基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的外骨骼助力搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真研究

高 坤，劉會(huì)霞，陳樹(shù)洋，王 霄

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

由于外骨骼搬運(yùn)機(jī)器人可以穿戴在人體上[1]，且對(duì)不同的工作環(huán)境具有較好的適應(yīng)性，被認(rèn)為是一種較好的輔助人體完成體力工作的器械。在國(guó)外，針對(duì)外骨骼助力機(jī)器人研究較早，如美國(guó)洛克希德·馬丁公司研制的HULC外骨骼機(jī)器人[2]、美國(guó)雷神公司的XOS2機(jī)器人[3]、日本筑波大學(xué)研制的HAL外骨骼機(jī)器人[4]。近年來(lái)，歐洲太空總署研制的上肢助力機(jī)器人[5]、日本東京大學(xué)的可穿戴機(jī)器人等[6]，物都可以較好地輔助人體搬動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自身力量的重量。但這些機(jī)器人結(jié)構(gòu)大都較為復(fù)雜，且價(jià)格昂貴。目前，國(guó)內(nèi)外骨骼機(jī)器人，主要針對(duì)的是日常行動(dòng)不方便的人群，且主要集中于外骨骼下肢[7-8]，因此有必要設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，價(jià)格較為便宜，適用于普通勞動(dòng)者需求的外骨骼助力搬運(yùn)機(jī)器人。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文將基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，方便人體穿戴的外骨骼助力搬運(yùn)機(jī)器人。

1 外骨骼助力搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 人體動(dòng)作分析

外骨骼助力搬運(yùn)機(jī)器人主要是輔助穿戴者完成搬運(yùn)動(dòng)作，所以在進(jìn)行外骨骼助力搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮的是完成搬運(yùn)動(dòng)作時(shí)人體主要的受力特點(diǎn)，在此分析的基礎(chǔ)上對(duì)外骨骼助力搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。查閱相關(guān)人體運(yùn)動(dòng)學(xué)文獻(xiàn)[9]，人體在搬運(yùn)貨物時(shí)，人體主要的受力關(guān)節(jié)為髖關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)，人體在抬起貨物后，人體主要起到對(duì)重物的支撐作用，最主要的支撐關(guān)節(jié)為人體的肘關(guān)節(jié)。人體搬運(yùn)動(dòng)作示意圖如圖1所示。

圖1 人體搬運(yùn)動(dòng)作示意圖

1.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的外骨骼助力搬運(yùn)機(jī)器人主要包括安裝在髖關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)上的驅(qū)動(dòng)裝置，外骨骼四肢及安裝外骨骼肘關(guān)節(jié)上的自鎖結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 外骨骼助力搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)

人體搬運(yùn)重物的過(guò)程中，人體主要的受力關(guān)節(jié)為人體的髖關(guān)節(jié)及肩關(guān)節(jié)。根據(jù)上述分析，驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)該安裝在外骨骼機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)處，肩關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置與髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一致。

驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

正常搬運(yùn)重物過(guò)程中，人體搬起貨物后，人體的主要受力來(lái)自于重物的重力，要減輕重物的重力對(duì)人體的影響，將外骨骼的肘關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)為自鎖機(jī)構(gòu)。當(dāng)搬起重物后，外骨骼肘關(guān)節(jié)自鎖，此時(shí)重物的重力通過(guò)外骨骼上臂傳遞到外骨骼下肢與外骨骼鞋，此時(shí)重物完全由外骨骼來(lái)支撐。

1.3 驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

外骨骼機(jī)器人的動(dòng)力輸出裝置主要有液壓驅(qū)動(dòng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于液壓驅(qū)動(dòng)相對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式較為笨重，液壓缸也不適合安裝于具有較多自由度的外骨骼上，外骨骼助力搬運(yùn)機(jī)器人采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。考慮到外骨骼機(jī)器人需要工作在不同的環(huán)境中，電機(jī)選擇MaxonEC90盤(pán)式電機(jī)。考慮到外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)裝置中的減速器選擇諧波減速器。驅(qū)動(dòng)裝置中的增量式編碼器與絕對(duì)式編碼器分別用來(lái)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角度。

