礦用外骨骼機器人的驅動系統(tǒng)設計及研究

王東成，梁義維, 張曉俊

(太原理工大學機械與運載工程學院, 山西太原 030000)

引言

外骨骼機器人是一種模仿人體結構，可被人體穿戴，輔助人體運動及增強人體負重能力的人機一體化機械裝置[1-3]。

國內外針對不同的應用領域都對外骨骼展開了研究。在國外，美國馬丁公司和伯克利分校共同開發(fā)出液壓傳動的外骨骼機器人HULC，不僅可以輔助人體負重行走，還可以使穿戴者完成匍匐前進和下蹲等動作[4]。新加坡的羅錦發(fā)教授研究開發(fā)了一種下肢外骨骼機器人，該系統(tǒng)采用了電動機驅動，當使用者穿上該設備時，以內側外骨骼上的傳感器測得的關節(jié)角度值作為電動機輸出的依據(jù)，驅動外側外骨骼提供助力[5]。日本TOYAMA S，YAMAMOTO G等[6-8]研制出用以減輕農民勞動強度的農用版外骨骼機器人，日本筑波大學開發(fā)出輔助老年人及殘疾人動作的HAL系列外骨骼機器人。在我國，上海傅利葉智能科技有限公司研發(fā)出可幫助癱瘓的患者實現(xiàn)行走等功能的外骨骼Fourier X1系列。李賢坤等[9-10]研制了下肢外骨骼實驗平臺，并對蹲起過程中外骨骼動作特性進行了研究。張斌等[11]研制了用于康復訓練的外骨骼機器人，并對控制系統(tǒng)的特性進行了分析。礦井下許多作業(yè)需要艱辛體力勞動，如人工破煤、打幫錨桿等工作，但由于礦井下環(huán)境限制，原有設備不宜完成，輪式或帶式機器人不具有與人可比的靈活性，因此項目組設計出可穿戴礦用外骨骼機器人。

本研究設計了礦用外骨骼機器人的驅動系統(tǒng)方案，介紹了其控制原理，建立了液壓系統(tǒng)模型，對各閥與液壓缸的工作狀態(tài)進行了說明，利用ADAMS/AMESim對其進行仿真分析，交代了實驗測量方法并在外骨骼樣機平臺進行了穿戴實驗驗證。實驗結果與仿真分析基本一致，實驗證明該驅動系統(tǒng)響應較快，運行平穩(wěn)。

1 外骨骼運動學分析

1.1 驅動原理

目前，外骨骼機器人具有多種驅動方式，但由于礦井下工況環(huán)境復雜，電控容易產生安全問題，因此本項目外骨骼驅動系統(tǒng)采用氣動控制，其氣液控制原理如圖1所示。整個系統(tǒng)通過4個二位三通換向閥、2個三位四通換向閥、2個氣缸和2個液壓缸協(xié)調工作[12]，各閥的狀態(tài)及液壓缸狀態(tài)如表1所示。

表1 各閥及液壓缸狀態(tài)

1.氣源 2～5.二位三通氣閥 6、9.氣缸 7、10.三位四通換向閥 8、11.液壓缸 12.油箱圖1 氣液驅動原理圖

該驅動系統(tǒng)通過輸入信號的變化進行控制，人體動作位移與外骨骼位移差值作為氣閥開關2，3，4，5的輸入信號，以差值的正負來控制氣缸6，9的伸縮，氣缸的伸縮完成液壓換向閥7，10的換向運動，從而控制液壓缸8，11的伸縮。當人體運動時，輸入信號存在差值，驅動系統(tǒng)工作，當外骨骼運動到指定位置，輸入信號差值為0，驅動系統(tǒng)停止工作。

1.2 運動學分析

外骨骼邁步前進過程中，運動過程復雜，因此必須對外骨骼進行簡化與抽象，建立出可體現(xiàn)下肢運動的力學模型[13-14]。如圖2所示，研究發(fā)現(xiàn)，在邁步行走時，人體在額狀面的擺動可忽略不計，運動軌跡主要發(fā)生在矢狀平面內，因此建立X/Y軸坐標系。假設各剛體為鉸接。得出簡化下肢力學模型[15]。

圖2 簡化下肢力學模型

圖2中θ1為膝關節(jié)轉角,θ2為髖關節(jié)轉角,分別為小腿桿和大腿桿的質心。l1為小腿質心到膝關節(jié)距離，l2為大腿質心到髖關節(jié)距離。那么桿件的質心速度為：

(1)

小腿桿與大腿桿轉過的角度及角速度為：

(2)

(3)

(4)

(5)

