劉澤鵬，趙利平，梁義維

（太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024）

1 引言

我國(guó)是煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)第一大國(guó)，目前煤礦機(jī)器人的應(yīng)用已日趨普遍，主要包含生產(chǎn)機(jī)器人、救災(zāi)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人［1］，煤礦已基本實(shí)現(xiàn)工作面的機(jī)械化生產(chǎn)，但在井下仍存在諸多工況不適合大型設(shè)備的使用，如復(fù)雜巷道維修、小型硐室掘進(jìn)和打幫錨桿等，人工體力勞動(dòng)依然是不可替代的。而針對(duì)這些井下零散工種的作業(yè)機(jī)器人尚未有實(shí)質(zhì)性推進(jìn)［2］，市場(chǎng)上也沒(méi)有相關(guān)的用于助力人體的礦用機(jī)器人出現(xiàn)。外骨骼機(jī)器人可以提高人們?cè)谛凶吣途眯?、?fù)重能力等特定方面的體能［3］。因此一款用于輔助煤礦工人作業(yè)的外骨骼機(jī)器人具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)均已開(kāi)展外骨骼機(jī)器人的研究工作。如文獻(xiàn)［4-6］進(jìn)行了相關(guān)研究。這些外骨骼機(jī)器人采用液壓或電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但都存在續(xù)航不足，活動(dòng)受限的問(wèn)題。

針對(duì)煤礦井下的復(fù)雜環(huán)境和實(shí)際工況需求，提出一種用于輔助工人移動(dòng)操作重型風(fēng)鎬等機(jī)具的外骨骼助力機(jī)器人，將造成人員疲勞的主要作業(yè)動(dòng)作配置成主動(dòng)驅(qū)動(dòng)，采用使用方便的氣動(dòng)或液壓傳動(dòng)來(lái)解決動(dòng)力問(wèn)題。

其他機(jī)構(gòu)配置非主動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而使機(jī)構(gòu)得以輕量化，同時(shí)也避免了復(fù)雜的傳感系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，成為一種更加實(shí)用化的外骨骼小型機(jī)具的可移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

這里設(shè)計(jì)的外骨骼主體可分為上肢和下肢兩部分。上肢的助力升降平臺(tái)用于承載重型機(jī)具實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)的移動(dòng)定位，由液壓驅(qū)動(dòng)，采用液壓助力系統(tǒng)控制。下肢承重機(jī)械腿采用仿生設(shè)計(jì)，模擬人體下肢生物結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)有髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械腿與人體下肢的同步運(yùn)動(dòng)。關(guān)節(jié)處設(shè)計(jì)有關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)幅度限位裝置，防止運(yùn)動(dòng)幅度過(guò)大造成人體生物組織的損傷。外骨骼機(jī)器人模型，如圖1所示。主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 外骨骼技術(shù)參數(shù)Tab.1 Exoskeleton Technical Parameters

圖1 外骨骼模型Fig.1 Exoskeleton Model

上肢助力升降平臺(tái)包括背部直線升降導(dǎo)軌和水平面內(nèi)移動(dòng)的承重機(jī)械臂。背部導(dǎo)軌由兩根平行的光軸豎直安裝，機(jī)械臂端部設(shè)計(jì)有安裝在導(dǎo)軌上的滑塊結(jié)構(gòu)，在背部助力油缸的推動(dòng)下，可沿著導(dǎo)軌直線滑動(dòng)。機(jī)械臂升降高度根據(jù)人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，符合人體上肢升舉最佳操作空間。水平機(jī)械臂是平面三連桿機(jī)構(gòu)，連桿通過(guò)空間規(guī)劃設(shè)置合理長(zhǎng)度，可以實(shí)現(xiàn)人體雙手操作舒適范圍的全覆蓋。

下肢機(jī)械腿共有10 個(gè)自由度，每條腿5 個(gè)自由度（左右腿對(duì)稱分布），下面以左腿為例，自由度布置為髖關(guān)節(jié)3 個(gè)（前屈∕后伸（110～-15）°，內(nèi)收∕外展（-30～30）°，旋內(nèi)∕旋外（0～40）°），膝關(guān)節(jié)1 個(gè)（伸∕屈（0～130）°），踝關(guān)節(jié)1 個(gè)（背屈∕跖屈（-20～20）°）。在人體直立行走和登臺(tái)階的過(guò)程中，膝關(guān)節(jié)所需要的驅(qū)動(dòng)功率是最大的［7］，因此在膝關(guān)節(jié)處設(shè)計(jì)有助力液壓缸。髖關(guān)節(jié)處設(shè)計(jì)有被動(dòng)助力器，利用彈簧儲(chǔ)能特性提供助力。在大腿連桿和小腿連桿處設(shè)計(jì)有長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置，可以根據(jù)不同身高調(diào)節(jié)合適的長(zhǎng)度。

