外骨骼機器人柔性變剛度驅(qū)動器設(shè)計

馬挺++郭險峰

摘 要：關(guān)節(jié)驅(qū)動器是外骨骼機器人的核心組成部分，目前傳統(tǒng)的剛性驅(qū)動器的缺點是：體積大、能耗多以及無法避免外界沖擊。為此該文提出一種全新的柔性變剛度驅(qū)動器，其基于彈簧的剛度控制，并對此柔性機構(gòu)進行了理論驗證，結(jié)果表明全新的柔性變剛度驅(qū)動器很好地解決了傳統(tǒng)剛性驅(qū)動器的主要缺點。

關(guān)鍵字：外骨骼 柔性變剛度驅(qū)動器 彈簧

中圖分類號：TP24 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（b）-0065-03

外骨骼原指為生物提供保護和支持的外部結(jié)構(gòu)，外骨骼機器人可以理解為一種結(jié)合了人的智能和機器人機械能量的人機結(jié)合可穿戴裝備[1]，可以增強穿戴者機能的一種裝備，包括機械結(jié)構(gòu)、相關(guān)制動器、彈性部件、傳感器和控制元件重量等，還遠遠達不到實際應(yīng)用的要求[2]。

如今，外骨骼機器人越來越多的應(yīng)用于輔助康復(fù)功能訓(xùn)練，患者通過穿戴外骨骼機器人，可以進行有效的功能康復(fù)訓(xùn)練，達到促進神經(jīng)系統(tǒng)功能恢復(fù)、提高日常生活活動能力的目的[2]。但是，目前絕大多數(shù)外骨骼機器人，包括BLEEX[3]、HAL[4]、LoKomat[5]等，其結(jié)構(gòu)均基于“電機+剛性傳動副”直接驅(qū)動各關(guān)節(jié)的方式，這種方式帶來的無法避免干擾和外界沖擊、體積較大以及耗能多等原理上的弊端，因此研究應(yīng)用于外骨骼機器人上的柔性驅(qū)動器顯得十分重要。該文將設(shè)計一種全新的、能夠使外骨骼機器人結(jié)構(gòu)輕巧的柔性驅(qū)動器，而且新的柔性驅(qū)動器具備吸收消減多余沖擊、減小電機能耗以及輔助出力的特點。

1 柔性驅(qū)動器的定義

傳統(tǒng)剛性驅(qū)動器的特點是，能夠到達特定的位置或者按照預(yù)先設(shè)定的軌跡運動，一旦到達指定位置，無論有無外界力施加于驅(qū)動器（外界力小于驅(qū)動器可承受的最大力），剛性驅(qū)動器都能保持在這一位置[6]。

相反，柔性驅(qū)動器即使在到達指定位置后，也會因為外界對它施加的力，產(chǎn)生相對于自己平衡位置的位移。柔性機構(gòu)的平衡位置，一般定義為驅(qū)動器產(chǎn)生零力或者零力矩的位置[7]。其中，平衡位置的概念只存在于柔性驅(qū)動器，剛性驅(qū)動器并無平衡位置這一說法根據(jù)上述特點，將外骨骼機器人驅(qū)動器分為以下幾類，如圖1所示。

2 柔性變剛度驅(qū)動器的原理

2.1 彈簧的變剛度原理

如圖2為一個圓截面圓柱螺旋壓縮彈簧的結(jié)構(gòu)圖，圖中為彈簧的外徑，為彈簧的節(jié)距，為彈簧的螺旋角，為彈簧絲的直徑。彈簧的剛度系數(shù)[8]，其中為彈簧剪切模量，為彈簧的有效圈數(shù)。如果想要改變彈簧的剛度，可以通過改變、、以及。

但是彈簧一旦設(shè)計加工完成，、、都均已固定，而有效圈數(shù)是彈簧成型后剛度可改變的量之一，也是最簡便的可改變量。因此該文的柔性驅(qū)動器就是通過改變彈簧的有效圈數(shù)來達到改變剛度的目的。

2.2 彈簧變剛度原理

該文柔性驅(qū)動器基于結(jié)構(gòu)控制剛度的概念[8]。其基本原理可以描述為：基于一個可以調(diào)整有效圈數(shù)的螺旋彈簧，通過增加或者減少彈簧的有效圈數(shù)來改變驅(qū)動器的柔順度。

因此柔性驅(qū)動器的剛度類似于線性彈簧。根據(jù)胡克定律，彈簧的應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系為： 。

如果彈簧的自由長度等于實際長度，那么力為0。這種情況對應(yīng)于柔性驅(qū)動器的平衡位置。對于一個彈簧，平衡位置是固定的，等于彈簧的自由長度。然而，對于該文中柔性機構(gòu)，可以通過改變彈簧的有效圈數(shù)來改變其自身的平衡位置。

