單兵裝甲下肢外骨骼機器人設計與仿真分析

晁智強， 王 飛, 2， 張傳清， 韓壽松

(1. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072； 2. 66336部隊， 河北 高碑店 074000)

單兵裝甲下肢外骨骼機器人設計與仿真分析

晁智強1， 王 飛1, 2， 張傳清1， 韓壽松1

(1. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072； 2. 66336部隊， 河北 高碑店 074000)

設計了一種針對軍事用途的單兵裝甲下肢外骨骼機器人(Individual Soldier Armored Lower Extremity Exoskeleton, ISALEE)，發揮人與機械各自優勢，提高士兵在執行任務過程中的承載能力。通過建立5連桿模型，對人體行走步態及下肢自由度進行了分析。利用零力矩點(Zero Moment Point, ZMP)穩定判據，分析單兵裝甲下肢外骨骼的動態穩定性，并對步態進行規劃。最后利用CAD軟件Solidworks和動力學仿真軟件ADAMS對單兵裝甲下肢外骨骼進行虛擬樣機建模和仿真。仿真結果驗證了利用ADAMS虛擬樣機進行結構設計的可行性，并為液壓驅動元件的選型和減小膝關節負載壓力的設計提供了理論依據。

下肢外骨骼； 零力矩點； 步態規劃； 仿真

單兵裝甲機器人是仿人機器人的一個特殊應用，使用時“穿”在人體外側，構成一套人體的“外骨骼”系統。單兵裝甲機器人可增強人的體能，提供裝甲防護，可應用于環境狹小、惡劣，不便于重型機械展開而不得不需要人力完成的各種作戰、修筑、運輸或搶險救災等場所。從軍用角度進行分析，單兵裝甲機器人的應用將會十分廣泛[1]。美國加州大學伯克利分校的下肢外骨骼(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton, BLEEX)是世界上首個可實際應用的智能負載外骨骼機器人；雷神公司研制的第2代外骨骼裝置Exoskeleton-2(XOS-2)因其強大的負載能力和動力而聞名。國內對下肢外骨骼的研究單位主要有浙江大學、哈爾濱工業大學等[2-5]，但仍處于理論研究和樣機實驗階段，并未投入實際應用。

當前國內外研究主要集中在如何增強穿戴者的力量，而對于降低外骨骼能耗和穿戴者膝關節負載方面的研究鮮見報道。BLEEX由于其能耗大，穿戴者長時間使用會導致膝蓋不舒服，因此未獲得進一步資助；XOS-2也因自帶電池僅能使用40 min，導致其始終離不開地面供電，至今未能投入使用。因此，在當前便攜電源續航技術發展遇到瓶頸的情況下，如何能夠降低能耗是決定外骨骼能否更好地投入實戰應用的重要因素。Grifn等[6]研究發現：當外骨骼負載增加40%時，踝關節、膝關節和髖關節的轉動力矩峰值分別增加38%、98%和47%。由此可見：提高外骨骼膝關節的驅動能力或降低膝關節的負載，能更大程度地減小負載對穿戴者的作用力，進而保護人體下肢較為脆弱的膝關節，更有效地降低外骨骼能耗。

筆者根據人體構造設計出單兵裝甲下肢外骨骼簡易結構，分析自由度驅動分配方案，運用零力矩點(Zero Moment Point)穩定判據進行外骨骼步態穩定控制[7]，利用CAD軟件Solidworks和動力學仿真軟件ADAMS對外骨骼步態周期進行運動學和動力學仿真，驗證設計的合理性，并對不同抬腿高度H下膝關節力矩曲線進行分析，以期通過合理配置各關節驅動力和改變穿戴者行走步態達到降低外骨骼能耗的目的。

1 人體行走步態及驅動分析

由于下肢外骨骼需要與人同幅度動作行走，因此對下肢外骨骼的研究必須從研究人的步態開始。

1.1 步態周期

步態指的是人在行走過程中肢體的協調關系[8]。人正常行走的過程通常發生在矢狀面，圖1以5連桿模型表示一個完整的步態周期[9]。

圖1 人體下肢步態周期

這里以左腳為參考腳，從左腳尖離開地面開始，到左腳尖再次離開地面結束為一個完整的步態周期。整個步態周期可分為擺動相(swing phase)和支撐相(stance phase)，其中：左腳從腳尖離開地面到腳跟接觸地面為擺動相，約占步態周期的40%；左腳從腳跟接觸地面到腳尖離開地面為支撐相，約占步態周期的60%。此外，根據兩條腿相互之間的姿態，整個步態周期又可以分為單腳支撐期和雙腳支撐期。

