主動航天服下肢關節電動伺服控制機構研究

郭 慶，張向剛，秦開宇

(電子科技大學航空航天學院，成都，611731)

1 引言

隨著人類對太空未知領域的不斷探索，航天員在太空的工作空間正在不斷地擴大，諸多工作(如航天設施的裝配維修、貨物運輸、察看其他航天器和進行科學試驗等)因為其不確定性和復雜性，需要在艙外惡劣環境中進行，這些惡劣的環境包括高真空、高輻射、干燥、溫差大等［1-2］，而航天服系統是這些操作的基本保證，是載人航天和深空探索的重要設備。

主動航天服不僅能夠為航天員提供傳統航天服防輻射、生命保障、功效保障3個方面的保障，而且能夠增強航天員生理功能，實現感官的延伸，使航天員成為融合了人的智慧和機器力量的超智能體。主動航天服的基本思想是:在現有航天服的基礎上運用外骨骼機器人技術，并融入傳感、控制、信息等技術，使航天員—航天服系統成為高度人機耦合的復雜力量隨動系統。在太空探索中，提高了航天員的承載能力、抓舉能力、機動能力和信息處理能力，增強了航天員的惡劣環境適應能力，輔助航天員完成各種深空探索作業。

主動航天服是對目前力量增強型外骨骼助力技術的延伸，幫助航天員實現太空行走、漂浮、艙內作業、艙外機動、月面采礦作業等等。NASA的X1外骨骼服由NASA佛羅里達州的人機認知研究所(Florida Institute for Human and Machine Cognition)和航洋工程空間系統公司(Oceaneering Space Systems in Houston)聯合研制，是基于NASA的Robonaut2(國際空間站的第一個人形機器人)。

2000年，美國國防部預研局(DARPA)分別資助了加州大學伯克利分校(U.C.Berkley)的BLEEX外骨骼系統和麻省理工學院(MIT)的類被動骨骼服的研究［3-4］;2006年，基于“BLEEX(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton)”技術，美國洛克希德·馬丁公司(Lockheed Martin)研制成功了“人類萬能攜行器(Human Universal Load Carrier，HULC)”，HULC 質量 24 kg(53 磅)，可攜行90 kg(200磅)的物品持續運行3 h。日本筑波大學研制出了世界第1臺商業化外骨骼助力裝置HAL［5］。俄羅斯正在研制第二代外骨骼助力裝備“勇士－21”，可承擔步兵大約95%的貨物負荷。在我國，2004年，國防科技大學和二炮工程學院開始了力量增強型外骨骼助力技術研究，分別開發了無動力攜行輔助器樣機。此后，哈爾濱工業大學、華東理工大學、中國人民解放軍海軍航空工程學院等單位［6-8］也陸續開展了相關技術的研究。周宏［9］于2011年提出了力量增強型下肢外骨骼助力系統的定義:“力量增強型下肢外骨骼助力系統，是以人為控制主體，機器為力量主體，高度人機耦合的復雜力量隨動系統。”

本文針對航天員艙內行走運動，設計一套可以驅動主動航天服的電動舵機驅動控制方案，實現下肢髖關節和膝關節隨動控制，幫助航天員能夠在艙內進行正常的助力行走、助力搬運等作業。

2 主動航天服組成

主動航天服作業系統，由太空和月面人體運動規律建模分系統、機械結構子系統、動力與能源分系統和感知控制分系統組成。NASA X1空間主動外骨骼服外形如圖1所示。X1采用聯合設計模式將外骨骼與航天服材料結合，增加了目前航天服機動和負重能力。X1包括機械結構裝置、感知與控制系統、動力系統4個分系統。機械結構裝置采用仿生技術實現航天員承載與攜行功能，感知與控制系統實現主動航天服攜行隨動與太空主動作業需求。動力系統將電能轉化為機械能輸出，作為執行機構。能源系統提供長效能源。

圖1 NASA X1空間主動外骨骼服Fig.1 X1 active exoskeleton spacesuit of NASA

3 控制機構系統方案設計

3.1 關節運動規律分析

如果航天員在艙內需要以3 km/h的速度行走，則髖關節角度變化曲線如圖2所示。

以1個步態周期Tgait為例，對髖關節角度變化規律進行擬合，表示如下:

① 當t＜0.5Tgait時，

圖2 單個周期髖關節角度在矢狀面內的變化規律Fig.2 Hip angle variation in sagittal plane for a gait cycle

② 當t＞0.5Tgait時，

對以上兩個關節分別求一階和二階導數，可以得到髖關節角速度ωh(t)、髖關節角加速度αh(t)隨時間變化規律。

同理，可以得到膝關節角度θk(t)、角速度ωk(t)以及角加速度αk(t)變化規律。建立主動航天服關節動力學模型表示為:

其中q=［θh，θk］T=［ωh，ωk］T，=［αh，αk］T，T=［Th，Tk］T為執行機構作用在主動航天服上的關節力矩。H(q)為慣性矩陣，C(q是Coriolis項，是重力項。

