主動航天服關(guān)節(jié)助力外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

李照陽，戴躍洪,2,*，胡杰俊，王君堯

1. 電子科技大學(xué) 航空航天學(xué)院，成都 611731 2. 飛行器集群智能感知與協(xié)同控制四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611731

1 引言

隨著嫦娥五號任務(wù)的圓滿成功以及火星探測器“天問一號”的成功發(fā)射，中國成功地邁出了行星探測的第一步。與此同時，越來越多的人憧憬著載人星表探測的夢想能夠早日實(shí)現(xiàn)[1-2]。與傳統(tǒng)的太空作業(yè)不同，未來的星表探測作業(yè)要求航天服上下肢關(guān)節(jié)系統(tǒng)都具備良好的運(yùn)動性和靈活性，以便完成星表行走、樣品采集、設(shè)備維修和物資搬運(yùn)等工作。在工作過程中，航天服由于壓力防護(hù)存在內(nèi)外壓差，導(dǎo)致航天服關(guān)節(jié)運(yùn)動時會產(chǎn)生明顯的阻尼力矩，從而增加宇航員的體能消耗，影響未來星表探測任務(wù)的開展[3]，因此有必要研究一種能夠提高航天服關(guān)節(jié)活動性能的助力結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

近年來，為了提高航天服的活動性能，國內(nèi)外研究學(xué)者相繼提出了機(jī)械反壓[4]、等張力體軟式關(guān)節(jié)[5]、硬式髖關(guān)節(jié)[6]、并聯(lián)式肘部助力結(jié)構(gòu)[7]以及宇航員專用X1下肢助力外骨骼[8]等方案。上述方案對材料要求較高，且僅能實(shí)現(xiàn)局部助力。我們根據(jù)對國內(nèi)外航天服結(jié)構(gòu)的分析以及對力量增強(qiáng)型外骨骼技術(shù)的研究，提出了主動航天服設(shè)計方案，即在現(xiàn)有航天服的基礎(chǔ)上融合先進(jìn)的外骨骼機(jī)器人技術(shù)，使宇航員—航天服—助力外骨骼系統(tǒng)成為高度人—服—機(jī)耦合的復(fù)雜力量增強(qiáng)型隨動系統(tǒng)[9]。主動航天服的作業(yè)系統(tǒng)由人體運(yùn)動規(guī)律建模子系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、動力傳動子系統(tǒng)和感知控制子系統(tǒng)組成，可以幫助宇航員安全、快捷、高效、省力地完成各種星表探測任務(wù)。

目前，對于宇航員的助力研究，主要集中于對宇航員上肢和手套的助力，如Villoslada[10]等提出了一款柔性機(jī)械手(a soft hand exoskeleton)，緩解宇航員太空作業(yè)時的手部疲勞。張沛[11]等提出了艙外航天服上肢助力外骨骼，消除艙外航天服關(guān)節(jié)阻尼力矩對宇航員艙外作業(yè)的影響。崔翔[12]等提出了基于肌電信號的肘關(guān)節(jié)助力外骨骼，解決由于航天服隔離外骨骼系統(tǒng)與人體所造成的人機(jī)運(yùn)動協(xié)同問題。隨著星表探測任務(wù)需求不斷增加，星表行走、物資搬運(yùn)以及長距離車輛駕駛均對宇航員下肢活動能力提出了更高的要求。我們曾提出了一種航天服下肢助力外骨骼設(shè)計方案[13]，并對外骨骼結(jié)構(gòu)動力學(xué)及運(yùn)動控制算法進(jìn)行了研究。為了滿足宇航員未來任務(wù)需求，我們所設(shè)計的主動航天服將對宇航員上下肢關(guān)節(jié)系統(tǒng)均提供助力，并且通過調(diào)整控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)對不同重力環(huán)境、不同任務(wù)動作及不同負(fù)載變化時的關(guān)節(jié)助力。

本文提出一種應(yīng)用于航天服的關(guān)節(jié)助力外骨骼結(jié)構(gòu)方案，協(xié)助宇航員完成未來艙內(nèi)外操作任務(wù)。在對第一代外骨骼樣機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，建立第二代外骨骼樣機(jī)的設(shè)計模型，結(jié)合有限元軟件分析，進(jìn)一步優(yōu)化第二代關(guān)節(jié)助力外骨骼結(jié)構(gòu)尺寸，對比優(yōu)化結(jié)果，以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案可行性。

