王超+宋慧新

摘 要： 為了提高人類的負(fù)重能力，并降低人類在行進(jìn)中的能量消耗，設(shè)計(jì)了一種液壓驅(qū)動(dòng)的可穿戴外骨骼機(jī)器人，進(jìn)行了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)并確定了液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，其中腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵部分。通過(guò)數(shù)學(xué)公式分析了外骨骼機(jī)器人腿部受力，并對(duì)外骨骼機(jī)器人簡(jiǎn)化模型進(jìn)行虛擬仿真，確定各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)所需的力矩。在此基礎(chǔ)上，完成了機(jī)器人機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)。最后通過(guò)虛擬樣機(jī)技術(shù)，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)選取的合理性及所確定的液壓系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞： 外骨骼機(jī)器人； 虛擬樣機(jī)技術(shù)； 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)； 液壓系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(jī)器人與輪履式機(jī)器人相比，具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力和越障能力，一直是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。其中可穿戴式外骨骼機(jī)器人既具有超過(guò)普通2足機(jī)器人的穩(wěn)定性和高通過(guò)性，又避免了4足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)冗余性和控制復(fù)雜性，因而更加受到各國(guó)的重視[1?2]。

目前研制的大多數(shù)外骨骼機(jī)器人均存在自身質(zhì)量較重，穿戴復(fù)雜，需外接能源等問(wèn)題，實(shí)際應(yīng)用受到限制，基本停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，如美國(guó)的“XOS”系列外骨骼機(jī)器人[3]、日本的外骨骼機(jī)器人“HAL” [4]等。美國(guó)洛克希德?馬丁公司的下肢外骨骼機(jī)器人“HULC”采用液壓驅(qū)動(dòng)，是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的外骨骼機(jī)器人，已經(jīng)在戰(zhàn)場(chǎng)上試用[5?6]。

為了實(shí)現(xiàn)重物背負(fù)并降低人類在行進(jìn)中的能量消耗，以液壓驅(qū)動(dòng)外骨骼機(jī)器人為研究對(duì)象進(jìn)行了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過(guò)虛擬樣機(jī)技術(shù)驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求。

1 外骨骼機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在借鑒分析外骨骼機(jī)器人“HULC”的基礎(chǔ)上，進(jìn)行液壓驅(qū)動(dòng)外骨骼機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。初步選定該機(jī)器人自重約為30 kg，負(fù)重50 kg，行走速度能達(dá)到約1 m/s。

1.1 腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

腿部設(shè)計(jì)是外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的部分之一，直接決定著外骨骼機(jī)器人的各項(xiàng)性能。為了便于設(shè)計(jì)，仿照人體解剖學(xué)將外骨骼機(jī)器人的腿部分為三段，分別為大腿、小腿和足部，通過(guò)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)連接。其中髖關(guān)節(jié)具有1個(gè)主動(dòng)自由度和2個(gè)被動(dòng)自由度，膝關(guān)節(jié)具有1個(gè)主動(dòng)自由度，踝關(guān)節(jié)具有3個(gè)被動(dòng)自由度。通過(guò)單腿具有的2個(gè)主動(dòng)自由度和5個(gè)被動(dòng)自由度實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guān)節(jié)設(shè)計(jì)為例，分析膝關(guān)節(jié)處所受力矩，圖2為單腿的結(jié)構(gòu)二維圖。其中A點(diǎn)為液壓缸端，B為膝關(guān)節(jié)處，C為活塞桿端，設(shè)AB=c，BC=a，CA=b，[θ]為AB與BC間夾角，即膝關(guān)節(jié)角，設(shè)定[θ]允許轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為45°～180°，h為B到AC的距離，即膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)力臂。由此可以得到膝關(guān)節(jié)處參數(shù)間的幾何關(guān)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(nèi)徑；[Te]為液壓缸對(duì)膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

