的[2]。但是，目前絕大多數(shù)外骨骼機(jī)器人，包括BLEEX[3]、HAL[4]、LoKomat[5]等，其結(jié)構(gòu)均基于“電機(jī)+剛性傳動(dòng)副”直接驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)的方式，這種方式帶來(lái)的無(wú)法避免干擾和外界沖擊、體積較大以及耗能多等原理上的弊端，因此研究應(yīng)用于外骨骼機(jī)器人上的柔性驅(qū)動(dòng)器顯得十分重要。該文將設(shè)計(jì)一種全新的、能夠使外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕巧的柔性驅(qū)動(dòng)器，而且新的柔性驅(qū)動(dòng)器具備吸收消減多余沖擊、減小電機(jī)能耗以及輔助出力的特點(diǎn)。

1 柔性驅(qū)動(dòng)器的定義

傳統(tǒng)剛性驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)是，能夠到達(dá)特定的位置或者按照預(yù)先設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，一旦到達(dá)指定位置，無(wú)論有無(wú)外界力施加于驅(qū)動(dòng)器（外界力小于驅(qū)動(dòng)器可承受的最大力），剛性驅(qū)動(dòng)器都能保持在這一位置[6]。

相反，柔性驅(qū)動(dòng)器即使在到達(dá)指定位置后，也會(huì)因?yàn)橥饨鐚?duì)它施加的力，產(chǎn)生相對(duì)于自己平衡位置的位移。柔性機(jī)構(gòu)的平衡位置，一般定義為驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生零力或者零力矩的位置[7]。其中，平衡位置的概念只存在于柔性驅(qū)動(dòng)器，剛性驅(qū)動(dòng)器并無(wú)平衡位置這一說(shuō)法根據(jù)上述特點(diǎn)，將外骨骼機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器分為以下幾類，如圖1所示。

2 柔性變剛度驅(qū)動(dòng)器的原理

2.1 彈簧的變剛度原理

如圖2為一個(gè)圓截面圓柱螺旋壓縮彈簧的結(jié)構(gòu)圖，圖中為彈簧的外徑，為彈簧的節(jié)距，為彈簧的螺旋角，為彈簧絲的直徑。彈簧的剛度系數(shù)[8]，其中為彈簧剪切模量，為彈簧的有效圈數(shù)。如果想要改變彈簧的剛度，可以通過(guò)改變、、以及。

但是彈簧一旦設(shè)計(jì)加工完成，、、都均已固定，而有效圈數(shù)是彈簧成型后剛度可改變的量之一，也是最簡(jiǎn)便的可改變量。因此該文的柔性驅(qū)動(dòng)器就是通過(guò)改變彈簧的有效圈數(shù)來(lái)達(dá)到改變剛度的目的。

2.2 彈簧變剛度原理

該文柔性驅(qū)動(dòng)器基于結(jié)構(gòu)控制剛度的概念[8]。其基本原理可以描述為：基于一個(gè)可以調(diào)整有效圈數(shù)的螺旋彈簧，通過(guò)增加或者減少?gòu)椈傻挠行?shù)來(lái)改變驅(qū)動(dòng)器的柔順度。

因此柔性驅(qū)動(dòng)器的剛度類似于線性彈簧。根據(jù)胡克定律，彈簧的應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系為： 。

如果彈簧的自由長(zhǎng)度等于實(shí)際長(zhǎng)度，那么力為0。這種情況對(duì)應(yīng)于柔性驅(qū)動(dòng)器的平衡位置。對(duì)于一個(gè)彈簧，平衡位置是固定的，等于彈簧的自由長(zhǎng)度。然而，對(duì)于該文中柔性機(jī)構(gòu)，可以通過(guò)改變彈簧的有效圈數(shù)來(lái)改變其自身的平衡位置。

圖3為彈簧的變剛度原理圖[9]。

如圖3所示，彈簧套于螺旋軸上，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)螺旋軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)固定彈簧，使其無(wú)法旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺旋軸的轉(zhuǎn)動(dòng)將改變彈簧的有效圈數(shù)，使得彈簧沿軸向前進(jìn)或后退，整個(gè)工作過(guò)程類似于滾珠絲杠。其中為彈簧自由長(zhǎng)度，為彈簧壓縮或者伸長(zhǎng)后的長(zhǎng)度，取彈簧上某點(diǎn)作為彈簧的零點(diǎn)，為彈簧零點(diǎn)相對(duì)于外界參考環(huán)境的偏移量，為彈簧末端相對(duì)于零點(diǎn)的位移。為彈簧壓縮量。

根據(jù)胡克定律，得到彈簧末端輸出力：

其中，因?yàn)閺椈蓭缀谓Y(jié)構(gòu)和滾珠絲杠相同，且工作過(guò)程類似于滾珠絲杠，那么描述滾珠絲杠的數(shù)學(xué)模型可以用來(lái)描述這種彈簧。主要的區(qū)別在于，滾珠絲杠的導(dǎo)程固定不變，而彈簧的節(jié)距會(huì)因?yàn)橥饬Φ淖饔枚l(fā)生變化。

