单兵救援助力外骨骼机器人的设计与特性分析

2022-10-11宋纪元朱爱斌屠尧张甲林张育林

兵工学报 2022年9期

宋纪元，朱爱斌，屠尧，张甲林，张育林

(1.西安交通大学机器人与智能系统研究所，陕西西安 710049； 2.陕西省智能机器人重点实验室，陕西西安 710049；3.现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室，陕西西安 710049； 4.空军装备部驻西安地区军事代表局，陕西西安 710082)

0 引言

装甲车在战争过程中受到破坏，驾驶舱内的受困伤员难以靠自身力量逃脱出来，需要外界提供帮助。而装甲车的顶门舱口处空间狭小，救援任务急迫，不利于多人救援或放置大型救援设备。

随着机器人技术的发展，开发可穿戴助力装置对人体体能进行增强或辅助，成为新的趋势和研究热点。可穿戴式机器人能随穿戴者进入人类的生活和工作环境，因此不需要为其进行大规模环境空间改造，适应力较强，具有广泛的应用前景。已经出现了一些机器人能够完全取代人类自主完成被设置的任务，还有很多场景由于现有技术的限制，机器人完全替代人的工作还存在较大技术难度，而外骨骼的人机一体化思想可以给出较好的解决方案：人体负责复杂环境下的判断和决策，将人的“智慧”赋予机器人，外骨骼可以通过负载支撑、力量增强等辅助方式增强人体运动机能，减少或替代给定任务的人体关节扭矩，充分发挥人体和机器人各自的优势。下肢外骨骼被广泛用于降低行走和跑步的代谢成本，许多上肢外骨骼被建议用于中风康复。外骨骼的设计是为了匹配附着的生物关节的结构，因此它们只能以仿生方式帮助人类并增强或恢复现有的功能。在助力外骨骼应用方面，作为一个全身力量增强外骨骼系统，XOS2每只手臂可以承受23 kg的质量。然而，XOS2系统的总质量超过95 kg，其上肢部分质量约为 30 kg。另一款搬运辅助外骨骼被称为混合辅助肢体(HAL)，通过引入活动销，它可以在双臂中支撑 70 kg，但这是一种被动方式，其设计方法会影响系统的灵活性。

外肢体机器人是近些年提出的一种新型穿戴式机器人，其典型特征是机械肢体与穿戴者肢体运动独立，使人机系统的机构学得到拓展。外肢体机器人的概念最早于2012年由美国麻省理工学院Asada教授提出，在近些年逐渐成为穿戴式机器人的研究热点之一。外肢体可以提供新的辅助形式，因此催生出许多新的穿戴式应用场景，包括协助固定、辅助抓取、身体支撑、坐立转换等。目前，外肢体还未在搬运领域有所应用。

本文设计了一款可穿戴救援设备，融合外骨骼和外肢体方案，以主被动结合的方式辅助救援者髋腰部，提升装甲车内的伤员。通过对人体上下肢生理结构与运动机理的研究、人体运动学与动力学的建模分析，开展救援外骨骼的关键机构与动力设计，完成救援外骨骼的样机研制并进行效能评价，使得研制的救援外骨骼机器人实现分散救援者负载、提升救援效率的目标。

1 人体运动机理和救援外骨骼设计方案

装甲车在战争过程中受到破坏，驾驶舱内的受困伤员难以依靠自身力量逃脱出来，需要救援者在车顶开展救援。救援者开展救援的场景如图1所示，装甲车顶部舱口狭小，舱内座位离顶部的垂直距离为900 mm，待提升负载为80 kg的人体。

图1 救援外骨骼的任务环境Fig.1 Working setting of the rescue exoskeleton

1.1 人体弯腰提升过程运动机理

图2所示为人体弯腰提升过程的运动机理。由图2可见，人体提升姿势有弯腰提升和蹲姿提升两种。在狭小空间中，采用弯腰提升方式更加便利；在弯腰提升方式中，人体膝关节保持直立状态(见图2)，可以简化外骨骼的设计；人体主要运动部位为腰骶关节()和髋关节，而手臂用于挂载负载，外骨骼系统中应主要考虑这些部位的运动。

图2 人体弯腰提升过程的运动机理Fig.2 Biological mechanism of human in stoop lifting

1.2 救援外骨骼设计方案

本文中采用外骨骼和外肢体结合的方式，辅助救援者对受困者的救援。救援外骨骼由上肢助力模块、髋部助力模块、外肢体和可收放式底座4个模块组成，如图3所示。外骨骼的髋部助力模块用于满足救援者腰骶关节和髋关节的运动需求，上肢助力模块用于减轻救援者手臂的疲劳，可收放式底座用于传导负载至地面，外肢体则用于分担负载。提升端和伤员之间以安全绑具连接，且提升挂载端沿竖直方向提升，以避免伤员碰撞、造成二次伤害。