2 樣機(jī)設(shè)計

與地面用的外骨骼不同，本文提出的關(guān)節(jié)助力外骨骼是放置在航天服外部，主要用于克服航天服關(guān)節(jié)部位的阻尼力矩。當(dāng)確定外骨骼關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的仿生參數(shù)時，需首先分析航天服上下肢各組成部分(如大臂、大腿等)輸出端的運(yùn)動形式及運(yùn)動空間等相關(guān)參數(shù)，確定外骨骼各關(guān)節(jié)的自由度分配及對應(yīng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍，從而完成外骨骼結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計。另外，由于真正的航天服屬于高價值裝備，因此只能定制一套尺寸相仿的模擬航天服，利用干式潛水服模擬航天服的充壓環(huán)境。同時，關(guān)節(jié)助力外骨骼要在結(jié)構(gòu)上與人體肢體類似，且符合人體基本運(yùn)動規(guī)律，從而滿足外骨骼的可穿戴性要求。因此，擬將上肢機(jī)構(gòu)的一側(cè)簡化為一個3自由度、多剛體串聯(lián)的系統(tǒng)，下肢機(jī)構(gòu)的一側(cè)簡化為5自由度系統(tǒng)。根據(jù)人體生理結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，矢狀面的屈曲/伸展是人體主要的運(yùn)動形式，消耗的能量較大。同時為減小因末端質(zhì)量的增大所導(dǎo)致的能量消耗增加[14]，僅選擇在肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)矢狀面的屈曲/伸展方向安裝驅(qū)動電機(jī)，實(shí)現(xiàn)主動助力，其余關(guān)節(jié)表現(xiàn)為從動形式。關(guān)節(jié)助力外骨骼的自由度配置具體方案見表1，外骨骼的第一代樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 關(guān)節(jié)助力外骨骼第一代樣機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of the first-generation prototype of the joint-assisted exoskeleton

由圖1所示，第一代樣機(jī)主要采用貼合式穿戴方式，即外骨骼可以作為一個整體穿戴在航天服外側(cè)，可實(shí)現(xiàn)與航天服的快速穿脫。其中，U型擋板是可拆卸的，方便航天服與外骨骼之間的固定。各關(guān)節(jié)之間的連桿長度是可調(diào)的，通過調(diào)整螺孔位置以適應(yīng)不同宇航員。外骨骼的腳部存在一個自由度，用于模擬人體腳底的局部運(yùn)動。外骨骼手臂末端的彎鉤主要用于協(xié)助宇航員提拉重物。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 模型設(shè)計

在使用過程中，第一代外骨骼樣機(jī)暴露出諸多問題。首先是第一代樣機(jī)整體質(zhì)量達(dá)到24.835 kg，并不適合未來載人航天；U型擋板安裝與拆卸過程復(fù)雜，且極易與航天服發(fā)生運(yùn)動干涉，對航天服造成磨損；通過螺孔位置改變從而調(diào)整連桿長度，不符合人機(jī)工程學(xué)；僅通過背帶使外骨骼與宇航員固定，當(dāng)外骨骼負(fù)載過重時，會出現(xiàn)重心后移現(xiàn)象，極易造成宇航員向后摔倒。基于以上原因，第二代外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計需使宇航員—航天服—外骨骼之間的相互干涉情況最小，且本體結(jié)構(gòu)要輕巧、安全、可靠、堅固和耐用。所以擬定了以下設(shè)計目標(biāo)：1)外骨骼整體質(zhì)量≤15 kg；2)最大負(fù)載能力≥30 kg(地面)；3)選用強(qiáng)度高且高低溫性能較好的加工材料；4)滿足不同身高宇航員的需求。基于以上的設(shè)計目標(biāo)，對關(guān)節(jié)助力外骨骼進(jìn)行了以下方面的改進(jìn)，改進(jìn)后的第二代關(guān)節(jié)助力外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計模型如圖2所示。

圖2 關(guān)節(jié)助力外骨骼第二代結(jié)構(gòu)設(shè)計模型Fig.2 The second-generation structure design model of the joint-assisted exoskeleton