圖1 系統(tǒng)整體框架

圖2 單腿結(jié)構(gòu)二維圖

在進(jìn)行外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要獲得各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)所需力矩作為依據(jù)。為了得到膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)所需的最大力矩，在動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams中進(jìn)行外骨骼機(jī)器人原地蹲下起立仿真，以此測(cè)量膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的最大力矩。對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，設(shè)置如下：只在膝關(guān)節(jié)處施加一轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，忽略足部，踝關(guān)節(jié)通過(guò)1轉(zhuǎn)動(dòng)副連接背架，小腿通過(guò)1轉(zhuǎn)動(dòng)副與地面相連，仿真中設(shè)置背架及負(fù)載重量為70 kg，大腿質(zhì)量為2 kg，小腿質(zhì)量為1.1 kg，蹲下起立運(yùn)動(dòng)時(shí)間為2 s，并保證膝關(guān)節(jié)角在運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，如圖3（a）所示。

圖3 簡(jiǎn)化模型及仿真結(jié)果

圖3（b） 所示為仿真時(shí)膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)所需力矩與其對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)角度曲線，在機(jī)器人蹲下起立過(guò)程中，膝關(guān)節(jié)角度θ越小，此時(shí)所需要的力矩越大，整個(gè)過(guò)程中所需最大力矩為197.4 N·m。

結(jié)合《GB 10000?1988中國(guó)成年人人體尺寸》中成年人下肢尺寸，初步選定機(jī)構(gòu)參數(shù)為c=450 mm，p=21 MPa，d=20 mm，當(dāng)a在一定范圍內(nèi)取值時(shí)，根據(jù)式（1）～式（3），在Matlab中對(duì)其進(jìn)行仿真，得到了膝關(guān)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(guān)節(jié)最大輸出力矩。結(jié)合圖4曲線，本文取a為0.1 m，此時(shí)對(duì)應(yīng)的T?[θ]曲線為如圖5所示。由圖3 （b）可以看出此時(shí)膝關(guān)節(jié)處液壓缸輸出力矩遠(yuǎn)大于膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)所需力矩，完全符合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

圖4 膝關(guān)節(jié)油缸輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩曲線

圖5 膝關(guān)節(jié)油缸輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩

同樣，髖關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)動(dòng)自由度在運(yùn)動(dòng)時(shí)輸出力矩及所需最大力矩的分析仿真思路與膝關(guān)節(jié)處類似，因此不再論述。

1.2 軀干部分設(shè)計(jì)

外骨骼機(jī)器人的軀干部分主體為背架。背架上放置有外骨骼機(jī)器人的控制系統(tǒng)，動(dòng)力系統(tǒng)、部分姿態(tài)系統(tǒng)和高效能源系統(tǒng)及相關(guān)附件。人體所需背負(fù)的重物也通過(guò)背架作用在外骨骼機(jī)器人上。背架上各系統(tǒng)通過(guò)電纜、液壓油管與腿部的傳感器、執(zhí)行器等連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)外骨骼機(jī)器人的感知和控制。其相應(yīng)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(qū)動(dòng)電機(jī)，動(dòng)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(jī)器人三維模型

綜合上文所述，并結(jié)合仿生學(xué)和人機(jī)工程原理設(shè)計(jì)了外骨骼機(jī)器人三維模型，如圖7所示。

圖7 外骨骼機(jī)器人三維模型

1.4 外骨骼機(jī)器人液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于液壓驅(qū)動(dòng)相比于其他驅(qū)動(dòng)方式具有功率質(zhì)量比高、推力大、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，所以本文設(shè)計(jì)的外骨骼機(jī)器人采用液壓驅(qū)動(dòng)。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(jī)器人的性能要求；另一方面應(yīng)該使液壓系統(tǒng)的體積質(zhì)量盡可能的小，有助于減輕機(jī)器人自身質(zhì)量。

液壓系統(tǒng)的油壓與液壓缸內(nèi)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(guān)節(jié)輸出力矩的大小。為了滿足外骨骼機(jī)器人在負(fù)重50 kg的條件下能夠快速行走的要求，并結(jié)合對(duì)國(guó)內(nèi)液壓產(chǎn)品市場(chǎng)調(diào)研，進(jìn)行了外骨骼機(jī)器人液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。液壓系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)選取如表1所示。