图3 救援外骨骼设计方案Fig.3 Design scheme of the rescue exoskeleton

该系统中，外肢体采用2自由度主动驱动方案，由电动推杆提供动力，如图4所示。在提升过程中，负载端沿竖直方向运动，提升高度要求为900 mm，装甲车顶部舱口中心和外骨骼腿部之间的距离为600 mm，如图3所示。外肢体和腿部的固定端为离合式铰接块，在水平方向旋转的角度范围为-30°～30°，可通过弹簧销的插拔切换外肢体水平旋转自由度。

图4 外肢体设计方案Fig.4 Design of the supernumerary robotic limb

髋关节助力模块采用偏心式曲柄滑块机构，曲柄旋转中心与髋部同轴，且包含机械限位，髋关节助力模块的运动范围为0°～90°，滑块的移动范围为100 mm，如图5所示。曲柄随穿戴者腰部屈曲，通过连杆向下压动导轨上的滑块，直线弹簧存储能量，该能量可在外骨骼抬升过程释放，对救援者的提升运动助力。腰部宽度的调节范围为320～500 mm，髋关节距足底高度的调节范围为760～980 mm。

图5 髋部助力模块设计方案Fig.5 Design scheme of the hip assisting module

上肢助力模块的背部、肩部、大臂和小臂的长度可根据实际情况进行调节。肩关节和肘关节连接电动推杆。肩关节和肘关节的运动自由度平行于横断面，在矢状面平行方向不可运动，有利于在抬升过程中外骨骼上肢手臂负载通过背部传导至髋关节助力模块。

2 救援外骨骼运动模型及计算

腰部助力机构为外骨骼的主要运动部位，采用弹性曲柄滑块机构，图6为负载被提升起来的状态。图6中：为外骨骼髋关节到外肢体固定端的距离，长度为0.10 m；为髋关节到外骨骼背部的距离，其长度为0.15 m；为外骨骼背部的长度，其长度设计为0.48 m；为外骨骼上肢腕部到外骨骼背部的距离，当手臂伸直最长状态为0.60 m时，最短状态为0.20 m；为外骨骼上肢腕部到挂载端的连杆距离，长度为0.22 m；弹簧的底部(滑块最大行程端)距离髋关节在竖直方向的距离为0.35 m；连杆的长度为0.17 m；曲柄的长度为0.06 m；曲柄滑块机构中，偏心距为0.06 m。

图6 外骨骼提升伤员示意图Fig.6 Schematic diagram of how the exoskeleton lifts the wounded

2.1 外肢体机构的设计计算

外肢体提升机构为2自由度的机械臂，如图7所示。图7中：为电动推杆的推力，为的力臂为三角形中边对应的高，为推杆的推力，为的力臂为三角形中边对应的高，为段和竖直方向的夹角，为段和段延长线的夹角；建立坐标系为外肢体的基坐标系，轴的方向竖直向下，轴的方向水平向右，外肢体的大臂与外骨骼腿部的铰接点为，大臂和小臂的铰接点为，为小臂的末端；推杆和推杆分别为大臂段和小臂段提供动力；推杆和外骨骼之间铰接点为，推杆和大臂的铰接点为；推杆和大臂段的铰接点为，推杆和小臂段的铰接点为；为三角形中∠的角度，为三角形中∠的角度。利用ADAMS软件仿真机械臂的末端在5 s内沿竖直方向上升 900 mm，记录夹角和夹角的角位移变化，如图8所示。

图7 外肢体模型示意图Fig.7 Mathematical model of the supernumerary robotic limb

图8 2自由度机械臂提升过程中α和β的角位移变化Fig.8 Angular displacement of the two-degree-of-freedom manipulator during lifting

2.1.1 电动推杆行程设计计算

根据外肢体提升过程中和的位移变化(见图8)，利用余弦定理计算推杆和推杆的长度变化如下：

(1)

(2)

电动推杆的初始长度为0，电动推杆的初始长度为0，则在提升过程中电动推杆的位移和电动推杆的位移如下：

(3)

(4)

式中：=016 m；=0472 m；=0455 m；=007 m，两个电动推杆的初始长度均为036 m。两个电动推杆的位移变化如图9所示，可以看出电动推杆随着提升过程一直在伸长，位移最大为0240 m；电动推杆随着提升过程先缩短后伸长，位移最大为0145 m。

图9 外肢体中电动推杆的位移变化Fig.9 Displacement of the electric actuators in the supernumerary robotic limb