應用拉格朗日法[16]進行分析。建立函數(shù):

L=Ek-Ep

(6)

式中,Ek—— 系統(tǒng)動能

Ep—— 系統(tǒng)勢能

外骨骼系統(tǒng)動能可表示為:

(7)

式中，m1和m2分別為小腿桿和大腿桿的質量。

外骨骼系統(tǒng)勢能可表示為:

Ep=E1+E2

=m1g(l1cosθ1+2l2cosθ2)+m2gl2cosθ2

(8)

基于式(6)，得到外骨骼下肢動力學方程:

(9)

D=

2 仿真分析

2.1 外骨骼機械模型的建立

根據(jù)外骨骼機器人結構，進行UG三維建模，機械模型如圖3所示，模型在小腿連桿、大腿連桿及踝關節(jié)處長度可調，在左右小腿處以液壓缸作為驅動元件。要研究該驅動系統(tǒng)的行走性能，因此建模中將上肢軀干部分固聯(lián)為一個整體，只考慮在下肢設置運動副[17]。在軟件中設置的主要運動副如表2所示[18]。

圖3 外骨骼機械模型

表2 主要運動副設置

2.2 液壓系統(tǒng)AMESim建模

應用AMESim軟件搭建液壓系統(tǒng)模型[19]，利用機械元件庫、液壓庫和HCD 庫構建模型，如圖4所示。

模型左、右腿液壓驅動原理相同，因此在圖4中只標記外骨骼左腿部分元件。該驅動系統(tǒng)是一個開關型閥控液壓缸系統(tǒng)，位移傳感器9將液壓缸位移信號10與放大后的給定控制信號做比較形成一個差值信號，該差值信號放大處理后來控制液壓換向閥操作，以此改變液壓缸的液壓油供應及換向來控制液壓缸工作，該驅動系統(tǒng)是一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)，如果存在差值信號，系統(tǒng)自動調節(jié)液壓缸的位移輸出量，直至差值信號為0。液壓驅動模型主要參數(shù)如表3所示。

1.液壓泵 2.溢流閥 3.控制信號 4.控制器放大倍數(shù)5.系統(tǒng)信號放大倍數(shù) 6.活塞左腔體 7.質量塊8.活塞右腔體 9.位移傳感器 10.液壓缸位移信號圖4 液壓驅動模型

表3 液壓仿真主要參數(shù)

3 仿真及實驗結果

利用外骨骼實驗平臺進行穿戴行走實驗，外骨骼實驗平臺如圖5所示。對外骨骼行進中油缸油壓的變化情況及行走時外骨骼和人腿的響應情況進行研究分析。測量員身高175 cm,體重75 kg，外骨骼質量80 kg,外骨骼大腿桿長度0.5 m,質量為13 kg,小腿桿長度0.4 m,質量10 kg。實驗中，人體穿戴外骨骼從靜止雙腿支撐態(tài)到邁步前進單腿支撐態(tài)，最后回到靜止雙腿支撐態(tài)，完成一個完整的步態(tài)周期[20]。實驗時，用HK2051型油壓傳感器測得液壓缸油壓信號，并通過示波器存取數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖5 外骨骼實驗平臺

圖6 油壓信號測量值

由圖可知，外骨骼行走實驗完成一個完整的步態(tài)周期需要2 s,測得的電壓信號最大值為2.25 mV,最小值為0.27 mV。根據(jù)油壓信號曲線，計算可得到外骨骼行進過程液壓缸的油壓曲線。利用AMESim軟件中搭建好的液壓驅動系統(tǒng)模型，點擊仿真模式，設置仿真時間為3 s,通訊間隔為0.05 s，運行仿真。仿真完成，可以得到液壓模型中液壓缸的油壓仿真曲線，并與實測值進行對比分析，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)油壓變化曲線

如圖7所示為系統(tǒng)左腿液壓缸油壓的仿真及實測曲線。軟件仿真得到的油壓曲線，從0時刻開始，左腿從站立支撐態(tài)開始邁步前進，液壓缸開始工作，外骨骼左腿脫離地面支撐點，液壓桿收縮，油壓逐步上升，0.10 s后油壓達到最大值5.25 MPa,而后油壓迅速降落為5.00 MPa并維持穩(wěn)定，經過1.75 s后液壓桿伸長，油壓開始回落，并在1.85 s后降低為0，此時外骨骼左腿回歸地面支撐。油壓測量曲線與仿真曲線基本相同，實測值油壓最大值為4.92 MPa，略低于仿真值，由于實際系統(tǒng)存在液壓油泄漏及管路損失的情況，難以避免。

