基于虚拟样机技术的外骨骼机器人机构设计

王超+宋慧新

摘 要： 为了提高人类的负重能力，并降低人类在行进中的能量消耗，设计了一种液压驱动的可穿戴外骨骼机器人，进行了机构设计并确定了液压系统的关键参数，其中腿机构设计是关键部分。通过数学公式分析了外骨骼机器人腿部受力，并对外骨骼机器人简化模型进行虚拟仿真，确定各关节运动所需的力矩。在此基础上，完成了机器人机构和液压系统设计。最后通过虚拟样机技术，验证了机构设计参数选取的合理性及所确定的液压系统满足设计要求。

关键词： 外骨骼机器人； 虚拟样机技术； 机构设计； 液压系统

中图分类号： TN911?34； TP319 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）04?0056?04

Mechanism design of exoskeleton robot based on virtual prototype technology

WANG Chao， SONG Hui?xin

（China North Vehicle Research Institute， Beijing 100072， China）

Abstract： In order to improve the ability of carrying heavy loads and reduce the energy consumption of people moving under their way， a wearable exoskeleton robot driven by hydraulic pressure was designed in this paper. The key part in the design is the leg mechanism design. The leg stress of the exoskeleton robot is analyzed with mathematical formulas. The driving torque needed by each joint was derived based on simulations of the simplified exoskeleton robot model. On the basis of the above analysis， the designs of exoskeleton robot mechanism and the hydaulic system were completed. The virtual prototype technology was used to show that the selection of the mechanism design parameters is reasonable and the hydraulic system meets the design requirements.

Keywords： exoskeleton robot； virtual prototype technology； mechanism design； hydraulic system

0 引 言

足式机器人与轮履式机器人相比，具有较强的地形适应能力和越障能力，一直是机器人研究领域的热点。其中可穿戴式外骨骼机器人既具有超过普通2足机器人的稳定性和高通过性，又避免了4足机器人的机构冗余性和控制复杂性，因而更加受到各国的重视[1?2]。

目前研制的大多数外骨骼机器人均存在自身质量较重，穿戴复杂，需外接能源等问题，实际应用受到限制，基本停留在实验室研究阶段，如美国的“XOS”系列外骨骼机器人[3]、日本的外骨骼机器人“HAL” [4]等。美国洛克希德?马丁公司的下肢外骨骼机器人“HULC”采用液压驱动，是当今世界上最先进的外骨骼机器人，已经在战场上试用[5?6]。

为了实现重物背负并降低人类在行进中的能量消耗，以液压驱动外骨骼机器人为研究对象进行了机构设计，并通过虚拟样机技术验证了机构设计满足要求。

1 外骨骼机器人机构设计

在借鉴分析外骨骼机器人“HULC”的基础上，进行液压驱动外骨骼机器人的机构设计。初步选定该机器人自重约为30 kg，负重50 kg，行走速度能达到约1 m/s。

1.1 腿部结构设计

腿部设计是外骨骼机器人设计中最为关键的部分之一，直接决定着外骨骼机器人的各项性能。为了便于设计，仿照人体解剖学将外骨骼机器人的腿部分为三段，分别为大腿、小腿和足部，通过关节实现连接。其中髋关节具有1个主动自由度和2个被动自由度，膝关节具有1个主动自由度，踝关节具有3个被动自由度。通过单腿具有的2个主动自由度和5个被动自由度实现对人体的助力行走。系统整体框架如图1所示。

本文以下肢外骨骼的膝关节设计为例，分析膝关节处所受力矩，图2为单腿的结构二维图。其中A点为液压缸端，B为膝关节处，C为活塞杆端，设AB=c，BC=a，CA=b，[θ]为AB与BC间夹角，即膝关节角，设定[θ]允许转动范围为45°～180°，h为B到AC的距离，即膝关节转动力臂。由此可以得到膝关节处参数间的几何关系，如下：

