礦用外骨骼機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研究

王東成，梁義維, 張曉俊

(太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院, 山西太原 030000)

引言

外骨骼機(jī)器人是一種模仿人體結(jié)構(gòu)，可被人體穿戴，輔助人體運(yùn)動及增強(qiáng)人體負(fù)重能力的人機(jī)一體化機(jī)械裝置[1-3]。

國內(nèi)外針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域都對外骨骼展開了研究。在國外，美國馬丁公司和伯克利分校共同開發(fā)出液壓傳動的外骨骼機(jī)器人HULC，不僅可以輔助人體負(fù)重行走，還可以使穿戴者完成匍匐前進(jìn)和下蹲等動作[4]。新加坡的羅錦發(fā)教授研究開發(fā)了一種下肢外骨骼機(jī)器人，該系統(tǒng)采用了電動機(jī)驅(qū)動，當(dāng)使用者穿上該設(shè)備時(shí)，以內(nèi)側(cè)外骨骼上的傳感器測得的關(guān)節(jié)角度值作為電動機(jī)輸出的依據(jù)，驅(qū)動外側(cè)外骨骼提供助力[5]。日本TOYAMA S，YAMAMOTO G等[6-8]研制出用以減輕農(nóng)民勞動強(qiáng)度的農(nóng)用版外骨骼機(jī)器人，日本筑波大學(xué)開發(fā)出輔助老年人及殘疾人動作的HAL系列外骨骼機(jī)器人。在我國，上海傅利葉智能科技有限公司研發(fā)出可幫助癱瘓的患者實(shí)現(xiàn)行走等功能的外骨骼Fourier X1系列。李賢坤等[9-10]研制了下肢外骨骼實(shí)驗(yàn)平臺，并對蹲起過程中外骨骼動作特性進(jìn)行了研究。張斌等[11]研制了用于康復(fù)訓(xùn)練的外骨骼機(jī)器人，并對控制系統(tǒng)的特性進(jìn)行了分析。礦井下許多作業(yè)需要艱辛體力勞動，如人工破煤、打幫錨桿等工作，但由于礦井下環(huán)境限制，原有設(shè)備不宜完成，輪式或帶式機(jī)器人不具有與人可比的靈活性，因此項(xiàng)目組設(shè)計(jì)出可穿戴礦用外骨骼機(jī)器人。

本研究設(shè)計(jì)了礦用外骨骼機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)方案，介紹了其控制原理，建立了液壓系統(tǒng)模型，對各閥與液壓缸的工作狀態(tài)進(jìn)行了說明，利用ADAMS/AMESim對其進(jìn)行仿真分析，交代了實(shí)驗(yàn)測量方法并在外骨骼樣機(jī)平臺進(jìn)行了穿戴實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真分析基本一致，實(shí)驗(yàn)證明該驅(qū)動系統(tǒng)響應(yīng)較快，運(yùn)行平穩(wěn)。

1 外骨骼運(yùn)動學(xué)分析

1.1 驅(qū)動原理

目前，外骨骼機(jī)器人具有多種驅(qū)動方式，但由于礦井下工況環(huán)境復(fù)雜，電控容易產(chǎn)生安全問題，因此本項(xiàng)目外骨骼驅(qū)動系統(tǒng)采用氣動控制，其氣液控制原理如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)通過4個(gè)二位三通換向閥、2個(gè)三位四通換向閥、2個(gè)氣缸和2個(gè)液壓缸協(xié)調(diào)工作[12]，各閥的狀態(tài)及液壓缸狀態(tài)如表1所示。

表1 各閥及液壓缸狀態(tài)

1.氣源 2～5.二位三通氣閥 6、9.氣缸 7、10.三位四通換向閥 8、11.液壓缸 12.油箱圖1 氣液驅(qū)動原理圖

該驅(qū)動系統(tǒng)通過輸入信號的變化進(jìn)行控制，人體動作位移與外骨骼位移差值作為氣閥開關(guān)2，3，4，5的輸入信號，以差值的正負(fù)來控制氣缸6，9的伸縮，氣缸的伸縮完成液壓換向閥7，10的換向運(yùn)動，從而控制液壓缸8，11的伸縮。當(dāng)人體運(yùn)動時(shí)，輸入信號存在差值，驅(qū)動系統(tǒng)工作，當(dāng)外骨骼運(yùn)動到指定位置，輸入信號差值為0，驅(qū)動系統(tǒng)停止工作。