該外骨骼上肢升降系統(tǒng)和下肢關(guān)節(jié)助力系統(tǒng)都是一種位置伺服系統(tǒng)。人體動(dòng)作位移作為控制開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)，控制作動(dòng)器跟隨人體動(dòng)作，整個(gè)人機(jī)系統(tǒng)形成了閉合機(jī)械反饋控制系統(tǒng)。液壓回路由氣液增壓泵供能，集成在背部，整個(gè)系統(tǒng)只需外接氣源作為驅(qū)動(dòng)。

3 人機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真

以平地搬運(yùn)行走為例，將人體模型和樣機(jī)模型導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行仿真分析。外骨骼模型的各部件材料設(shè)為鋼，經(jīng)輕量化設(shè)計(jì)后質(zhì)量為40kg，氣動(dòng)機(jī)具質(zhì)量為30kg。人體模型身高175mm，體重75kg。在人體模型和外骨骼模型的裝配連接處設(shè)置接觸，在人體腳底與地面間、外骨骼腳底與地面間設(shè)置接觸和摩擦。將一個(gè)完整步態(tài)周期的CGA數(shù)據(jù)導(dǎo)入ADAMS中作為下肢各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，因?yàn)橄轮倪\(yùn)動(dòng)是相對(duì)稱的且相差0.5個(gè)周期，故以下討論皆以左腿為例。左腿關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)角度曲線，如圖2所示。設(shè)置仿真時(shí)間為1s，仿真步數(shù)為1000，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真。仿真動(dòng)畫(huà)中模型從左腳落地開(kāi)始到左腳再次落地結(jié)束，人機(jī)模型可以平穩(wěn)順暢的行走，如圖3所示。

圖3 步態(tài)仿真動(dòng)畫(huà)Fig.3 Gait Simulation Animation

人體進(jìn)行任何負(fù)重動(dòng)作受到的力最終都會(huì)通過(guò)下肢傳遞到地面，因此腳底壓力可以作為評(píng)價(jià)外骨骼助力效果的指標(biāo)。一個(gè)步態(tài)周期的單腿腳底壓力變化曲線，如圖4所示。與驅(qū)動(dòng)曲線同步，在（0～0.6）s內(nèi)為支撐期，（0.6～1）s內(nèi)為擺動(dòng)期。由圖4可知，未穿戴外骨骼由人體直接負(fù)重時(shí)，壓力曲線在支撐期波動(dòng)較大，在（0～0.1）s和（0.5～0.6）s期間，下肢處于雙腳支撐期，兩腳的支撐狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，腳底在接觸地面和離開(kāi)地面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沖擊和壓力突變，最大值為1512.51N。在單腳支撐期內(nèi)（0.1～0.5）s壓力變化幅度較小，壓力平均值為1057.54N。穿戴外骨骼后，在（0～0.1）s和（0.5～0.6）s期間壓力的波動(dòng)明顯減小，曲線更加平緩，支撐期壓力更穩(wěn)定，在（0.1～0.5）s內(nèi)，壓力平均值為858.44N。穿戴外骨骼后支撐期腳底的平均壓力降低199.10N，即外骨骼幫助人體減小了18.83%的腳底負(fù)重，此外還有效減小了雙腿交換時(shí)的沖擊。

圖4 腳底壓力仿真曲線Fig.4 Simulation Curve of Foot Pressure

外骨骼作用于人體的交互力主要包括背板對(duì)人體背部的作用力和下肢綁腿對(duì)腿部的作用力，由于綁腿與人體為柔性接觸，機(jī)械腿理想的認(rèn)為與人體腿部貼合且無(wú)延遲的跟隨腿部動(dòng)作，故忽略綁腿的作用力。人體背部受力曲線，如圖5所示。