1)增加了弧形肩部固定架，避免因外骨骼重心后移而摔倒，提高了主動航天服穿戴的穩(wěn)定性。

2)各連桿被設(shè)計成具有弧度且可替換，使其結(jié)構(gòu)與航天服更加貼合，且適應(yīng)不同身形的宇航員。

3)減小外骨骼背部質(zhì)量，將背板簡化為背架；背架與弧形肩部固定架存在一個旋轉(zhuǎn)自由度，方便宇航員快速穿戴外骨骼，且減少背帶使用。

4)用輕質(zhì)彈性弧形固定護(hù)具替換U型擋板，優(yōu)化固定方式，增加穿戴舒適度。

5)用U型手環(huán)替換彎鉤，宇航員既可以用來固定外骨骼末端，減少抖動，又可以用來提拉重物。

6)調(diào)整自由度配置方案。將肩關(guān)節(jié)內(nèi)旋/外旋自由度調(diào)整為內(nèi)收/外展自由度；將髖關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展自由度調(diào)整為內(nèi)旋/外旋自由度；并且在腕關(guān)節(jié)處增加了一個旋轉(zhuǎn)自由度，使得宇航員的手部可以更加靈活地活動。

7)進(jìn)一步減小外骨骼各桿件的尺寸，減輕關(guān)節(jié)助力外骨骼整體質(zhì)量。

3.2 受力分析

需要分析第二代外骨骼上下肢運(yùn)動時的受力情況，得出兩者受力較大的運(yùn)動姿態(tài)，為外骨骼結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析做好理論依據(jù)。對于下肢運(yùn)動分析，人體行走周期可分為支撐相和擺動相，而且隨著運(yùn)動速度和重力環(huán)境的不同，支撐相的占比會發(fā)生明顯變化[15]。將人體行走分為三種狀態(tài)：站立、單腿支撐和雙腿支撐，如圖3所示。設(shè)外骨骼弧形腰部固定架及以上部件總質(zhì)量為G1，外骨骼左、右下肢質(zhì)量分別為G2、G3，腰部負(fù)載質(zhì)量為F。站立時下肢與身體冠狀面存在一個微小的前傾角，通過力學(xué)分析，得到不同行走狀態(tài)下的腳底分力F2x,F2z。

圖3 下肢受力簡圖Fig.3 Force diagram of lower limb

通過計算分析，可以得出在人體雙腿支撐時，腿桿所受的負(fù)載最小；而在人體單腿支撐時，外骨骼腿桿和各個關(guān)節(jié)受到的作用力最大，故選取腳底受力最大的單腿支撐狀態(tài)進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析與校核。而對于上肢的運(yùn)動分析，星表探測時上肢主要完成樣品采集、設(shè)備維修和物資搬運(yùn)。結(jié)合上肢的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以將上肢看作成懸臂梁，故選取其單臂負(fù)載和雙臂負(fù)載兩種狀態(tài)進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析與校核。

3.3 有限元分析

(1)靜力學(xué)分析

首先在Creo軟件中將各零部件進(jìn)行裝配約束，如重合、平行、角度偏移等。根據(jù)上述受力分析結(jié)果，將裝配的外骨骼模型調(diào)整為雙手舉物且單腿支撐的姿態(tài)。在保證機(jī)構(gòu)主要承力與傳力的形式下，對模型中設(shè)計的孔、倒圓角等部位進(jìn)行簡化，以避免網(wǎng)格劃分形狀不規(guī)則，導(dǎo)致求解時間太長或求解失敗[16]。隨后將簡化后的模型導(dǎo)入到Workbench軟件并設(shè)置材料屬性為鈦合金。對于裝配體來說，對外骨骼采用自動劃分網(wǎng)格的方法，生成的網(wǎng)格共有645 748個節(jié)點(diǎn)和363 392個單元。利用Skewness(偏度)衡量網(wǎng)格質(zhì)量[17]，模型的網(wǎng)格最大偏度小于0.95且平均值為0.284，說明網(wǎng)格劃分質(zhì)量能夠滿足有限元分析要求。對于整個外骨骼裝配體，需要研究的是單腿支撐那一瞬時的接觸情況和靜力情況，因此本論文的有限元接觸全部設(shè)置為綁定接觸。

對兩種情況進(jìn)行靜力學(xué)分析，分別是：單腿支撐時雙手捧物情況和單腿支撐時單手舉物情況。在單腿支撐時雙手捧物情況下(以右腿支撐相為例)，以右腳底面為約束面施加固定約束，在弧形腰部固定架上施加一個200 N豎直向下的集中載荷，同時在左右小臂桿件上各施加一個100 N豎直向下的集中載荷，整體的應(yīng)力分布情況和變形結(jié)果如圖4所示。

圖4 單腿支撐時雙手捧物情況下靜力學(xué)分析結(jié)果Fig.4 Statics analysis results with both hands holding objects when supporting one leg

