白云峰，吳漢忠，劉建輝，董威威，丁 浩，朱世根

(1.東華大學 機械工程學院，上海 201620；2.東華大學 紡織裝備教育部工程研究中心，上海 201620)

外骨骼機器人基于仿生學原理，通過模擬人體骨骼而設計，可穿戴在人體身上，從而將人的智慧與機器人的力量結合起來，助力人體完成原本不可能完成的任務[1]。國外很早就已經開展關于外骨骼機器人的研究，目前比較成功的是洛克希德·馬丁公司研制出的 HULC 型外骨骼機器人[2]以及日本筑波大學研制的HAL助力外骨骼機器人[3]等。國內目前對下肢外骨骼機器人的研制主要集中在醫(yī)療康復領域，而針對軍事領域或者其他領域的外骨骼機器人研究相對較少[4-6]，主要原因就包括外骨骼機器人靈活性不足等。為解決外骨骼機器人機構靈活性方面問題，使外骨骼機器人在滿足助力功能并提高人體負重能力的前提下能靈活應對復雜環(huán)境，本文在電液伺服控制技術研究的基礎上，采用仿生學原理開發(fā)出一種液壓直接控制的下肢外骨骼機器人，模擬分析結果顯示，該下肢外骨骼機器人能夠靈活跟隨人體下肢進行運動，具有良好的可穿戴性，結構輕巧，堅固耐用，安全性能良好。

1 仿生學設計

1.1 人體下肢運動分析及外骨骼自由度分配

仿生學中常用人體運動解剖學描述解釋骨頭之間的運動，以及每個關節(jié)在人體3個平面上的運動范圍，3個平面統(tǒng)稱為解剖學平面[7](見圖1)。解剖學平面將人體劃分為前后2部分的額或冠狀面，上下2部分的橫向平面，以及左右2部分的矢狀面或橫向面。在矢狀面的運動稱為彎曲—伸展，在冠狀面的運動稱為外展—內收[8-9]。關于踝關節(jié)，伸展通常稱為背屈，彎曲通常稱為砣屈。下肢是人體中從臀肌一直延伸到腳并同軀干下部連接的部分，主要包括骨盆、大腿骨、脛以及腳。髖關節(jié)將骨盆和大腿連接，膝關節(jié)將大腿和小腿連接，踝關節(jié)將小腿和腳連接。

圖1 人體解剖學平面

人體下肢主要有髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)3種關節(jié)，其中髖關節(jié)是一種多軸式球窩狀骨液關節(jié)，膝關節(jié)是一種骨液鉸鏈關節(jié)，踝關節(jié)是一種鉸鏈式滑膜關節(jié)。

人體下肢具有推動人走路和承受重量2個功能，結構復雜，運動形式多變。設計下肢外骨骼機器人時，在滿足功能要求的前提下，應盡可能地減少自由度的數(shù)量，一方面可以簡化下肢外骨骼機構，另一方面也可以降低控制的難度并節(jié)約能源。采用仿生學原理，根據(jù)人體下肢運動的簡化分析圖(圖2)，下肢外骨骼機器人設計了14個自由度，分配到每一側有7個自由度。其中，髖關節(jié)3個自由度(彎曲—伸展、外展—內收、環(huán)形)，膝關節(jié)1個自由度(彎曲—伸展)，踝關節(jié)3個自由度(背屈—砣屈、反向—外翻、環(huán)形)。人體下肢運動時，膝關節(jié)承載力較大，其對下肢運動范圍影響最大，考慮到輕量化、易控制、節(jié)約能源等因素，將膝關節(jié)自由度設計為主動自由度，其他自由度均為被動自由度。