為了研究該驅動系統(tǒng)行走時，外骨骼與人體的響應情況，利用ADAMS軟件，進行了外骨骼穿戴行走性能仿真。利用搭建的外骨骼三維機械模型，在ADAMS中設置外骨骼腳底與地面的摩擦與接觸，并將一個完整的步態(tài)周期CGA數(shù)據(jù)[21]作為外骨骼下肢關節(jié)的驅動函數(shù)，設置仿真時間為3 s,仿真步數(shù)為1000步。外骨骼下肢運動是對稱的，只間隔0.5個周期。如圖8所示為外骨骼行進過程中小腿桿相對大腿桿轉角數(shù)據(jù)的仿真值與實測值。其實測值利用外骨骼實驗平臺，應用陀螺儀傳感器獲取實驗數(shù)據(jù)，在外骨骼大腿處粘貼2組感應片作為對照組，外骨骼小腿以及人體小腿處粘貼4組感應片作為實驗組。應用傳感器無線藍牙模塊在電腦終端實時獲取坐標數(shù)據(jù)，最終得出自由空間下移動的轉角數(shù)據(jù)。

圖8 外骨骼左小腿轉角

圖8為仿真及測得的外骨骼左小腿轉角數(shù)據(jù)，θ1為仿真值，θ2為測量值。從靜止雙腿支撐態(tài)開始，外骨骼抬腿到落地支撐態(tài)為1個動作，在0～3 s中共完成3次邁步前進動作。規(guī)定以左大腿延長線為0基準線，以順時針方向為正角度。由圖可知，人體穿戴外骨骼在邁步前進的過程中，小腿轉角的最大值不超過45°，其仿真值θ1在0～42°中規(guī)律地變化，而測量值θ2與仿真值θ1變化規(guī)律相同，最大值數(shù)值相近，但數(shù)據(jù)曲線又有波動，最大值出現(xiàn)時間有錯動，是由于行走中人體抖動導致，難以避免。圖9為測量中外骨骼及人腿的小腿相對大腿轉角數(shù)據(jù)。

將測得的左下肢轉角B及右下肢轉角C數(shù)據(jù)進行對比，在圖9a和圖9b中，可以看到左下肢人腿θ3、外骨骼θ4及右下肢人腿θ5、外骨骼θ6，轉角最大值在40°～45°之間波動，角度達到最大值后，此刻人腿由觸發(fā)一側氣閥開關轉為觸發(fā)另一氣閥開關，控制油缸由收縮過程開始進入伸長過程，在較短的時刻，系統(tǒng)油壓波動較大，因此液壓桿的伸縮量有所波動，因此測得的轉角有波動。圖10a和圖10b分別為左右人腿與機械腿的角度誤差，即外骨骼相對人體提前或滯后的角度，左小腿誤差E1最大值為-2.1°。右小腿誤差E2最大值為2.2°，左小腿的誤差E1主要圍繞-0.5°波動，右小腿誤差E2數(shù)據(jù)主要圍繞0波動，從曲線中可以看出該液壓系統(tǒng)靈敏度較高。

圖9 人腿及外骨骼轉角

在外骨骼結構中，氣閥安裝在外骨骼小腿的中心位置前后，即簡化的下肢力學模型中黑點標記位置前后，應用公式：

(10)

式中，d—— 氣閥與小腿軸線的距離

l—— 小腿長度

θ—— 人腿與外骨骼轉角誤差值

由于外骨骼的小腿長度可調節(jié)，難以準確計算，采用馬氏軀干腿長指數(shù)標準[22]，以身高175 cm的成人為例，小腿長34 cm,帶入最大誤差值θ=2.2°，計算得氣閥與軸線安裝距離最大為0.65 cm。

4 結論

礦用外骨骼具有很高的應用價值，設計合理的驅動系統(tǒng)對外骨骼的靈活性與舒適性至關重要,對系統(tǒng)油壓及外骨骼與人體響應性能研究分析，有助于對外骨骼機器人的進一步設計優(yōu)化。

(1) 設計了外骨骼驅動方案，分析了驅動原理，對外骨骼力學模型進行簡化抽象，搭建仿真模型，仿真結果與實驗結果保持一致，驗證了該驅動系統(tǒng)可控性；

(2) 對外骨骼的響應性能進行分析，左小腿響應誤差主要圍繞-0.5°波動，誤差最大值為-2.1°，右小腿響應誤差主要圍繞0波動，誤差最大值為2.2°；

(3) 對角度誤差進一步分析，給出氣閥的安裝距離合理范圍，以165 cm的成人為例，安裝距離為0～0.65 cm。