表1 液壓系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)值

選取性能好、響應(yīng)速度快且體積小的高速開(kāi)關(guān)電磁閥作為液壓系統(tǒng)控制閥，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)閥的占空比系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)油缸位置的精確控制，保證了外骨骼機(jī)器人動(dòng)作的準(zhǔn)確性[7?8]。液壓系統(tǒng)所需最大流量與活塞桿速度、油缸進(jìn)/出油腔面積及處于同時(shí)工作狀態(tài)的液壓缸數(shù)成正比。系統(tǒng)的液壓泵通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制電機(jī)功率來(lái)控制液壓系統(tǒng)功率。整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力源來(lái)自外骨骼機(jī)器人背部安裝的兩塊高性能鋰電池。

2 外骨骼機(jī)器人虛擬樣機(jī)仿真

2.1 外骨骼機(jī)器人虛擬樣機(jī)

在Solidworks中建立外骨骼機(jī)器人三維模型，如圖8所示，利用parsolid接口，通過(guò)_. x_t文件將三維模型導(dǎo)入Adams中。在Adams中完成約束副的添加[9?10]，在膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)處添加已設(shè)定的運(yùn)動(dòng)函數(shù)，使其能夠模仿人類正常行走步態(tài)。仿真時(shí)各部件完全按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)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(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定，以保證外骨骼機(jī)器人的通用性。虛擬樣機(jī)如圖8所示。

圖8 外骨骼機(jī)器人虛擬樣機(jī)

2.2 行走仿真及結(jié)果分析

仿真時(shí)間為5 s，仿真結(jié)束后得到外骨骼機(jī)器人質(zhì)心位移曲線，如圖9所示，可得機(jī)器人的步速約為1.1 m/s，略優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。在圖9中曲線初始階段的位移出現(xiàn)負(fù)數(shù)是由于仿真初始階段步態(tài)未達(dá)到正常步態(tài)造成的，在實(shí)現(xiàn)步態(tài)正常后即可消除。

圖9 機(jī)器人質(zhì)心位移時(shí)間曲線

膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)處所受轉(zhuǎn)動(dòng)力矩曲線分別如圖10、圖11所示，其中縱軸負(fù)載力矩為負(fù)值表明活塞桿伸出需要克服的負(fù)載力矩，為正值表明活塞桿收縮時(shí)需要克服的負(fù)載力矩。圖10中負(fù)峰值出現(xiàn)在足部落下剛與地面接觸時(shí)，膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩絕對(duì)值的最大值為162.5 N·m，遠(yuǎn)小于膝關(guān)節(jié)處油缸最大輸出力矩197 N·m，滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)活塞桿收縮時(shí)，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(shí)未考慮機(jī)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(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處液壓缸也可以提供足夠的驅(qū)動(dòng)力，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖10 膝關(guān)節(jié)所受力矩曲線

3 結(jié) 語(yǔ)

在借鑒分析了外骨骼機(jī)器人“HULC”的基礎(chǔ)上，完成了液壓驅(qū)動(dòng)外骨骼機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)外骨骼機(jī)器人進(jìn)行了建模和行走仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證了機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及所選擇液壓系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。為接下來(lái)的樣機(jī)加工提供了理論依據(jù)。

圖11 髖關(guān)節(jié)所受力矩曲線

參考文獻(xiàn)

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圖10 膝關(guān)節(jié)所受力矩曲線

3 結(jié) 語(yǔ)

在借鑒分析了外骨骼機(jī)器人“HULC”的基礎(chǔ)上，完成了液壓驅(qū)動(dòng)外骨骼機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)外骨骼機(jī)器人進(jìn)行了建模和行走仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證了機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及所選擇液壓系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。為接下來(lái)的樣機(jī)加工提供了理論依據(jù)。

圖11 髖關(guān)節(jié)所受力矩曲線

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圖10 膝關(guān)節(jié)所受力矩曲線

3 結(jié) 語(yǔ)

在借鑒分析了外骨骼機(jī)器人“HULC”的基礎(chǔ)上，完成了液壓驅(qū)動(dòng)外骨骼機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)外骨骼機(jī)器人進(jìn)行了建模和行走仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證了機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及所選擇液壓系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。為接下來(lái)的樣機(jī)加工提供了理論依據(jù)。

圖11 髖關(guān)節(jié)所受力矩曲線

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