圖2 人體運動簡化圖

1.2 外骨骼整體結構設計

該下肢外骨骼主要由2條機械腿組成，2條機械腿由腰部板固定裝置連接在一起，下肢外骨骼機器人模型如圖3所示。腰部板設計有尺寸調節(jié)裝置，以滿足不同人群的穿戴需求。在腰部板固定裝置上設計了一種箱體結構，用以裝載液壓系統(tǒng)部件。在大腿桿及小腿桿中部設置有尺寸調節(jié)裝置，以滿足不同人群身高需求。在外骨骼大小腿桿中間部位設置有綁帶，通過綁帶與人體固定在一起，達到穿戴效果。下肢外骨骼機器人的驅動裝置液壓部件(液壓缸)采用α+β鈦合金[10]，非受力件如箱體采用復合材料制作[11]，其余部件均采用7085超高強鋁合金[12]，極大地減小了下肢外骨骼機器人的重量。

圖3 下肢外骨骼機器人模型

在模擬仿真的基礎上，加工制作了外骨骼膝關節(jié)樣機，并進行了下肢外骨骼機器人膝關節(jié)與人體穿戴實驗，人體穿戴外骨骼樣機實況圖如圖4所示，結果表明人體能較好的穿戴外骨骼樣機，其穿戴性能良好。

圖4 人體穿戴外骨骼樣機實況圖

2 下肢外骨骼機器人結構設計與分析

2.1 膝關節(jié)

膝關節(jié)的承載力較大，且其對人體下肢運動范圍的影響較大，故將膝關節(jié)設置為主動關節(jié)。膝關節(jié)主要采用滑塊曲柄機構。與常見的連桿機構不同，本文所設計大腿件與小腿件通過軸連接，液壓缸與大腿件通過軸連接，液壓桿與小腿件通過軸連接，通過液壓桿伸縮實現(xiàn)大小腿件之間的夾角變化，進而實現(xiàn)關節(jié)的旋轉運動，極大地擴展了膝關節(jié)的運動范圍，提高了機構的靈活性。設置限位螺釘以及安全板有效實現(xiàn)了對運動范圍的限制，同時可以對穿戴者的膝關節(jié)起到保護作用，提高下肢外骨骼機器人的安全性能。膝關節(jié)結構見圖5。

圖5 膝關節(jié)結構

2.2 髖關節(jié)及踝關節(jié)

髖關節(jié)和踝關節(jié)的行為方式類似于球關節(jié)，存在3個自由度，這幾個自由度對于人體平穩(wěn)運動的實現(xiàn)至關重要。從生理學角度看，髖關節(jié)和踝關節(jié)的運動形式復雜多變，將髖關節(jié)和踝關節(jié)設計為球面副結構，其結構如圖6、7所示。球面副結構可以很好地滿足髖部和踝部在各個方向上的運動，大大提高了下肢外骨骼機器人的靈活性及跟隨性。踝關節(jié)運動范圍相對較小，因此前后各裝有一個彈簧及彈性繩索，在運動過程中，當有外力存在時，一方面可以通過他們的彈力提供踝關節(jié)所需的部分恢復力，另一方面也可以限制關節(jié)的轉動范圍，對人體踝關節(jié)起到一定保護作用，提高機構的安全性能。

圖6 髖關節(jié)結構

圖7 踝關節(jié)結構

2.3 整體結構運動范圍分析

將外骨骼機器人單側下肢模型進行簡化，如圖8所示，該外骨骼機器人采用液壓驅動。設計的驅動裝置是單活塞桿液壓缸，其行程為100 mm，最大長度250 mm。

A—髖關節(jié)；O—膝關節(jié)；D—踝關節(jié)；AI—腰部板；AO—大腿件；DO—小腿件；CD—足部；EF—液壓裝置；θ1—膝關節(jié)運動角度。

髖關節(jié)與踝關節(jié)在空間上采用的是球面副結構，在不考慮設置的限位裝置情況下，其運動范圍不受限。膝關節(jié)采用的是滑塊曲柄機構，OF長度小于50 mm，OE長度小于200 mm，在不考慮設置的限位裝置情況下，其運動范圍亦不受限。