圖5 人體背部受力仿真曲線Fig.5 Back Stress Simulation Curve of Human Body

由圖5 可知，外骨骼對(duì)人體背部的力主要為壓力（數(shù)值為正），在0s和0.5s時(shí)，由于兩腿支撐狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，背部壓力會(huì)產(chǎn)生突變，最大值為610N。在整個(gè)步態(tài)周期內(nèi)，壓力平均值為124.03N。背部的壓力需要人體腰部肌肉出力來(lái)平衡，雖然數(shù)值較小，但是需要肌肉持續(xù)發(fā)力，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)造成疲勞，影響穿戴的舒適性。因此背部壓力是評(píng)價(jià)穿戴舒適性的重要指標(biāo)，為后期的改進(jìn)提供了參考。

4 物理樣機(jī)試驗(yàn)

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性和人機(jī)穿戴的實(shí)際效果，對(duì)實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，如圖6所示。測(cè)試人員身高176cm，體重75kg。在外骨骼樣機(jī)的背部靠板和腳底板安裝有應(yīng)變片式壓力傳感器，信號(hào)由示波器采集，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，由于兩次步態(tài)周期時(shí)間不同，無(wú)法直接比較，為方便觀察，將橫坐標(biāo)處理為一個(gè)完整步態(tài)的百分比數(shù)值，如圖7所示。由圖7可知，穿戴外骨骼后下肢的支撐期時(shí)間占比減小，即擺動(dòng)期時(shí)間占比增大，主要是因?yàn)闄C(jī)械腿的跟隨性較差，相對(duì)于人體動(dòng)作會(huì)有滯后，增加了擺動(dòng)期的時(shí)間。此外兩條曲線的趨勢(shì)基本一致，區(qū)別在于穿戴外骨骼后相較人體直接負(fù)重在數(shù)值上有明顯下降。人體直接負(fù)重的單腳支撐期壓力均值為1082.48N，穿戴外骨骼后單腳支撐期壓力均值為876.01N。即穿戴外骨骼機(jī)器人可以幫助人體減小19.07%的腳底壓力，這與仿真結(jié)果基本相同。

圖6 樣機(jī)試驗(yàn)Fig.6 Prototype Experiment

圖7 腳底壓力試驗(yàn)曲線Fig.7 Pressure Test Curve of Sole

人體背部受力曲線軌跡與仿真結(jié)果基本吻合，如圖8所示。最大值為615.49N，步態(tài)周期內(nèi)平均值為143.37N。

圖8 背部壓力試驗(yàn)曲線Fig.8 Back Pressure Test Curve

背部受到壓力作用會(huì)影響背部肌肉的發(fā)力情況，人體搬運(yùn)重物也與背部肌肉的發(fā)力密切相關(guān)，因此背部肌肉的活動(dòng)狀態(tài)也可以作為評(píng)價(jià)外骨骼穿戴效果的指標(biāo)。肌電信號(hào)能夠反應(yīng)肌肉的活躍程度［8］，人體背部發(fā)力涉及多組肌肉的協(xié)同作用，選取活躍程度較大的豎脊肌為測(cè)試對(duì)象。采用表面肌電信號(hào)采集系統(tǒng)測(cè)量肌肉的肌電信號(hào)，由藍(lán)牙模塊將測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸至電腦端，得肌電信號(hào)功率曲線，如圖9所示。圖9中兩條肌電信號(hào)功率曲線對(duì)比，可以明顯看出，外骨骼對(duì)人體背部的作用力雖然會(huì)使背部肌肉長(zhǎng)時(shí)間出力，但是仍然比人體直接負(fù)重時(shí)肌肉的運(yùn)動(dòng)功率小，功率均值減小約60%。

圖9 豎脊肌肌電信號(hào)功率曲線Fig.9 Vertebral Muscle SEMG Signal Power Curve

5 結(jié)論

（1）外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，動(dòng)作靈活順暢，能與人體的運(yùn)動(dòng)貼合。（2）外骨骼可以協(xié)助人體搬運(yùn)重物并進(jìn)行正常步態(tài)行走，可以有效減小人體下肢約19%的負(fù)重。（3）外骨骼本身可以平衡機(jī)具部分重量，減小背部肌肉約60%的活動(dòng)強(qiáng)度，但背部肌肉仍需出力，影響人體的舒適性，這為之后的研究和改進(jìn)工作奠定了基礎(chǔ)。（4）通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)表明外骨骼基本實(shí)現(xiàn)助力效果，但在機(jī)構(gòu)的自平衡性和下肢助力器的跟隨性方面還有待進(jìn)一步提高。