[b2=a2+c2-2accosθ] （1）

[hb=acsinθ] （2）

[Te=pπd24h] （3）

式中：[p]为系统油压；[d]为液压缸内径；[Te]为液压缸对膝关节的转动力矩。

图1 系统整体框架

图2 单腿结构二维图

在进行外骨骼机器人结构设计时，需要获得各关节运动所需力矩作为依据。为了得到膝关节运动所需的最大力矩，在动力学仿真软件Adams中进行外骨骼机器人原地蹲下起立仿真，以此测量膝关节转动时所需的最大力矩。对模型进行简化，设置如下：只在膝关节处施加一转动驱动，忽略足部，踝关节通过1转动副连接背架，小腿通过1转动副与地面相连，仿真中设置背架及负载重量为70 kg，大腿质量为2 kg，小腿质量为1.1 kg，蹲下起立运动时间为2 s，并保证膝关节角在运动范围内，如图3（a）所示。

图3 简化模型及仿真结果

图3（b） 所示为仿真时膝关节转动所需力矩与其对应的关节角度曲线，在机器人蹲下起立过程中，膝关节角度θ越小，此时所需要的力矩越大，整个过程中所需最大力矩为197.4 N·m。

结合《GB 10000?1988中国成年人人体尺寸》中成年人下肢尺寸，初步选定机构参数为c=450 mm，p=21 MPa，d=20 mm，当a在一定范围内取值时，根据式（1）～式（3），在Matlab中对其进行仿真，得到了膝关节处力矩曲线，如图4所示。由图4可以看出b的取值决定了膝关节最大输出力矩。结合图4曲线，本文取a为0.1 m，此时对应的T?[θ]曲线为如图5所示。由图3 （b）可以看出此时膝关节处液压缸输出力矩远大于膝关节转动所需力矩，完全符合机构设计要求。

图4 膝关节油缸输出转动力矩曲线

图5 膝关节油缸输出转动力矩

同样，髋关节处转动自由度在运动时输出力矩及所需最大力矩的分析仿真思路与膝关节处类似，因此不再论述。

1.2 躯干部分设计

外骨骼机器人的躯干部分主体为背架。背架上放置有外骨骼机器人的控制系统，动力系统、部分姿态系统和高效能源系统及相关附件。人体所需背负的重物也通过背架作用在外骨骼机器人上。背架上各系统通过电缆、液压油管与腿部的传感器、执行器等连接，实现对整个外骨骼机器人的感知和控制。其相应的三维模型如图6所示，从1～7分别为液压泵，液压系统控制阀块及姿态传感器，高性能锂电池，系统控制器、液压油箱，驱动电机，动力系统散热器，背架。

图6 外骨骼躯干部三维模型

1.3 外骨骼机器人三维模型

综合上文所述，并结合仿生学和人机工程原理设计了外骨骼机器人三维模型，如图7所示。

图7 外骨骼机器人三维模型

1.4 外骨骼机器人液压系统设计

由于液压驱动相比于其他驱动方式具有功率质量比高、推力大、响应迅速等优点，所以本文设计的外骨骼机器人采用液压驱动。液压系统的选取一方面要保证系统能输出足够大的力及力矩， 以满足外骨骼机器人的性能要求；另一方面应该使液压系统的体积质量尽可能的小，有助于减轻机器人自身质量。

液压系统的油压与液压缸内径、活塞杆直径决定了液压伺服缸在该处输出力的大小，从而决定了该关节输出力矩的大小。为了满足外骨骼机器人在负重50 kg的条件下能够快速行走的要求，并结合对国内液压产品市场调研，进行了外骨骼机器人液压系统的设计。液压系统关键参数选取如表1所示。

表1 液压系统关键参数设计值

选取性能好、响应速度快且体积小的高速开关电磁阀作为液压系统控制阀，通过调节开关阀的占空比系统实现对油缸位置的精确控制，保证了外骨骼机器人动作的准确性[7?8]。液压系统所需最大流量与活塞杆速度、油缸进/出油腔面积及处于同时工作状态的液压缸数成正比。系统的液压泵通过电动机驱动，通过控制电机功率来控制液压系统功率。整个系统动力源来自外骨骼机器人背部安装的两块高性能锂电池。

2 外骨骼机器人虚拟样机仿真

2.1 外骨骼机器人虚拟样机

在Solidworks中建立外骨骼机器人三维模型，如图8所示，利用parsolid接口，通过_. x_t文件将三维模型导入Adams中。在Adams中完成约束副的添加[9?10]，在膝关节和髋关节处添加已设定的运动函数，使其能够模仿人类正常行走步态。仿真时各部件完全按照设计参数进行设置，其中人体模型参数按照《GB/T 17245?2004 成年人人体惯性参数》中95%的百分位数对应的数据进行设定，以保证外骨骼机器人的通用性。虚拟样机如图8所示。