考慮到實際設計應用中設置的限位裝置的存在，外骨骼機器人下肢3個關節(jié)的運動范圍具體如表1所示[13]，這與人體實際的關節(jié)運動范圍是高度一致的。

表1 外骨骼機器人下肢關節(jié)運動范圍

3 下肢外骨骼機器人運動學理論分析

3.1 D-H坐標系的建立及參數(shù)定義

在下肢外骨骼單側模型中，有7個自由度被考慮，其中3個位于髖關節(jié)、1個位于膝關節(jié)、3個位于踝關節(jié)。首先根據(jù)D-H法則定義坐標系[14]，坐標原點位于腰部板中間，即原點X0Y0Z0。局部坐標系如下，髖關節(jié)：環(huán)形運動X1Y1Z1，外展—內收X2Y2Z2，彎曲—伸展X3Y3Z3；膝關節(jié)：彎曲—伸展X4Y4Z4；踝關節(jié)：反向—外翻運動X5Y5Z5，背屈—砣屈X6Y6Z6，環(huán)形運動X7Y7Z7。末端執(zhí)行器位于足部底板最尖端X8Y8Z8。

圖9 下肢外骨骼的D-H描述

在確定坐標系之后，依據(jù)各部件運動范圍及尺寸數(shù)據(jù)，得到D-H參數(shù)，下肢外骨骼部段的D-H參數(shù)見表2。

表2 下肢外骨骼部段的D-H參數(shù)

表中θi是Xi-1圍繞Zi-1旋轉到Xi的角度，同時如果關節(jié)i旋轉,θi也是關節(jié)變量，取決于每個關節(jié)的運動范圍βi。di是第(i-1)個坐標系原點到Zi-1軸和Xi軸交點的距離沿Zi-1軸的長度。ai是Zi-1軸和Xi軸的交點到第i個坐標系原點的距離沿Xi軸的長度。ai是Zi-1軸圍繞Xi軸旋轉到Zi軸的角度。ai和di為外骨骼部段尺寸，為固定值，取決于人類個體。

3.2 運動學方程建立及正運動學解

(1)

式中：DZ(di)和DX(ai)分別為第(i-1)個坐標系原點到Zi-1軸和Xi軸交點的距離沿Zi-1軸的向量位置以及Zi-1軸和Xi軸的交點到第i個坐標系原點的距離沿Xi軸的向量位置。

最終求得:

(2)

將表2中參數(shù)代入式(2)中可得到各相鄰坐標系之間的旋轉矩陣為

則下肢外骨骼機器人的機械腿足部底板末端執(zhí)行器相對于腰部板中心的變換矩陣為：

(3)

為驗證運動學正解方程的正確性，可將初始位置參數(shù)β1=0°、β2=0°、β3=0°、β4=0°、β5=0°、β6=0°、β7=0°、β8=0°代入式中，得到Px=a0+l3、Py=0、Pz=l1+l2。這和人體直立姿態(tài)下外骨骼機器人的位姿是相同的，說明下肢外骨骼的運動學正解是正確的[15]。

正運動學分析結果表明，外骨骼機器人結構設計合理可靠，也為后續(xù)根據(jù)末端執(zhí)行器位置確定各關節(jié)具體運動情形提供了理論指導，為控制模塊的研究奠定了基礎。

4 下肢外骨骼機器人運動學仿真分析

將在SolidWorks軟件中建立的人機三維模型另存為Parasolid格式導入到運動學軟件ADAMS中，并在ADAMS/VIEW環(huán)境中設置各個零件的質量、材料等屬性參數(shù)[16]。為實現(xiàn)提高仿真效率、簡化仿真等目的，可在保證仿真完整性的前提下，盡量減少模型構件的個數(shù)。對于沒有相對運動的構件，可以運用布爾加運算將其設置為一個整體，實現(xiàn)多合一，達到簡化目的。