1.4 肘關(guān)節(jié)自鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

人體上肢在支撐重物時(shí)，外骨骼肘關(guān)節(jié)主要的彎曲角度為90°～180°，所以外骨骼肘關(guān)節(jié)的自鎖角度需要設(shè)計(jì)為與人體上肢支撐重物時(shí)的角度相同，肘關(guān)節(jié)自鎖結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 肘關(guān)節(jié)自鎖結(jié)構(gòu)

初始位置時(shí)關(guān)節(jié)夾角為180°，由初始位置到關(guān)節(jié)夾角為90°的過(guò)程中，兩個(gè)帶齒止動(dòng)塊受到彈簧片一定的彈力，外部鏈接件上的齒被帶齒止動(dòng)塊卡主，所以肘關(guān)節(jié)上的鏈接件只能向肘關(guān)節(jié)角度減小的方向運(yùn)動(dòng)，向反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)引發(fā)自鎖。當(dāng)外骨骼肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)到夾角為90°時(shí)，鏈接件上的凸點(diǎn)撥動(dòng)撥片的突出部分，使帶齒止動(dòng)塊上的齒與鏈接件上的齒分離，使得肘關(guān)節(jié)自鎖結(jié)構(gòu)可以恢復(fù)到初始狀態(tài)。

2 機(jī)器人下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

針對(duì)所建立的外骨骼機(jī)器人的模型，其運(yùn)動(dòng)學(xué)分析主要是針對(duì)外骨骼下肢。

構(gòu)造外骨骼助力搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，根據(jù)D-H法建立外骨骼助力搬運(yùn)機(jī)器人下肢的D-H坐標(biāo)系如圖5所示[10]。

圖5 外骨骼機(jī)器人下肢D-H坐標(biāo)系

按照D-H矩陣參數(shù)的定義方法，得到的參數(shù)值如表1所示。

表1 外骨骼助力搬運(yùn)機(jī)器人下肢D-H參數(shù)表/(°)

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)正解

本研究將上述外骨骼助力搬運(yùn)機(jī)器人下肢D-H參數(shù)表帶入到齊次變換矩陣公式，可求得各連桿變換矩陣如下：

(1)

外骨骼助力搬運(yùn)機(jī)器人的下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)矩陣為：

(2)

其中：

r11=C345C12，r21=C345S12,r31=S345；

r12=-C345C12,r22=-S345S12,r32=C345；

r13=S12,r23=-C12,r33=0；

px=L1C1+L4C12C34+L3C12C3；

py=L1S1+L4C34S12+L3S12C3；

py=L4S34+L3S3；

Si=sinθi，Ci=cosθi，Sij=sin(θi+θj)，Cij=cos(θi+θj)。

為驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)學(xué)正解的方程是正確的，代入一組已知位置的關(guān)節(jié)角度值。現(xiàn)將初始位置坐標(biāo)θ1=0,θ2=π/2,θ3=0,θ4=0,θ5=0代入后得：px=a1,py=a3+a4,pz=0。

得到的關(guān)節(jié)末端位置值與已知的相同，可以驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)學(xué)正解的正確性。

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解

運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解就是在已知系統(tǒng)末端位姿時(shí)，求解系統(tǒng)各個(gè)關(guān)節(jié)的角度變量。使用齊次矩陣逆變換左乘或右乘運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，將各個(gè)關(guān)節(jié)變量分離出來(lái)，進(jìn)行求解各個(gè)關(guān)節(jié)變量的值。

對(duì)式(2)兩邊同時(shí)右乘4TH的逆可得:

(3)

式(3)兩邊元素(1，1)對(duì)應(yīng)相等得：

對(duì)式(3)兩邊同時(shí)右乘3T4的逆可得:

(4)

式(4)兩邊的元素(3，4)相等得：

對(duì)式(1)兩邊同時(shí)左乘0T1的逆:

(5)

式(5)兩邊的元素(3，1)與(3，2)對(duì)應(yīng)相等得：

并由式(5)兩邊的元素(1，4)對(duì)應(yīng)相等得：

為驗(yàn)證逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解的正確性，將外骨骼機(jī)器人的如圖5所示的以下初始位姿：

代入到所求得的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解當(dāng)中，求得各關(guān)節(jié)的角度為：θ1=0,θ2=π/2,θ3=0,θ4=0,θ5=0，與已知的實(shí)際關(guān)節(jié)角度相符，驗(yàn)證上面所求逆解的正確性。

通過(guò)對(duì)機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，在已知下肢尺寸及關(guān)節(jié)角度的情況下，獲得末端的位姿；通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，可以在已知末端位姿的情況下，獲得各關(guān)節(jié)的角度。

3 步態(tài)動(dòng)作仿真及聯(lián)合控制仿真

為了驗(yàn)證外骨骼助力搬運(yùn)機(jī)器人在搬起重物后步態(tài)行走時(shí)的穩(wěn)定性，本研究利用基于ADAMS的虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)外骨骼助力搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行下肢步態(tài)動(dòng)作的仿真分析。進(jìn)行步態(tài)仿真時(shí)，需要獲得人體在行走過(guò)程中下肢各關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取思路是，采用人體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，主要測(cè)量人體下肢行走過(guò)程中關(guān)節(jié)角度值，將測(cè)得髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為外骨骼助力機(jī)器人行走運(yùn)動(dòng)時(shí)的關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[11-12]。并基于ADAMS與Matlab對(duì)機(jī)器人模型采用PID控制算法，對(duì)其進(jìn)行了聯(lián)合控制仿真。

3.1 外骨骼模型的導(dǎo)入

本研究將在三維設(shè)計(jì)軟件Creo中建立的三維模型保存為Parasolid格式，以便于在ADAMS中打開(kāi)。模型在ADAMS中打開(kāi)后，對(duì)所設(shè)計(jì)的模型施加約束，添加材料，施加外骨骼腳與地面的接觸。將所測(cè)得的步態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在ADAMS中以TestData形式導(dǎo)入ADAMS中。最后對(duì)關(guān)節(jié)添加驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)函數(shù)的格式為STEP(time,102,1,102.01,0)*AKISPL(time,0,SPLINE_d,0)*1d，SPLINE_d為通過(guò)實(shí)驗(yàn)所獲得的人體相應(yīng)關(guān)節(jié)的步態(tài)數(shù)據(jù)。

在ADAMS中的步態(tài)仿真效果如圖6所示。

圖6 步態(tài)仿真效果

為驗(yàn)證所做步態(tài)仿真結(jié)果的可靠性，筆者通過(guò)分別檢測(cè)步態(tài)仿真過(guò)程中外骨骼下肢的末端位置曲線，以及下肢各關(guān)節(jié)的髖、膝、踝關(guān)節(jié)角速度與角加速度，并與人體CGA步態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以此說(shuō)明外骨骼下肢步態(tài)仿真的可靠性，進(jìn)而說(shuō)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。

3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果與分析

在人體步態(tài)實(shí)際行走時(shí)，人腳落地的整個(gè)過(guò)程中，首先是腳跟著地然后是腳尖著地，所以末端腳位移曲線在地面垂直面上有兩個(gè)波峰，第一個(gè)為腳跟著地，第二個(gè)為腳尖著地，下肢末端位置如圖7所示。