1.2 自由度及驅動分析

人體下肢運動主要依靠髖關節、膝關節和踝關節，雙腿共有12個自由度。髖關節是一個典型的球窩關節，具有伸/屈、內收/外展和旋內/旋外3個自由度；膝關節是一個髁狀關節，能進行前屈運動和小范圍的轉動，通常忽視膝關節旋轉自由度，將其視為具有1個前屈自由度；踝關節活動范圍較小，通常具有伸/屈和內收/外展2個自由度。在考慮可操作性的同時，應使外骨骼機器人盡量模擬人體下肢自由度的分配，在髖關節和膝關節設置驅動，以使大腿和小腿實現抬起并邁步。臨床步態分析(Clinical Gait Analysis, CGA)研究提供的數據表明：人類在行走、下蹲、登臺階和大多數運動中，髖關節、膝關節和踝關節在矢狀面釋放大部分力量。因此，筆者采取了髖、膝、踝關節伸/屈自由度的主動驅動方案,由于所需驅動力矩較大，因此筆者采用液壓驅動元件。另外，髖關節的內收/外展自由度提供側向平衡力，所需驅動力矩較小，但對安裝空間要求較高，液壓驅動元件很難安裝，因此筆者采用伺服電機驅動。考慮到節能，由于髖關節、踝關節的旋轉自由度以及踝關節的內收/外展自由度耗能很小，無需驅動力矩，因此將其設計成被動關節，由使用者的相應關節帶動[10]。

2 步態穩定控制及規劃

人穿著下肢外骨骼機器人行走時必須要滿足一個條件，即保持足底與地面接觸；同時，需要規劃能滿足這一條件的外骨骼機器人的運動。為保證雙足步行時的穩定性，筆者采用ZMP穩定判據，其主要思想是：雙足步行時身體保持平衡，保證所承受的所有外力之合力的作用線通過支撐足，并且處于支撐足和地面接觸的區域內[7]。因此，外骨骼ZMP應處于足底支撐多邊形內[11]，如圖2所示，在單腳支撐階段，支撐多邊形是單腳觸地的底面；在雙腳支撐階段，支撐多邊形是雙腳觸地所形成的多邊形。

圖2 支撐多邊形

2.1 穩定裕度

穩定裕度是指ZMP與支撐多邊形邊界的最小距離。人在穿著下肢外骨骼機器人行走時，穩定裕度決定其穩定性。當ZMP距支撐多邊形的中心越近，則穩定裕度越大，行走也越穩定。在外骨骼能夠快速響應人動作的前提下，人體可以主動調節重心，使ZMP在動態步行過程中始終保持在支撐多邊形內[7]。

2.2 ZMP計算

由于穿戴者與外骨骼之間的交互，當ZMP處于多邊形內時需要有足夠的穩定裕度。根據動力學理論和算法，可以根據運動計算ZMP[11-12]。

地面作用力繞原點力矩為

τ=p×f+τp,

(1)

式中：p為ZMP位置坐標；f為地面作用力；τp為繞過ZMP的鉛垂軸力矩。

地面作用力與動量、地面作用力力矩與角動量之間關系分別為

(2)

(3)

式中： P=(Px, Py, Pz)為總動量,Px、Py、Pz分別為P在各軸上的分量；M為總動量；g=(0, 0, -gz)為重力加速度,gz為g在z軸上的分量；L=(Lx,Ly,Lz)為角動量，Lx、Ly、Lz分別為L在各軸上的分量；c=(x,y,z)為質心位置坐標。

將式(1)、(2)代入式(3)可得

(4)

由于繞ZMP力矩的x、y兩分量為0，可得

(5)

(6)

可從式(5)、(6)得到ZMP位置

(7)

(8)

假設人在平地上行走，則pz=0,因此，可得px和py分別為

(9)

(10)

如果將機器人簡化為一個質點，則

(11)

(12)

2.3 步態規劃

根據外骨骼機器人行走時應滿足的約束條件規劃出踝關節軌跡，通過運動學逆運算得出相應關節角的時間函數。利用ZMP穩定判據得出外骨骼機器人行走ZMP軌跡，并求出在滿足ZMP軌跡時穩定裕度最大的質心和擺動踝關節軌跡[13]。步態規劃算法流程如圖3所示。

圖3 步態規劃算法流程

3 虛擬樣機建模及仿真

3.1 外骨骼建模

本設計中單兵裝甲下肢外骨骼機器人模擬人體的結構，可直接對外骨骼進行ZMP動態穩定性分析。對于復雜的機械結構，單純依靠數學方法進行建模分析十分復雜，在實踐中不可行，因此，筆者利用虛擬樣機ADAMS對機械結構進行建模和仿真。為提高效率，利用Solidworks進行外骨骼機構建模，再通過數據接口導入ADAMS。模型導入后，對模型各關節添加約束和相應驅動力，進行運動學仿真[8]。這里，采用STEP函數實現對起步、左腳、雙腳支撐期運動的控制。ISALEE單步行走仿真如圖4所示。