在單腿支撐時單手舉物情況下(以右手舉物為例)，以右腳底面為約束面施加固定約束，在弧形腰部固定架上施加一個200 N豎直向下的集中載荷，同時在右小臂桿件施加一個200 N豎直向下的集中載荷，整體的應(yīng)力分布情況和變形結(jié)果如圖5所示。

由圖4、圖5可知，兩種情況下的最大應(yīng)力均位于弧形固定架與肩關(guān)節(jié)電機(jī)支撐架連接處上，應(yīng)力最大值分別為552.57 MPa和845.09 MPa。因此要對此處選用高強(qiáng)度的插銷，且此處的合頁要選用較厚尺寸，能承受軸向和徑向的力。雙手捧物時，外骨骼左臂因受到一個集中載荷導(dǎo)致整體向左偏移，且最大變形量位于左邊U型手環(huán)，當(dāng)左小臂桿件受力，U型手環(huán)向下移動，最大變形量5.262 2 mm。單手舉物時，最大變形量出現(xiàn)在右邊U型手環(huán)，由于右小臂桿件受到更大的載荷，U型手環(huán)向下彎曲，最大變形量為7.301 5 mm。

圖5 單腿支撐時單手舉物情況下靜力學(xué)分析結(jié)果Fig.5 Statics analysis results with single hand lifting objects when supporting one leg

從上述兩種情況的靜力分析來看，最大應(yīng)力和最大變形均發(fā)生在上肢機(jī)構(gòu)中。最大應(yīng)力接近材料的極限強(qiáng)度，且手臂末端的變形量較大，需要增強(qiáng)小臂桿件和大臂桿件的剛度，下一步可通過優(yōu)化上肢機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)來減小最大應(yīng)力值和變形量。另外，分析除手臂末端外的外骨骼變形情況，擺動腿一側(cè)的變形量要大于支撐腿一側(cè)的變形量，在單腿支撐時雙手捧物情況下，擺動腿向前變形約為3.5 mm。因此需要進(jìn)一步地優(yōu)化腿部的尺寸結(jié)構(gòu)，防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失穩(wěn)情況。

(2)模態(tài)分析

模態(tài)分析主要用于確定外骨骼的固有頻率和模態(tài)振型[18]。在運(yùn)動時，關(guān)節(jié)助力外骨骼會受到地面的沖擊以及機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動而產(chǎn)生振動。若外骨骼與驅(qū)動電機(jī)激勵源發(fā)生共振，會嚴(yán)重影響測量儀器的精度，且容易發(fā)生疲勞破壞，從而減小外骨骼的使用壽命。如果運(yùn)動時外骨骼與人體發(fā)生共振，那么會影響穿戴者的安全和健康。考慮到低階固有頻率及其對應(yīng)的振型對機(jī)構(gòu)的振動形式起到?jīng)Q定性作用。因此，對有預(yù)應(yīng)力情況下的外骨骼前六階進(jìn)行了模態(tài)分析。通過仿真計算，外骨骼的第一階至第六階固有頻率見表2。

表2 關(guān)節(jié)助力外骨骼前六階固有頻率

通過上述結(jié)果可知，關(guān)節(jié)助力外骨骼結(jié)構(gòu)前六階固有頻率均在20 Hz以下。在人體步行運(yùn)動模式的研究中，人體在步行時的擺動頻率為2 Hz，在跑動時則為4 Hz[19]。該外骨骼的最小固有頻率均大于這兩個頻率，因此不會與人體發(fā)生共振現(xiàn)象。同時，參考旋轉(zhuǎn)電機(jī)振動文獻(xiàn)[20]，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速在600～12 000 r/min時，其振動頻率為10～1 000 Hz。

外骨骼結(jié)構(gòu)運(yùn)動的前3階低于最小的振動評定頻率，其他階次的固有頻率在該振動頻率范圍之內(nèi)，因此可能會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，外骨骼前六階模態(tài)振型如圖6所示。

