矿用外骨骼机器人的驱动系统设计及研究

2020-09-15王东成梁义维张晓俊

液压与气动 2020年9期

王东成，梁义维, 张晓俊

(太原理工大学机械与运载工程学院, 山西太原 030000)

引言

外骨骼机器人是一种模仿人体结构，可被人体穿戴，辅助人体运动及增强人体负重能力的人机一体化机械装置[1-3]。

国内外针对不同的应用领域都对外骨骼展开了研究。在国外，美国马丁公司和伯克利分校共同开发出液压传动的外骨骼机器人HULC，不仅可以辅助人体负重行走，还可以使穿戴者完成匍匐前进和下蹲等动作[4]。新加坡的罗锦发教授研究开发了一种下肢外骨骼机器人，该系统采用了电动机驱动，当使用者穿上该设备时，以内侧外骨骼上的传感器测得的关节角度值作为电动机输出的依据，驱动外侧外骨骼提供助力[5]。日本TOYAMA S，YAMAMOTO G等[6-8]研制出用以减轻农民劳动强度的农用版外骨骼机器人，日本筑波大学开发出辅助老年人及残疾人动作的HAL系列外骨骼机器人。在我国，上海傅利叶智能科技有限公司研发出可帮助瘫痪的患者实现行走等功能的外骨骼Fourier X1系列。李贤坤等[9-10]研制了下肢外骨骼实验平台，并对蹲起过程中外骨骼动作特性进行了研究。张斌等[11]研制了用于康复训练的外骨骼机器人，并对控制系统的特性进行了分析。矿井下许多作业需要艰辛体力劳动，如人工破煤、打帮锚杆等工作，但由于矿井下环境限制，原有设备不宜完成，轮式或带式机器人不具有与人可比的灵活性，因此项目组设计出可穿戴矿用外骨骼机器人。

本研究设计了矿用外骨骼机器人的驱动系统方案，介绍了其控制原理，建立了液压系统模型，对各阀与液压缸的工作状态进行了说明，利用ADAMS/AMESim对其进行仿真分析，交代了实验测量方法并在外骨骼样机平台进行了穿戴实验验证。实验结果与仿真分析基本一致，实验证明该驱动系统响应较快，运行平稳。

1 外骨骼运动学分析

1.1 驱动原理

目前，外骨骼机器人具有多种驱动方式，但由于矿井下工况环境复杂，电控容易产生安全问题，因此本项目外骨骼驱动系统采用气动控制，其气液控制原理如图1所示。整个系统通过4个二位三通换向阀、2个三位四通换向阀、2个气缸和2个液压缸协调工作[12]，各阀的状态及液压缸状态如表1所示。

表1 各阀及液压缸状态

1.气源 2～5.二位三通气阀 6、9.气缸 7、10.三位四通换向阀 8、11.液压缸 12.油箱图1 气液驱动原理图

该驱动系统通过输入信号的变化进行控制，人体动作位移与外骨骼位移差值作为气阀开关2，3，4，5的输入信号，以差值的正负来控制气缸6，9的伸缩，气缸的伸缩完成液压换向阀7，10的换向运动，从而控制液压缸8，11的伸缩。当人体运动时，输入信号存在差值，驱动系统工作，当外骨骼运动到指定位置，输入信号差值为0，驱动系统停止工作。

1.2 运动学分析

外骨骼迈步前进过程中，运动过程复杂，因此必须对外骨骼进行简化与抽象，建立出可体现下肢运动的力学模型[13-14]。如图2所示，研究发现，在迈步行走时，人体在额状面的摆动可忽略不计，运动轨迹主要发生在矢状平面内，因此建立X/Y轴坐标系。假设各刚体为铰接。得出简化下肢力学模型[15]。

图2 简化下肢力学模型

图2中θ1为膝关节转角,θ2为髋关节转角,分别为小腿杆和大腿杆的质心。l1为小腿质心到膝关节距离，l2为大腿质心到髋关节距离。那么杆件的质心速度为：

(1)

小腿杆与大腿杆转过的角度及角速度为：

(2)

(3)

(4)

(5)

应用拉格朗日法[16]进行分析。建立函数:

L=Ek-Ep

(6)

式中,Ek—— 系统动能

Ep—— 系统势能

外骨骼系统动能可表示为:

(7)

式中，m1和m2分别为小腿杆和大腿杆的质量。

外骨骼系统势能可表示为:

Ep=E1+E2

=m1g(l1cosθ1+2l2cosθ2)+m2gl2cosθ2

(8)

基于式(6)，得到外骨骼下肢动力学方程:

(9)

2 仿真分析

2.1 外骨骼机械模型的建立

根据外骨骼机器人结构，进行UG三维建模，机械模型如图3所示，模型在小腿连杆、大腿连杆及踝关节处长度可调，在左右小腿处以液压缸作为驱动元件。要研究该驱动系统的行走性能，因此建模中将上肢躯干部分固联为一个整体，只考虑在下肢设置运动副[17]。在软件中设置的主要运动副如表2所示[18]。