1.2 運(yùn)動學(xué)分析

外骨骼邁步前進(jìn)過程中，運(yùn)動過程復(fù)雜，因此必須對外骨骼進(jìn)行簡化與抽象，建立出可體現(xiàn)下肢運(yùn)動的力學(xué)模型[13-14]。如圖2所示，研究發(fā)現(xiàn)，在邁步行走時(shí)，人體在額狀面的擺動可忽略不計(jì)，運(yùn)動軌跡主要發(fā)生在矢狀平面內(nèi)，因此建立X/Y軸坐標(biāo)系。假設(shè)各剛體為鉸接。得出簡化下肢力學(xué)模型[15]。

圖2 簡化下肢力學(xué)模型

圖2中θ1為膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角,θ2為髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角,分別為小腿桿和大腿桿的質(zhì)心。l1為小腿質(zhì)心到膝關(guān)節(jié)距離，l2為大腿質(zhì)心到髖關(guān)節(jié)距離。那么桿件的質(zhì)心速度為：

(1)

小腿桿與大腿桿轉(zhuǎn)過的角度及角速度為：

(2)

(3)

(4)

(5)

應(yīng)用拉格朗日法[16]進(jìn)行分析。建立函數(shù):

L=Ek-Ep

(6)

式中,Ek—— 系統(tǒng)動能

Ep—— 系統(tǒng)勢能

外骨骼系統(tǒng)動能可表示為:

(7)

式中，m1和m2分別為小腿桿和大腿桿的質(zhì)量。

外骨骼系統(tǒng)勢能可表示為:

Ep=E1+E2

=m1g(l1cosθ1+2l2cosθ2)+m2gl2cosθ2

(8)

基于式(6)，得到外骨骼下肢動力學(xué)方程:

(9)

D=

2 仿真分析

2.1 外骨骼機(jī)械模型的建立

根據(jù)外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)，進(jìn)行UG三維建模，機(jī)械模型如圖3所示，模型在小腿連桿、大腿連桿及踝關(guān)節(jié)處長度可調(diào)，在左右小腿處以液壓缸作為驅(qū)動元件。要研究該驅(qū)動系統(tǒng)的行走性能，因此建模中將上肢軀干部分固聯(lián)為一個(gè)整體，只考慮在下肢設(shè)置運(yùn)動副[17]。在軟件中設(shè)置的主要運(yùn)動副如表2所示[18]。

圖3 外骨骼機(jī)械模型

表2 主要運(yùn)動副設(shè)置

2.2 液壓系統(tǒng)AMESim建模

應(yīng)用AMESim軟件搭建液壓系統(tǒng)模型[19]，利用機(jī)械元件庫、液壓庫和HCD 庫構(gòu)建模型，如圖4所示。

模型左、右腿液壓驅(qū)動原理相同，因此在圖4中只標(biāo)記外骨骼左腿部分元件。該驅(qū)動系統(tǒng)是一個(gè)開關(guān)型閥控液壓缸系統(tǒng)，位移傳感器9將液壓缸位移信號10與放大后的給定控制信號做比較形成一個(gè)差值信號，該差值信號放大處理后來控制液壓換向閥操作，以此改變液壓缸的液壓油供應(yīng)及換向來控制液壓缸工作，該驅(qū)動系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)，如果存在差值信號，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)液壓缸的位移輸出量，直至差值信號為0。液壓驅(qū)動模型主要參數(shù)如表3所示。

1.液壓泵 2.溢流閥 3.控制信號 4.控制器放大倍數(shù)5.系統(tǒng)信號放大倍數(shù) 6.活塞左腔體 7.質(zhì)量塊8.活塞右腔體 9.位移傳感器 10.液壓缸位移信號圖4 液壓驅(qū)動模型