212 电动推杆运动学分析

电动推杆和电动推杆的速度曲线如图10所示，加速度曲线如图11所示。末端5 s内提升900 mm过程中：电动推杆的最大速度为0074 m/s，电动推杆的最大速度为0048 m/s。电动推杆的最大加速度为-007 m/s，电动推杆的最大速度为-014 m/s。

图10 外肢体电动推杆速度变化Fig.10 Speed of the electric actuators in the supernumerary robotic limb

图11 外肢体电动推杆加速度变化Fig.11 Acceleration of the electric actuators in the supernumerary robotic limb

213 电动推杆动力学分析及选型

外肢体可以看成是平面二连杆臂(见图7)，根据牛顿- 欧拉法可以计算出二连杆机械臂的动力学方程如(5)式和(6)式所示。

(5)

(6)

式中：和分别为杆和杆的质量；为段的重心到点的距离；为段的重心到点的距离；为关节的扭矩；为关节的扭矩；为重力加速度。

=0513 m，=0257 m，由于在点挂载受困伤员，伤员的重力由左右两个外肢体承担，则单臂负载为400 N，远大于连杆和连杆的重力。因此假设为0 kg，为40 kg，整个外肢体(见图7)的质心在末端点。根据(5)式和(6)式，可以解得关节和关节的扭矩如图12所示。

图12 外肢体关节的扭矩Fig.12 Torque of the joints of the supernumerary robotic limb

根据(1)式、(2)式和三角形的面积关系，可以求出和如下：

(7)

(8)

由此可得和分别如下：

(9)

(10)

则电动推杆和电动推杆的推力如图13所示。由图13可以看出，外肢体在5 s内对负载提升900 mm的过程中：对于电动推杆，最大推力为2 460 N，最大位移为240 mm，推杆的最大线速度为74 mm/s；对于电动推杆，最大推力为1 675 N，最大位移为145 mm，推杆的最大线速度为48 mm/s。

图13 电动推杆的推力Fig.13 Thrust of the electric actuators

推杆速度可以通过延长提升的时间而减小，例如伤员需要25 s提升900 mm时，推杆最大线速度可为148 mm/s，推杆最大线速度可为96 mm/s。

2.2 外骨骼腰部助力机构的设计计算

外骨骼腰部助力机构为弹性曲柄滑块机构，图14为负载被提升起来的状态。当伤员被提升起来时，曲柄和水平方向夹角为0°，此时弹簧的压缩量最小，连杆的长度为0170 m，曲柄的长度为006 m。曲柄滑块机构中，偏心距为006 m，外肢体末端距离外骨骼腿部的水平距离为 600 mm。

图14 腰部曲柄弹簧滑块机构的初始状态Fig.14 The initial state of the crank spring slider module for the waist

外骨骼提升过程时，曲柄在10 s内逆时针旋转90°，获取和的夹角变化，如图15所示。

图15 L1和L2的夹角θ变化Fig.15 The angle θ between L1 and L2

221 髋部弹簧设计计算

假设弹簧的初始长度为，弹簧的刚度为。则在提升过程中，弹簧对髋关节的辅助力矩如下：

(11)

在外肢体的辅助下，救援人员在救援过程中单侧需要提供的拉力如图16所示，可以看出在救援过程中，随着伤员被提升，救援人员需要提供的拉力越来越大，需要提供最大拉力为200 N。在这里，救援人员在单手可以坚持的最大拉力为150 N，剩余无法平衡的力对髋关节沿顺时针方向的扭矩为29 N·m，则为在伤员被完全提起后髋关节(曲柄弹簧滑块机构)提供的沿逆时针方向的扭矩最小为29 N·m。

图16 救援人员单侧提供的拉力变化Fig.16 Pull force provided by the rescuer on one side

由图15可以看出，当伤员被抬起后和的夹角为46°，此时将弹簧对髋关节沿逆时针方向的辅助力矩设置为29 N·m。假设救援人员单手向下压的压力最大为100 N，则当人体将外骨骼下压90°时，将弹簧对髋关节沿逆时针方向的力矩设置为58 N·m，此时由图15可以看出和的夹角为1572°，因此根据(11)式可以得出如下方程组：

(12)

根据(12)式解得在髋部的弹簧刚度为4 980 N/m，弹簧的初始长度为0326 m。

222 髋部曲柄弹簧滑块助力机构动力学分析

根据(11)式和221节中所得弹簧刚度和初始长度，计算外骨骼单侧髋关节曲柄弹簧滑块机构在运动过程中为人体髋关节提供的沿逆时针方向的扭矩，结果如图17所示。

图17 曲柄弹簧滑块机构对人体髋关节的辅助扭矩Fig.17 Assisting torque of the crank spring slider module

根据图17可以得到外骨骼(不包含外肢体机构)对伤员沿竖直方向的辅助合力如图18所示。由图18可以看出：在救援开始时外骨骼提供竖直向上的辅助力为500 N，在救援结束时外骨骼提供的竖直向上的辅助力为250 N。