那么在理想的情況下，電機(jī)力矩[10]為

其中為彈簧的外徑，為彈簧的螺旋角。

并將記為彈簧常量那么彈簧剛度，為彈簧的壓縮量，所以，而彈簧自由長(zhǎng)度，那么電機(jī)力矩為所以推導(dǎo)得電機(jī)功率為

2.3 柔性變剛度驅(qū)動(dòng)器的原理

如圖4所示，電機(jī)和減速器輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)螺旋軸帶動(dòng)彈簧旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)化為彈簧末端沿軸向的直線運(yùn)動(dòng)，彈簧末端的滑塊因此沿導(dǎo)軌進(jìn)行上下的直線運(yùn)動(dòng)，然后通過(guò)鋼索，將滑塊的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)檗D(zhuǎn)盤與關(guān)節(jié)處相連，那么轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)將會(huì)帶動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 柔性變剛度驅(qū)動(dòng)器原理驗(yàn)證

該文將柔性驅(qū)動(dòng)器用于外骨骼機(jī)器人髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5為人體正常行走時(shí)髖關(guān)節(jié)的角度、力矩以及功率（設(shè)定步態(tài)周期為3.5 s，人體體重為80 kg）

分析髖關(guān)節(jié)的步態(tài)，在人正常行走過(guò)程中，髖關(guān)節(jié)角度值呈正弦曲線變化，髖關(guān)節(jié)力矩在支撐初期為負(fù)值，而在支撐階段后期以及擺動(dòng)階段初期為正值，是因?yàn)轶y關(guān)節(jié)要產(chǎn)生正的力矩用以推動(dòng)腿部前進(jìn)進(jìn)入擺動(dòng)階段，在擺動(dòng)階段后期，髖關(guān)節(jié)力矩為負(fù)值，則是由于髖關(guān)節(jié)要實(shí)現(xiàn)腿部減速完成腳跟著地動(dòng)作。根據(jù)髖關(guān)節(jié)功率圖可知，髖關(guān)節(jié)在支撐階段儲(chǔ)存能量，在腳尖離地后釋放能量推動(dòng)身體前行，其動(dòng)作的兩個(gè)峰值功率分別出現(xiàn)在足跟著地前后和腳尖離地前后。但整個(gè)步態(tài)周期中，平均功率為正值。

根據(jù)公式，對(duì)于該文中的柔性機(jī)構(gòu)，和屬于選定后就無(wú)法改變的量。

并且有兩個(gè)變量，若要實(shí)現(xiàn)在整個(gè)步態(tài)過(guò)程中的最優(yōu)化，必須選定其中的一個(gè)變量，現(xiàn)選定=3000，那么通過(guò)合理選擇就可以實(shí)現(xiàn)在整個(gè)步態(tài)過(guò)程中的最優(yōu)化，從而使得電機(jī)的峰值功率達(dá)到最小。endprint

圖6為電機(jī)功率峰值達(dá)到最小時(shí)和正常行走的髖關(guān)節(jié)功率對(duì)比圖。

分析圖6，正常行走的髖關(guān)節(jié)功率峰值為36 w、-13.5 w，如果采用傳統(tǒng)直流無(wú)刷電機(jī)加減速器直接驅(qū)動(dòng)的方式，那么電機(jī)輸出的功率

最小為36 w，而采用柔性機(jī)構(gòu)后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的輸出最大功率為25 w，減小了31%。電機(jī)所需的最大功率的減小，將會(huì)使得所選電機(jī)的尺寸更小。

采用柔性機(jī)構(gòu)后，一個(gè)步態(tài)周期的電機(jī)耗能對(duì)應(yīng)電機(jī)功率曲線下方的面積，為30 J，而傳統(tǒng)的直驅(qū)方式，一個(gè)步態(tài)周期的電機(jī)耗能為直驅(qū)電機(jī)功率絕對(duì)值曲線的面積，耗能為38 J，因此采用柔性機(jī)構(gòu)后耗能減小21%，由于外骨骼機(jī)器人一般均采用電池供電，那么這將有助于延長(zhǎng)外骨骼機(jī)器人的使用時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于一個(gè)理想的柔性關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠消減外界沖擊、減小電機(jī)能耗以及輔助出力屬于最重要的特征。該文中所設(shè)計(jì)的柔性機(jī)構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)的電機(jī)加減速器直接驅(qū)動(dòng)的剛性驅(qū)動(dòng)模式，電機(jī)峰值功率減小了31%，能耗減小了21%，并且彈簧能夠?qū)ν饨鐩_擊進(jìn)行有效的緩沖，外骨骼機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的以上這些特點(diǎn)，將極大地延長(zhǎng)外骨骼機(jī)器人的工作時(shí)間以及增大外骨骼的活動(dòng)范圍，提高外骨骼機(jī)器人在未知環(huán)境下的安全性。

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