圖6 外骨骼前六階模態(tài)振型Fig.6 The first six-order model shapes of the exoskeleton

4 尺寸優(yōu)化

通過建模得知，第二代關(guān)節(jié)助力外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量約為18.466 kg，大于設(shè)計目標(biāo)所要求的15 kg。同時，單腿支撐時的單手舉物情況下的最大應(yīng)力接近鈦合金材料的極限強(qiáng)度，需要進(jìn)一步地優(yōu)化該工況下的結(jié)構(gòu)尺寸。而在外骨骼最初的尺寸設(shè)計時，主要參考文獻(xiàn)所提出的同類外骨骼來確定大致尺寸，這使得有些位置在受力和運(yùn)動時發(fā)生了變形，部分結(jié)構(gòu)設(shè)計未達(dá)到設(shè)計要求。因此，利用ANSYS中的Design Exploration模塊尋找一種最優(yōu)組合的機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計方案[21]。外骨骼結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化步驟如下：①選擇外骨骼主要桿件尺寸作為設(shè)計變量，確定變量范圍；②選擇需要優(yōu)化的性能參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)置約束條件；③利用響應(yīng)曲面優(yōu)化模塊進(jìn)一步生成設(shè)計變量的靈敏度圖，進(jìn)一步調(diào)整設(shè)計變量變化范圍，仍以約束條件開展優(yōu)化設(shè)計，以獲得最優(yōu)的尺寸配置。關(guān)節(jié)助力外骨骼優(yōu)化 設(shè)計流程如圖7所示。

圖7 外骨骼尺寸優(yōu)化設(shè)計流程Fig.7 Size optimization design process of the exoskeleton

4.1 設(shè)計變量

在本文，主要研究外骨骼桿件截面的長、寬的變化對輸出參數(shù)的影響，而桿件的長度是根據(jù)宇航員的身形來確定的，作為一個確定的數(shù)值。第二代關(guān)節(jié)助力外骨骼主要由上肢的大臂桿、小臂桿、背架條和弧形肩部固定架以及下肢的弧形腰部固定架、大腿桿和小腿桿作為設(shè)計變量。由于外骨骼左右兩邊結(jié)構(gòu)相同，且采用的是全局變量進(jìn)行參數(shù)化建模的，因此僅選取右側(cè)部分進(jìn)行分析。設(shè)計變量對應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸以及取值范圍含義見表3。SL是截面長 (section length)，SW是截面寬 (section width)，OV是初始值(original value)，MaV是最大值(maximum value)，MiV是最小值(minimum value)。

表3 設(shè)計變量及取值范圍

4.2 優(yōu)化變量及約束條件

由上述分析可知，首先需要將外骨骼整體質(zhì)量和最大von-Mises等效應(yīng)力作為優(yōu)化變量進(jìn)行輸出。通過弧形固定護(hù)具，外骨骼與宇航員耦合。當(dāng)兩者接觸部位的偏移量較大時會產(chǎn)生嚴(yán)重的干涉，從而導(dǎo)致人體穿戴舒適性變差[16]，因此需要將最大總應(yīng)變作為優(yōu)化變量。在模態(tài)分析中，受限于外骨骼結(jié)構(gòu)主體設(shè)計形式，固有頻率難以大幅提高，當(dāng)共振發(fā)生時，減小振幅就成了減小干涉影響和提高穿戴舒適性的主要途徑。此外，提高固有頻率也是提高穩(wěn)定性的重要手段，選取第一階固有頻率作為優(yōu)化變量。

對于最大von-Mises等效應(yīng)力的約束條件，通過查閱鈦合金的文獻(xiàn)[22]可知，對于所用的鈦合金TC4材料，可以滿足月表溫度在-180 ℃到+150 ℃的環(huán)境。鈦合金在-196.15 ℃時，其拉伸強(qiáng)度為1 500 MPa，屈服強(qiáng)度為1 420 MPa。在200 ℃時，其拉伸強(qiáng)度為799.9 MPa，屈服強(qiáng)度為731.2 MPa。另外，材料的許用應(yīng)力[σ]與極限應(yīng)力σs之間的關(guān)系為[σ]=σs/SH。其中SH為構(gòu)件的安全系數(shù)，鈦合金作為塑性材料，當(dāng)考慮靜強(qiáng)度時，取SH=1.5，則鈦合金的最大許用應(yīng)力為570 MPa，上述優(yōu)化目標(biāo)及對應(yīng)的約束條件取值見表4。