4.1 虛擬樣機的建立

人機三維模型(圖10)建立好之后，需要在各個構件之間添加約束，對于沒有相對運動的構件采用固定副，有相對轉動的構件采用轉動副，有相對移動的構件采用移動副。下肢外骨骼機器人單側設計有7個自由度，為簡化仿真，將每側矢狀面上的彎曲/伸展自由度定義為旋轉副，其他自由度定義為固定副，即每側髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)矢狀面上各保留1個自由度(旋轉副)。人體仿真模型的約束設置參照外骨骼設置方法，使其保持一致。

圖10 人機三維模型

在知曉各個關節(jié)的變化規(guī)律后可對虛擬模型進行運動控制，在ADAMS運動學控制方法中，最常用的控制函數(shù)為STEP函數(shù)[17]，STEP(x,x0,h0,x1,h1)為其基本格式。通過對髖關節(jié)及踝關節(jié)添加驅動，最終完成人機模型虛擬樣機的建立。

4.2 運動學仿真結果分析

通過ADAMS/Simulink工具條，設置仿真時間End time 為16 s，設置仿真步長Steps 為100，即仿真幀數(shù)為100(每隔0.16 s輸出一次仿真結果)，所得下肢外骨骼機器人行走圖如圖11所示。

圖11 人機模型樣機聯(lián)合行走圖

通過ADAMS/postprocess處理模塊將數(shù)據(jù)處理后得到人體與外骨骼的大腿、小腿的質心位置與速度變化曲線，分別見圖12～15。

由圖12、14可知，人體與下肢外骨骼機器人聯(lián)合行走過程中，大小腿質心位置變化曲線光滑穩(wěn)定，表明人機聯(lián)合行走狀態(tài)穩(wěn)定。質心位置曲線出現(xiàn)波動上升是由于機器人邁步行走時質心在垂直方向上的上下周期性波動，但由于質心位移在水平方向上的持續(xù)增大，曲線最終變化趨勢為持續(xù)上升。人體和機器人大小腿質心位置運動曲線的變化規(guī)律相同，基本呈現(xiàn)同步變化狀態(tài)，說明人機協(xié)同性良好，機器人結構設計合理。圖13、15示出，人體和機器人大小腿速度變化曲線變化規(guī)律基本相同，曲線動態(tài)一致。從曲線斜率看，在行走過程中存在加速度變化的過程，這是為了保證機器人能更穩(wěn)定地行走。

圖12 人機大腿質心位置變化曲線

圖13 人機大腿速度變化曲線

圖14 人機小腿質心位置變化曲線

圖15 人機小腿速度變化曲線

仿真結果表明，人機聯(lián)合行走過程中，外骨骼機器人與人體具有良好的跟隨性，能夠滿足人體行走運動需求，其運動學建模和分析方法正確且合理，也驗證了外骨骼機器人機構設計的合理性，對實物模型的建立起到了指導作用。其次，人機聯(lián)合行走曲線圖的獲取，也為后續(xù)根據(jù)傳感網(wǎng)絡獲取的數(shù)據(jù)判斷人機聯(lián)合行走狀態(tài)提供了思路，為控制模塊研究工作的展開奠定了基礎。

5 結束語

為解決剛性外骨骼機器人靈活性問題，從人體下肢運動機制、驅動方式以及性能要求出發(fā)，設計了一款基于液壓驅動的下肢外骨骼機器人機構。對外骨骼關鍵關節(jié)部位進行了獨特的機構設計，在保證靈活度、輕量化及功能的基礎上，滿足了復雜運動的需求以及不同人群穿戴要求。通過對下肢外骨骼機器人進行D-H建模，從理論上分析了外骨骼機器人機構設計的合理性，并為控制模塊的研究提供了理論指導。在SolidWorks環(huán)境下建立人機三維模型，并導入ADAMS軟件中，對下肢外骨骼機器人進行了運動學仿真，仿真結果表明外骨骼機器人機構設計合理，驗證了理論分析的正確性，對下肢外骨骼機器人運動的進一步研究具有重要參考價值，也為控制模塊研究工作的展開奠定了基礎。