圖3為彈簧的變剛度原理圖[9]。

如圖3所示，彈簧套于螺旋軸上，電機轉(zhuǎn)動帶動螺旋軸的轉(zhuǎn)動。當固定彈簧，使其無法旋轉(zhuǎn)時，螺旋軸的轉(zhuǎn)動將改變彈簧的有效圈數(shù)，使得彈簧沿軸向前進或后退，整個工作過程類似于滾珠絲杠。其中為彈簧自由長度，為彈簧壓縮或者伸長后的長度，取彈簧上某點作為彈簧的零點，為彈簧零點相對于外界參考環(huán)境的偏移量，為彈簧末端相對于零點的位移。為彈簧壓縮量。

根據(jù)胡克定律，得到彈簧末端輸出力：

其中，因為彈簧幾何結(jié)構(gòu)和滾珠絲杠相同，且工作過程類似于滾珠絲杠，那么描述滾珠絲杠的數(shù)學(xué)模型可以用來描述這種彈簧。主要的區(qū)別在于，滾珠絲杠的導(dǎo)程固定不變，而彈簧的節(jié)距會因為外力的作用而發(fā)生變化。

那么在理想的情況下，電機力矩[10]為

其中為彈簧的外徑，為彈簧的螺旋角。

并將記為彈簧常量那么彈簧剛度，為彈簧的壓縮量，所以，而彈簧自由長度，那么電機力矩為所以推導(dǎo)得電機功率為

2.3 柔性變剛度驅(qū)動器的原理

如圖4所示，電機和減速器輸出的旋轉(zhuǎn)運動，通過螺旋軸帶動彈簧旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)化為彈簧末端沿軸向的直線運動，彈簧末端的滑塊因此沿導(dǎo)軌進行上下的直線運動，然后通過鋼索，將滑塊的直線運動轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動。因為轉(zhuǎn)盤與關(guān)節(jié)處相連，那么轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動將會帶動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動。

3 柔性變剛度驅(qū)動器原理驗證

該文將柔性驅(qū)動器用于外骨骼機器人髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動。

圖5為人體正常行走時髖關(guān)節(jié)的角度、力矩以及功率（設(shè)定步態(tài)周期為3.5 s，人體體重為80 kg）

分析髖關(guān)節(jié)的步態(tài)，在人正常行走過程中，髖關(guān)節(jié)角度值呈正弦曲線變化，髖關(guān)節(jié)力矩在支撐初期為負值，而在支撐階段后期以及擺動階段初期為正值，是因為髖關(guān)節(jié)要產(chǎn)生正的力矩用以推動腿部前進進入擺動階段，在擺動階段后期，髖關(guān)節(jié)力矩為負值，則是由于髖關(guān)節(jié)要實現(xiàn)腿部減速完成腳跟著地動作。根據(jù)髖關(guān)節(jié)功率圖可知，髖關(guān)節(jié)在支撐階段儲存能量，在腳尖離地后釋放能量推動身體前行，其動作的兩個峰值功率分別出現(xiàn)在足跟著地前后和腳尖離地前后。但整個步態(tài)周期中，平均功率為正值。

根據(jù)公式，對于該文中的柔性機構(gòu)，和屬于選定后就無法改變的量。

并且有兩個變量，若要實現(xiàn)在整個步態(tài)過程中的最優(yōu)化，必須選定其中的一個變量，現(xiàn)選定=3000，那么通過合理選擇就可以實現(xiàn)在整個步態(tài)過程中的最優(yōu)化，從而使得電機的峰值功率達到最小。endprint

圖6為電機功率峰值達到最小時和正常行走的髖關(guān)節(jié)功率對比圖。

分析圖6，正常行走的髖關(guān)節(jié)功率峰值為36 w、-13.5 w，如果采用傳統(tǒng)直流無刷電機加減速器直接驅(qū)動的方式，那么電機輸出的功率

最小為36 w，而采用柔性機構(gòu)后，驅(qū)動電機所需的輸出最大功率為25 w，減小了31%。電機所需的最大功率的減小，將會使得所選電機的尺寸更小。

采用柔性機構(gòu)后，一個步態(tài)周期的電機耗能對應(yīng)電機功率曲線下方的面積，為30 J，而傳統(tǒng)的直驅(qū)方式，一個步態(tài)周期的電機耗能為直驅(qū)電機功率絕對值曲線的面積，耗能為38 J，因此采用柔性機構(gòu)后耗能減小21%，由于外骨骼機器人一般均采用電池供電，那么這將有助于延長外骨骼機器人的使用時間。

4 結(jié)語

對于一個理想的柔性關(guān)節(jié)驅(qū)動機構(gòu)，能夠消減外界沖擊、減小電機能耗以及輔助出力屬于最重要的特征。該文中所設(shè)計的柔性機構(gòu)，相對于傳統(tǒng)的電機加減速器直接驅(qū)動的剛性驅(qū)動模式，電機峰值功率減小了31%，能耗減小了21%，并且彈簧能夠?qū)ν饨鐩_擊進行有效的緩沖，外骨骼機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動器的以上這些特點，將極大地延長外骨骼機器人的工作時間以及增大外骨骼的活動范圍，提高外骨骼機器人在未知環(huán)境下的安全性。

參考文獻

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