考慮航天員下肢大小腿與主動航天服機械裝置的大小腿耦合參數之后，將θk(t)、ωk(t)以及αk(t)變化規律代入，可以得到主動航天服行走過程中髖關節和膝關節處的動態負載扭矩Th，Tk。以髖關節為例，其動態負載扭矩變化規律如圖3所示。

由圖3可知，髖關節的最大扭矩Thmax=93 Nm出現在擺動相階段，最大轉速為rhmax=27 r/min。

髖關節運動的角功率在一個行走步態周期內變化規律如圖4所示。

由圖可知，髖關節運動的最大角功率為Phmax=409 W。

圖3 髖關節角速度與扭矩變化規律Fig.3 Hip joint angular velocity and torque variation

圖4 髖關節角功率變化規律Fig.4 Hip angular power variation

3.2 關節電機與減速器選型設計

假設電機效率為0.85，減速器傳動效率為0.9，因此電機額定功率表示為:

因此選擇一款盤式電機，額定功率Pnh=550 W，額定轉速為rnh=3500 r/min，扭矩Tnh=1.5 Nm。

要保證關節輸出大扭矩要求，需要配置減速器，因此髖關節的減速器的減速比表示為:

因此選定一減速器，減速比μh=100。最大輸出扭矩為Thout=191 Nm，滿足:

同理，擺動相階段的髖關節最大扭矩Tkmax=30 Nm，額定轉速為rkmax=71 r/min。膝關節運動的最大角功率為Pkmax=45 W。所需電機額定功率為:

因此選擇一款盤式電機，額定功率Pnk=250 W為，額定轉速為rnk=4000 r/min，扭矩Tnh=0.6 Nm。髖關節的減速器的減速比表示為:

因此選定一減速器，減速比μh=50。最大輸出扭矩為Tkout=91 Nm，滿足:

4 關節運動控制建模

4.1 電機負載運動建模

當以關節屈伸角θ為作為輸出量時，減速器輸出軸上的關節旋轉角運動模型表示為:

其中ML為關節軸上的負載扭矩，ua為控制電壓，Ke為電機反電動勢系數，Km為電機電磁轉矩系數，B為將電機折合到減速器輸出軸上的阻尼系數，Ra為電樞電阻。模型參數Tm、Td表示為:

其中La為電機的電樞電感，J為電機折算到減速器軸上與髖關節機械結構合成的轉動慣量。

4.2 關節角度控制規律設計

采用PID控制方法設計髖關節和膝關節電機控制規律，表示為:

其中uah、uak為兩個關節電機的驅動控制電壓，kph、kih、kdh為髖關節 PID 控制參數;kpk、kik、kdk為膝關節PID控制參數、為期望髖關節和膝關節角度變化，由3.1節擬合給出。θh、θk為關節實際角度，由關節編碼器測量得到，ωh、ωk為關節旋轉角速度，由大小腿角速度陀螺儀測量得到。

5 仿真結果

對主動航天服動力控制機構進行關節運動控制數字仿真。分別在髖關節和膝關節處加入動態負載扭矩如圖3和圖4所示，驗證設計的控制律正確性。其中髖關節額定電壓Unh=48 5 V，反電動勢系數Keh=0.756，電磁轉矩系數Kmh=0.114;電樞電阻Rah=3.636 Ω，電樞電感Lah=0.0055 H，髖關節軸等效后的轉動慣量Jh=3.611 kg·m2，阻尼系數Bh=0.35。膝關節額定電壓Unk=24 V，反電動勢系數Kek=0.318，電磁轉矩系數Kmk=0.047;電樞電阻Rak=1.86 Ω，電樞電感Lak=0.0055H，髖關節軸等效后的轉動慣量Jk=0.435 kg·m2，阻尼系數Bk=0.0875?？刂茀祂ph=1，bkih=0.1，kdh=0.3;kpk=4，kik=1，kdk=1。

髖關節期望角度和實際角度變化曲線如圖5所示，對應的控制電壓變化曲線如圖6所示。膝關節期望角度和實際角度變化曲線如圖7所示，對應的控制電壓變化曲線如圖8所示。

圖5 髖關節期望角度和實際角度變化曲線Fig.5 Hip desired angle and the actual angle curve

圖6 髖關節電機控制電壓變化曲線Fig.6 Hip curve of the motor control voltage

圖7 膝關節期望角度和實際角度變化曲線Fig.7 Knee desired angle and actual angle curve

圖8 膝關節電機控制電壓變化曲線Fig.8 Knee curve of motor control voltage

由圖可知，設計的控制律可以保證關節角度跟蹤期望步態角度的變化，控制量不飽和，表明髖關節和膝關節控制律能夠滿足穩定跟蹤航天員步態運動控制需求。

4 結論

本文介紹了一種應用于主動航天服系統中的控制執行機構設計選型方案。通過分析航天員行走步態，計算出關節動態扭矩變化，以此作為電機角度控制回路的輸入;通過設計關節角度控制律使膝關節和髖關節角度變化能夠進行隨動控制，為研制具有高機動性、高負載能力和一定防護能力的主動航天服提供技術支撐，以全面提高航天員的太空及月面的綜合活動能力。

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