圖4 ISALEE單步行走仿真

筆者所在課題組在此基礎上設計制作了簡易樣機，并通過仿真曲線對其運動性和靈活性進行了測試。圖5為穿著樣機時的平地行走靈活性測試。

圖5 平地行走靈活性測試

3.2 仿真及分析

根據GB10000—1988給出的人體主要尺寸數據，以身高1 775 mm的成年男性為例，設置大腿連桿505 mm，小腿連桿403 mm。仿真僅在矢狀面內進行，僅保留髖關節與膝關節的伸/屈自由度，采用旋轉副連接，足部板視其為連接固定在小腿末端的質量塊。通過在motion中添加STEP函數近似擬合外骨骼髖關節和膝關節的運動角變化曲線，實現對關節運動的控制。在仿真過程中，設定仿真步長200步，仿真時間3.5 s。圖4中基于ZMP穩定控制判據對外骨骼機器人虛擬樣機進行步態規劃，樣機右腿能夠在半個步態周期內穩定前行，表明步態規劃合理、控制方法有效。在后處理模塊Postprocessor中，可對各約束上的數據曲線進行分析，這里以髖關節為例。

圖6-8分別為半個行走周期內右髖關節的角度、角速度和轉動力矩變化曲線。對其進行分析，可得以下結論：

1) 模型自然站立時，髖關節角度為0°，在半個步態周期內髖關節矢狀面屈伸角度變化范圍為0°～45° ，與控制函數設定相吻合；

2) 角度變化曲線平滑，沒有尖點，且沒有多余的起伏變化，說明外骨骼行走是一個平穩過程，驗證了模型的有效性；

3) 角速度變化曲線在1.5、2.0 s處出現拐點，但波動不大，且通過拐點時外骨骼結構未發生變化，驗證了運動穩定性；

4) 由于仿真周期為右腿擺動期，因此右髖關節力矩僅為正，其曲線絕對峰值為348 N·m，出現在右足落下與地面剛接觸的時刻，可依此選擇液壓缸型號及液壓泵大小，以滿足驅動力設計要求。

圖6 右髖關節角度變化曲線

圖7 右髖關節角速度變化曲線

圖8 右髖關節轉動力矩變化曲線

圖9為外骨骼髖關節屈向旋轉角度不同，即大腿連桿抬腿高度H(在矢狀面內，以髖關節為圓點，以大腿連桿長度為半徑，以大腿連桿垂直于地面的位置為起始位置，當大腿連桿繞髖關節逆時針運動時，膝關節距地面高度即為H)不同的情況下膝關節轉動力矩變化曲線，其中H1

圖9 不同H下膝關節轉動力矩變化曲線

4 結論

本文對單兵裝甲下肢外骨骼的結構進行了設計，對下肢外骨骼的步態進行了規劃，通過ADAMS建立了虛擬樣機并進行了仿真分析，結果表明：在合理設計機械結構以確保模型有效和運動穩定的基礎上，提高外骨骼大腿連桿抬腿高度H可降低膝關節轉動力矩，從而保護人體膝關節并更大程度地降低外骨骼能耗。

下肢外骨骼是一個復雜的非線性多體模型，筆者只是對人體進行簡化而得到近似模型，研究結果僅限于下肢外骨骼在平地上的矢狀面運動，后續將通過空間運動學分析和仿真進一步對下肢外骨骼的結構設計和能耗進行研究。

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(責任編輯: 尚彩娟)

Design and Simulation Analysis of Individual Soldier Armored Lower Extremity Exoskeleton

CHAO Zhi-qiang1, WANG Fei1,2, ZHANG Chuan-qing1, HAN Shou-song1

(1. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. Troop No.66336 of PLA, Gaobeidian 074000, China)

An Individual Soldier Armored Lower Extremity Exoskeleton (ISALEE) is designed for military, which takes advantages of human and machine to improve carrying capacity of soldiers during missions. The human lower extremity’s gait and degrees of freedom are analyzed with 5-links model. According to Zero Moment Point (ZMP) stability criterion, ISALEE’s dynamic stability is analyzed, and its gait is planned. Finally, the modeling and simulation of ISALEE virtual prototype are performed with CAD software Solidworks and dynamic simulation software ADAMS. The simulation result shows that structure design of the exoskeleton is reasonable with ADAMS virtual prototype, which provides theoretical basis for selecting hydraulic drive components and reducing load of knee.

lower extremity exoskeleton; Zero Moment Point (ZMP); gait planning; simulation

1672-1497(2015)06-0053-05

2015-09-21

晁智強(1967-)，男，教授，博士。

TP242.6

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.06.011