图18 外骨骼对伤员沿竖直方向的辅助合力Fig.18 Assisting force of the exoskeleton to the wounded in the vertical direction

利用外骨骼在救援过程中的辅助合力(见图18)减去负载的重力，可以得到救援人员单侧需要的施力大小如图19所示，可以看出在救援初期救援人员施力为负，表明此时救援人员不需要为负载提供竖直向上的力，当达到救援援周期的一半时间时(即第5 s时)，救援人员施力为正，表明此时救援人员需要为负载提供竖直向上的力，该力最大为150 N。

图19 救援人员单侧施力Fig.19 Force exerted by the rescuer on one side

2.3 上肢电动推杆设计计算

外骨骼上肢的肩关节和肘关节分别由电动推杆驱动，如图20所示，图中推杆和推杆分别为肩关节和肘关节提供动力。为006 m，为005 m，为025 m。利用运动学仿真软件对该机构进行仿真计算，使伤员能在5 s内沿竖直方向上升900 mm，记录和夹角的角位移变化，和夹角的角位移变化，如图21所示。

图20 上肢电推推杆布置示意图Fig.20 Schematic diagram of the placement of the electric actuator in the upper limb

图21 外骨骼上肢α和β的角位移变化Fig.21 Angular displacement α and β of the exoskeleton upper limb

231 电动推杆行程计算

根据图21中和曲线，采用余弦定理计算出推杆和推杆在提升过程中的长度如下：

(13)

(14)

电动推杆的初始长度为0，电动推杆的初始长度为0，因此可以得到电动推杆在提升过程中的位移和电动推杆在提升过程中位移的变化如下：

(15)

(16)

在上肢机械臂的机构中，=0197 m，=0061 m，=0258 m，=0061 m，0=016 m，0=021 m，可以计算得到两个电动推杆的位移变化如图22所示。肩关节电动推杆的位移最大为0035 m，肘关节电动推杆的位移最大为0079 m。

图22 外骨骼上肢电动推杆的位移变化Fig.22 Displacement of electric actuators in the exoskeleton upper limb

232 电动推杆运动学分析

根据图22中推杆和推杆的伸出位移变化曲线，可以计算出电动推杆和电动推杆的速度曲线如图23所示，加速度曲线如图24所示。

图23 外骨骼上肢电动推杆的伸出速度变化Fig.23 Speed of electric actuators in the exoskeleton upper limb

图24 外骨骼上肢电动推杆的伸出加速度变化Fig.24 Acceleration of electric actuators in the exoskeleton upper limb

该救援外骨骼的上肢电动推杆和外肢体电动推杆的位移变化需要按照相互对应的位移点运动，计算得到单侧4个电动推杆的位移关系，如图25所示，此耦合关系做为电动推杆的运动输入，可以实现伤员被沿着竖直方向提升。外骨骼的工作过程如图26所示，髋部模块在穿戴者的弯腰过程中储能，并在提升过程中释放，随外肢体一起向上提升。

图25 救援设备单侧4个电动推杆的运动关系Fig.25 Movement of four electric actuators on one side

图26 救援外骨骼的工作过程Fig.26 Working process of the rescue exoskeleton

3 救援外骨骼实验研究

为验证单兵救援助力外骨骼样机的末端位姿在竖直方向的到达能力，将外骨骼实验样机底座固定在地面上，外骨骼的关节处贴上反光标记点。穿戴者站在救援外骨骼中，在外骨骼的辅助下提起地面的80 kg重物，Vicon三维动作捕捉系统借助高速摄像头获取外骨骼运动数据，图27为实验场景。

图27 救援外骨骼的运动实验Fig.27 Experiments of the rescue exoskeleton

穿戴者控制救援外骨骼的实验样机进行多次提升实验，求出提升高度和矢状面水平位移的数据均值。如图28所示，外肢体末端提升高度接近980 mm，外肢体末端在矢状面最大位移为5 mm。外骨骼在竖直方向的提升高度满足设计要求，且在矢状面上的水平位移小于5 mm，能够保证被提升的负载沿竖直方向上升。本文中提出的外骨骼方案能够满足上肢和下肢机构运动的协调，以实现外骨骼的末端负载沿着竖直方向被提升。在接下来的工作中，会针对外骨骼和穿戴者之间的运动交互进一步研究，实现该救援系统能够根据救援者的运动意图调节运动参数，提升过程外骨骼运动的柔顺性。