表4 優(yōu)化目標(biāo)及約束條件

4.3 優(yōu)化計算

利用Parameters Correlation分析出外骨骼系統(tǒng)設(shè)計變量之間的相關(guān)性以及輸出變量關(guān)于輸入變量的敏感性，確定對輸出變量影響顯著的輸入變量，提高后續(xù)響應(yīng)面和優(yōu)化計算的效率和精度。通過設(shè)計點(diǎn)采樣和曲面擬合技術(shù)，得到優(yōu)化變量關(guān)于設(shè)計變量的響應(yīng)面。由于優(yōu)化變量較多，遺傳算法的從問題解的串集開始多點(diǎn)搜索、用適應(yīng)度函數(shù)值來評估個體、以及采用概率的變遷原則來指導(dǎo)搜索方向等特點(diǎn)，增強(qiáng)了遺傳算法在多目標(biāo)搜索和優(yōu)化問題方面的有效性[23]。因此，在響應(yīng)面優(yōu)化中選擇多目標(biāo)遺傳算法MOGA(multi-objective genetic algorithm)作為目標(biāo)優(yōu)化方法。為了研究外骨骼模型的優(yōu)化變量對系統(tǒng)參數(shù)或設(shè)計變量的敏感程度，局部靈敏度分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 設(shè)計變量的局部靈敏度Fig.8 Local sensitivity of design variables

在圖8中，橫坐標(biāo)的4大輸出列分別對應(yīng)4個優(yōu)化變量，每大列中的柱狀代表著一個設(shè)計變量，按照P1到P12進(jìn)行依次排列(由于涉及到裝配問題，背部桿件的截面寬P6無法進(jìn)行優(yōu)化計算)。圖8可以清晰地顯示出設(shè)計變量對優(yōu)化變量的影響程度，以及正負(fù)相關(guān)性，這樣便于反推導(dǎo)出設(shè)計變量所需的變化趨勢，再結(jié)合滿足約束條件的3組最優(yōu)候選方案，可以初步確定設(shè)計變量。另外，在實(shí)際加工過程中，0.1 mm的加工精度需要大量的加工成本，所以擇尺寸為整數(shù)值的確定方案。

4.4 結(jié)果對比

根據(jù)設(shè)計變量的局部靈敏度，多目標(biāo)約束條件以及MOGA優(yōu)化算法得到了一組設(shè)計變量的最終取值，關(guān)節(jié)助力外骨骼結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化前后各參數(shù)的變化見表5。

通過表5可以看出，大臂桿件和背部桿件的截面面積有了適當(dāng)增加，桿件的加粗說明對應(yīng)的承載能力有了提高。其他桿件的截面面積得到了減小，說明相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用的尺寸過于保守。經(jīng)過優(yōu)化后，外骨骼整體質(zhì)量P13和最大von-Mises等效壓力P14分別下降了19.34%和33.27%，滿足之前給定的設(shè)計指標(biāo)，并且還存在一定的設(shè)計余量；最大總應(yīng)變P15下降了11.39%，優(yōu)化效果較為明顯，主要是由于腰部桿件P5的增大對其靈敏度較大。第一階固有頻率P16經(jīng)過優(yōu)化增加了2.89%，優(yōu)化后剛度降低導(dǎo)致結(jié)構(gòu)固有頻率很難提高。優(yōu)化后外骨骼的第一階至第六階固有頻率見表6。

表6 優(yōu)化后外骨骼前六階固有頻率

根據(jù)分析結(jié)果，調(diào)整尺寸并機(jī)械加工，研制的主動航天服關(guān)節(jié)助力外骨骼第二代樣機(jī)如圖9所示。

圖9 關(guān)節(jié)助力外骨骼第二代樣機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure diagram of the second-generation prototype of the joint-assisted exoskeleton

5 結(jié)論

本文設(shè)計并研制了一種提高航天服關(guān)節(jié)活動性能的助力外骨骼樣機(jī)，通過對比優(yōu)化前后的整體質(zhì)量、最大von-Mises等效應(yīng)力等參數(shù)，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的可行性。主要結(jié)論如下：

1)針對未來星表探測作業(yè)，提出了主動航天服概念設(shè)計方案，研制了其中第一代關(guān)節(jié)助力外骨骼樣機(jī)。根據(jù)使用反饋提出了第二代樣機(jī)的設(shè)計模型，利用有限元分析軟件完成結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，調(diào)整桿件尺寸，得到了第二代關(guān)節(jié)助力外骨骼樣機(jī)。

2)對比單腿支撐時的單手舉物情況下優(yōu)化結(jié)果，最大等效壓力從845.09 MPa下降至小于鈦合金材料最大許用應(yīng)力的563.89 MPa，整體質(zhì)量也從18.466 kg下降至小于設(shè)計目標(biāo)值的14.89 4kg，存在一定的設(shè)計余量，整體優(yōu)化效果較為明顯。

3)未來工作主要集中航天服阻尼力矩遲滯特性以及主動航天服運(yùn)動控制系統(tǒng)研究，為研制具有高機(jī)動性和高負(fù)載能力的主動航天服提供技術(shù)支撐。