图3 外骨骼机械模型

表2 主要运动副设置

2.2 液压系统AMESim建模

应用AMESim软件搭建液压系统模型[19]，利用机械元件库、液压库和HCD 库构建模型，如图4所示。

模型左、右腿液压驱动原理相同，因此在图4中只标记外骨骼左腿部分元件。该驱动系统是一个开关型阀控液压缸系统，位移传感器9将液压缸位移信号10与放大后的给定控制信号做比较形成一个差值信号，该差值信号放大处理后来控制液压换向阀操作，以此改变液压缸的液压油供应及换向来控制液压缸工作，该驱动系统是一个闭环的控制系统，如果存在差值信号，系统自动调节液压缸的位移输出量，直至差值信号为0。液压驱动模型主要参数如表3所示。

1.液压泵 2.溢流阀 3.控制信号 4.控制器放大倍数5.系统信号放大倍数 6.活塞左腔体 7.质量块8.活塞右腔体 9.位移传感器 10.液压缸位移信号图4 液压驱动模型

表3 液压仿真主要参数

3 仿真及实验结果

利用外骨骼实验平台进行穿戴行走实验，外骨骼实验平台如图5所示。对外骨骼行进中油缸油压的变化情况及行走时外骨骼和人腿的响应情况进行研究分析。测量员身高175 cm,体重75 kg，外骨骼质量80 kg,外骨骼大腿杆长度0.5 m,质量为13 kg,小腿杆长度0.4 m,质量10 kg。实验中，人体穿戴外骨骼从静止双腿支撑态到迈步前进单腿支撑态，最后回到静止双腿支撑态，完成一个完整的步态周期[20]。实验时，用HK2051型油压传感器测得液压缸油压信号，并通过示波器存取数据，如图6所示。

图5 外骨骼实验平台

图6 油压信号测量值

由图可知，外骨骼行走实验完成一个完整的步态周期需要2 s,测得的电压信号最大值为2.25 mV,最小值为0.27 mV。根据油压信号曲线，计算可得到外骨骼行进过程液压缸的油压曲线。利用AMESim软件中搭建好的液压驱动系统模型，点击仿真模式，设置仿真时间为3 s,通讯间隔为0.05 s，运行仿真。仿真完成，可以得到液压模型中液压缸的油压仿真曲线，并与实测值进行对比分析，如图7所示。

图7 系统油压变化曲线

如图7所示为系统左腿液压缸油压的仿真及实测曲线。软件仿真得到的油压曲线，从0时刻开始，左腿从站立支撑态开始迈步前进，液压缸开始工作，外骨骼左腿脱离地面支撑点，液压杆收缩，油压逐步上升，0.10 s后油压达到最大值5.25 MPa,而后油压迅速降落为5.00 MPa并维持稳定，经过1.75 s后液压杆伸长，油压开始回落，并在1.85 s后降低为0，此时外骨骼左腿回归地面支撑。油压测量曲线与仿真曲线基本相同，实测值油压最大值为4.92 MPa，略低于仿真值，由于实际系统存在液压油泄漏及管路损失的情况，难以避免。

为了研究该驱动系统行走时，外骨骼与人体的响应情况，利用ADAMS软件，进行了外骨骼穿戴行走性能仿真。利用搭建的外骨骼三维机械模型，在ADAMS中设置外骨骼脚底与地面的摩擦与接触，并将一个完整的步态周期CGA数据[21]作为外骨骼下肢关节的驱动函数，设置仿真时间为3 s,仿真步数为1000步。外骨骼下肢运动是对称的，只间隔0.5个周期。如图8所示为外骨骼行进过程中小腿杆相对大腿杆转角数据的仿真值与实测值。其实测值利用外骨骼实验平台，应用陀螺仪传感器获取实验数据，在外骨骼大腿处粘贴2组感应片作为对照组，外骨骼小腿以及人体小腿处粘贴4组感应片作为实验组。应用传感器无线蓝牙模块在电脑终端实时获取坐标数据，最终得出自由空间下移动的转角数据。

图8 外骨骼左小腿转角

图8为仿真及测得的外骨骼左小腿转角数据，θ1为仿真值，θ2为测量值。从静止双腿支撑态开始，外骨骼抬腿到落地支撑态为1个动作，在0～3 s中共完成3次迈步前进动作。规定以左大腿延长线为0基准线，以顺时针方向为正角度。由图可知，人体穿戴外骨骼在迈步前进的过程中，小腿转角的最大值不超过45°，其仿真值θ1在0～42°中规律地变化，而测量值θ2与仿真值θ1变化规律相同，最大值数值相近，但数据曲线又有波动，最大值出现时间有错动，是由于行走中人体抖动导致，难以避免。图9为测量中外骨骼及人腿的小腿相对大腿转角数据。

将测得的左下肢转角B及右下肢转角C数据进行对比，在图9a和图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，转角最大值在40°～45°之间波动，角度达到最大值后，此刻人腿由触发一侧气阀开关转为触发另一气阀开关，控制油缸由收缩过程开始进入伸长过程，在较短的时刻，系统油压波动较大，因此液压杆的伸缩量有所波动，因此测得的转角有波动。图10a和图10b分别为左右人腿与机械腿的角度误差，即外骨骼相对人体提前或滞后的角度，左小腿误差E1最大值为-2.1°。右小腿误差E2最大值为2.2°，左小腿的误差E1主要围绕-0.5°波动，右小腿误差E2数据主要围绕0波动，从曲线中可以看出该液压系统灵敏度较高。