表3 液壓仿真主要參數(shù)

3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用外骨骼實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行穿戴行走實(shí)驗(yàn)，外骨骼實(shí)驗(yàn)平臺如圖5所示。對外骨骼行進(jìn)中油缸油壓的變化情況及行走時(shí)外骨骼和人腿的響應(yīng)情況進(jìn)行研究分析。測量員身高175 cm,體重75 kg，外骨骼質(zhì)量80 kg,外骨骼大腿桿長度0.5 m,質(zhì)量為13 kg,小腿桿長度0.4 m,質(zhì)量10 kg。實(shí)驗(yàn)中，人體穿戴外骨骼從靜止雙腿支撐態(tài)到邁步前進(jìn)單腿支撐態(tài)，最后回到靜止雙腿支撐態(tài)，完成一個(gè)完整的步態(tài)周期[20]。實(shí)驗(yàn)時(shí)，用HK2051型油壓傳感器測得液壓缸油壓信號，并通過示波器存取數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖5 外骨骼實(shí)驗(yàn)平臺

圖6 油壓信號測量值

由圖可知，外骨骼行走實(shí)驗(yàn)完成一個(gè)完整的步態(tài)周期需要2 s,測得的電壓信號最大值為2.25 mV,最小值為0.27 mV。根據(jù)油壓信號曲線，計(jì)算可得到外骨骼行進(jìn)過程液壓缸的油壓曲線。利用AMESim軟件中搭建好的液壓驅(qū)動系統(tǒng)模型，點(diǎn)擊仿真模式，設(shè)置仿真時(shí)間為3 s,通訊間隔為0.05 s，運(yùn)行仿真。仿真完成，可以得到液壓模型中液壓缸的油壓仿真曲線，并與實(shí)測值進(jìn)行對比分析，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)油壓變化曲線

如圖7所示為系統(tǒng)左腿液壓缸油壓的仿真及實(shí)測曲線。軟件仿真得到的油壓曲線，從0時(shí)刻開始，左腿從站立支撐態(tài)開始邁步前進(jìn)，液壓缸開始工作，外骨骼左腿脫離地面支撐點(diǎn)，液壓桿收縮，油壓逐步上升，0.10 s后油壓達(dá)到最大值5.25 MPa,而后油壓迅速降落為5.00 MPa并維持穩(wěn)定，經(jīng)過1.75 s后液壓桿伸長，油壓開始回落，并在1.85 s后降低為0，此時(shí)外骨骼左腿回歸地面支撐。油壓測量曲線與仿真曲線基本相同，實(shí)測值油壓最大值為4.92 MPa，略低于仿真值，由于實(shí)際系統(tǒng)存在液壓油泄漏及管路損失的情況，難以避免。

為了研究該驅(qū)動系統(tǒng)行走時(shí)，外骨骼與人體的響應(yīng)情況，利用ADAMS軟件，進(jìn)行了外骨骼穿戴行走性能仿真。利用搭建的外骨骼三維機(jī)械模型，在ADAMS中設(shè)置外骨骼腳底與地面的摩擦與接觸，并將一個(gè)完整的步態(tài)周期CGA數(shù)據(jù)[21]作為外骨骼下肢關(guān)節(jié)的驅(qū)動函數(shù)，設(shè)置仿真時(shí)間為3 s,仿真步數(shù)為1000步。外骨骼下肢運(yùn)動是對稱的，只間隔0.5個(gè)周期。如圖8所示為外骨骼行進(jìn)過程中小腿桿相對大腿桿轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的仿真值與實(shí)測值。其實(shí)測值利用外骨骼實(shí)驗(yàn)平臺，應(yīng)用陀螺儀傳感器獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在外骨骼大腿處粘貼2組感應(yīng)片作為對照組，外骨骼小腿以及人體小腿處粘貼4組感應(yīng)片作為實(shí)驗(yàn)組。應(yīng)用傳感器無線藍(lán)牙模塊在電腦終端實(shí)時(shí)獲取坐標(biāo)數(shù)據(jù)，最終得出自由空間下移動的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)。