图8 外骨骼机器人虚拟样机

2.2 行走仿真及结果分析

仿真时间为5 s，仿真结束后得到外骨骼机器人质心位移曲线，如图9所示，可得机器人的步速约为1.1 m/s，略优于设计要求。在图9中曲线初始阶段的位移出现负数是由于仿真初始阶段步态未达到正常步态造成的，在实现步态正常后即可消除。

图9 机器人质心位移时间曲线

膝关节和髋关节处所受转动力矩曲线分别如图10、图11所示，其中纵轴负载力矩为负值表明活塞杆伸出需要克服的负载力矩，为正值表明活塞杆收缩时需要克服的负载力矩。图10中负峰值出现在足部落下刚与地面接触时，膝关节转动力矩绝对值的最大值为162.5 N·m，远小于膝关节处油缸最大输出力矩197 N·m，满足设计要求。当活塞杆收缩时，所克服的力矩很小，而图中出现的正向较大峰值是由于仿真时未考虑机器人的姿态控制而造成的，也是下一步在步态控制中所需要解决的。同样髋关节转动关节处液压缸也可以提供足够的驱动力，能够满足系统设计要求。

图10 膝关节所受力矩曲线

3 结 语

在借鉴分析了外骨骼机器人“HULC”的基础上，完成了液压驱动外骨骼机器人机构设计，并采用虚拟样机技术对所设计外骨骼机器人进行了建模和行走仿真实验，通过对仿真结果进行分析验证了机器人机构设计的合理性及所选择液压系统满足设计要求。为接下来的样机加工提供了理论依据。

图11 髋关节所受力矩曲线

参考文献

[1] 杨智勇，归丽华，张静，等.能量辅助骨骼服的研究现状及发展趋势[J].山东科技大学学报：自然科学版，2012，31（5）：41?49.

[2] KAZEROONI Homayoon， AMUNDSON Kurt， ANGOLD Russdon， et al. Exoskeleton and method for controlling a swing leg of the exoskeleton： US， US2011/0105966 [P]. 2011?05?05.

[3] ATSUSHI T， YASUHISA H， SANKAI Y. Gait Support for complete spinal cord injury patient by synchornized leg?swing with HAL [C]// 2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. San Francisco： IEEE， 2011： 1737?1742.

[4] TSUKAHARA A， KAWANISHI R. Sit?to?stand and stand?to?sit transfer support for complete paraplegic patients with robot suit HAL [J]. Advanced Robotics， 2010， 24（11）： 1615?1638.

[5] 刘志娟.多自由度下肢外骨骼控制系统研究[D].杭州：浙江大学，2011.

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[8] 温成卓，吴张永，王娴，等.高速开关阀控插装阀的特性研究[J].机床与液压，2012，40（23）：61?63.

[9] 贾长治.MD ADAMS虚拟样机从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2010.

[10] 王鹏，徐晓希，李吉祥，等.小型化四足机器人的运动学分析及仿真研究[J].机电工程，2013，30（8）：901?904.

图10 膝关节所受力矩曲线

3 结 语

在借鉴分析了外骨骼机器人“HULC”的基础上，完成了液压驱动外骨骼机器人机构设计，并采用虚拟样机技术对所设计外骨骼机器人进行了建模和行走仿真实验，通过对仿真结果进行分析验证了机器人机构设计的合理性及所选择液压系统满足设计要求。为接下来的样机加工提供了理论依据。

图11 髋关节所受力矩曲线

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图10 膝关节所受力矩曲线

3 结 语

在借鉴分析了外骨骼机器人“HULC”的基础上，完成了液压驱动外骨骼机器人机构设计，并采用虚拟样机技术对所设计外骨骼机器人进行了建模和行走仿真实验，通过对仿真结果进行分析验证了机器人机构设计的合理性及所选择液压系统满足设计要求。为接下来的样机加工提供了理论依据。

图11 髋关节所受力矩曲线

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