圖7 末端位置曲線

其所顯示的為兩個(gè)步態(tài)周期中的數(shù)據(jù)，第一個(gè)步態(tài)周期與第二個(gè)步態(tài)周期曲線中的數(shù)據(jù)基本一致，這與人體的實(shí)際步態(tài)運(yùn)動(dòng)情況相符。每一個(gè)步態(tài)周期的過(guò)程中都有兩個(gè)波峰，第一個(gè)代表腳跟著地，第二個(gè)代表腳尖著地，這與人體的CGA步態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)相一致。

髖、膝、踝關(guān)節(jié)的角加速度曲線在0 deg·s-2～0.85 deg·s-2范圍內(nèi)波動(dòng)，波動(dòng)范圍小，運(yùn)行平穩(wěn)，關(guān)節(jié)角加速度如圖8所示。

圖8 髖、膝、踝關(guān)節(jié)角加速度圖

并與CGA人體步態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)相比較，運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)與仿真數(shù)據(jù)基本一致，驗(yàn)證了所做下肢各關(guān)節(jié)加速度曲線的準(zhǔn)確性。

3.3 聯(lián)合控制仿真模型的建立

基于導(dǎo)入的虛擬樣機(jī)模型建立聯(lián)合仿真時(shí)的控制模型，其所控制的變量是虛擬樣機(jī)模型中的下肢膝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)扭矩。本研究在ADAMS中分別定義輸入狀態(tài)變量與輸出狀態(tài)變量，并將輸入狀態(tài)變量定義為扭矩，輸出狀態(tài)變量定義為所控制關(guān)節(jié)的角速度與角度[13]。輸入輸出狀態(tài)變量定義完成之后，在ADAMS中導(dǎo)出控制參數(shù)。

導(dǎo)出的控制控制參數(shù)在MATLAB中打開(kāi)，將adams_sub拖動(dòng)到MATLAB/Simulink當(dāng)中。采用PID控制方式，在Simulink中建立所示的PID控制方案如圖9所示。

圖9 聯(lián)合仿真控制圖

本研究通過(guò)不斷調(diào)整PID控制中的比例增益、積分增益與微分增益來(lái)使期望的關(guān)節(jié)角度曲線與實(shí)際響應(yīng)的關(guān)節(jié)角度虛線不斷接近。

3.4 聯(lián)合仿真結(jié)果分析

外骨骼助力搬運(yùn)機(jī)器人在步態(tài)行走過(guò)程中需要有較好的響應(yīng)特性與跟隨特性，由于調(diào)整PID參數(shù)時(shí)，各關(guān)節(jié)調(diào)整步驟基本相同，所以只選擇外骨骼左腿膝關(guān)節(jié)進(jìn)行了響應(yīng)特性與跟隨特性的分析。

隨后對(duì)聯(lián)合仿真控制模型中的左腿膝關(guān)節(jié)進(jìn)行了跟隨特性的分析仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 跟隨特性曲線

其中所施加的初始信號(hào)為正弦信號(hào)，通過(guò)不斷調(diào)整PID參數(shù)，使響應(yīng)曲線不斷逼近如圖7所示的期望曲線仿真結(jié)果。響應(yīng)曲線可以較好地跟隨正弦信號(hào)波動(dòng)而波動(dòng)，符合初始設(shè)計(jì)的要求。在ADAMS中也可以實(shí)時(shí)的顯示出左腿膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，適用于普通勞動(dòng)者需求的外骨骼助力搬運(yùn)機(jī)器人，并針對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，對(duì)外骨骼助力搬運(yùn)機(jī)器人下肢進(jìn)行了正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到了其運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果；基于ADMAS的虛擬樣機(jī)技術(shù)，對(duì)其下肢進(jìn)行了步態(tài)仿真及聯(lián)合控制仿真。

步態(tài)仿真結(jié)果表明：其步態(tài)運(yùn)動(dòng)情況符合人體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況；聯(lián)合控制仿真結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的外骨骼機(jī)器人有較好的響應(yīng)特性與跟隨特性。上述分析可為今后樣機(jī)的試制打下基礎(chǔ)。

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