圖8 外骨骼左小腿轉(zhuǎn)角

圖8為仿真及測得的外骨骼左小腿轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，θ1為仿真值，θ2為測量值。從靜止雙腿支撐態(tài)開始，外骨骼抬腿到落地支撐態(tài)為1個(gè)動作，在0～3 s中共完成3次邁步前進(jìn)動作。規(guī)定以左大腿延長線為0基準(zhǔn)線，以順時(shí)針方向?yàn)檎嵌?。由圖可知，人體穿戴外骨骼在邁步前進(jìn)的過程中，小腿轉(zhuǎn)角的最大值不超過45°，其仿真值θ1在0～42°中規(guī)律地變化，而測量值θ2與仿真值θ1變化規(guī)律相同，最大值數(shù)值相近，但數(shù)據(jù)曲線又有波動，最大值出現(xiàn)時(shí)間有錯(cuò)動，是由于行走中人體抖動導(dǎo)致，難以避免。圖9為測量中外骨骼及人腿的小腿相對大腿轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)。

將測得的左下肢轉(zhuǎn)角B及右下肢轉(zhuǎn)角C數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，在圖9a和圖9b中，可以看到左下肢人腿θ3、外骨骼θ4及右下肢人腿θ5、外骨骼θ6，轉(zhuǎn)角最大值在40°～45°之間波動，角度達(dá)到最大值后，此刻人腿由觸發(fā)一側(cè)氣閥開關(guān)轉(zhuǎn)為觸發(fā)另一氣閥開關(guān)，控制油缸由收縮過程開始進(jìn)入伸長過程，在較短的時(shí)刻，系統(tǒng)油壓波動較大，因此液壓桿的伸縮量有所波動，因此測得的轉(zhuǎn)角有波動。圖10a和圖10b分別為左右人腿與機(jī)械腿的角度誤差，即外骨骼相對人體提前或滯后的角度，左小腿誤差E1最大值為-2.1°。右小腿誤差E2最大值為2.2°，左小腿的誤差E1主要圍繞-0.5°波動，右小腿誤差E2數(shù)據(jù)主要圍繞0波動，從曲線中可以看出該液壓系統(tǒng)靈敏度較高。

圖9 人腿及外骨骼轉(zhuǎn)角

在外骨骼結(jié)構(gòu)中，氣閥安裝在外骨骼小腿的中心位置前后，即簡化的下肢力學(xué)模型中黑點(diǎn)標(biāo)記位置前后，應(yīng)用公式：

(10)

式中，d—— 氣閥與小腿軸線的距離

l—— 小腿長度

θ—— 人腿與外骨骼轉(zhuǎn)角誤差值

由于外骨骼的小腿長度可調(diào)節(jié)，難以準(zhǔn)確計(jì)算，采用馬氏軀干腿長指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)[22]，以身高175 cm的成人為例，小腿長34 cm,帶入最大誤差值θ=2.2°，計(jì)算得氣閥與軸線安裝距離最大為0.65 cm。

4 結(jié)論

礦用外骨骼具有很高的應(yīng)用價(jià)值，設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動系統(tǒng)對外骨骼的靈活性與舒適性至關(guān)重要,對系統(tǒng)油壓及外骨骼與人體響應(yīng)性能研究分析，有助于對外骨骼機(jī)器人的進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化。

(1) 設(shè)計(jì)了外骨骼驅(qū)動方案，分析了驅(qū)動原理，對外骨骼力學(xué)模型進(jìn)行簡化抽象，搭建仿真模型，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持一致，驗(yàn)證了該驅(qū)動系統(tǒng)可控性；

(2) 對外骨骼的響應(yīng)性能進(jìn)行分析，左小腿響應(yīng)誤差主要圍繞-0.5°波動，誤差最大值為-2.1°，右小腿響應(yīng)誤差主要圍繞0波動，誤差最大值為2.2°；

(3) 對角度誤差進(jìn)一步分析，給出氣閥的安裝距離合理范圍，以165 cm的成人為例，安裝距離為0～0.65 cm。