郭 慶，張向剛，秦開宇

(電子科技大學(xué)航空航天學(xué)院，成都，611731)

1 引言

隨著人類對太空未知領(lǐng)域的不斷探索，航天員在太空的工作空間正在不斷地擴(kuò)大，諸多工作(如航天設(shè)施的裝配維修、貨物運輸、察看其他航天器和進(jìn)行科學(xué)試驗等)因為其不確定性和復(fù)雜性，需要在艙外惡劣環(huán)境中進(jìn)行，這些惡劣的環(huán)境包括高真空、高輻射、干燥、溫差大等［1-2］，而航天服系統(tǒng)是這些操作的基本保證，是載人航天和深空探索的重要設(shè)備。

主動航天服不僅能夠為航天員提供傳統(tǒng)航天服防輻射、生命保障、功效保障3個方面的保障，而且能夠增強航天員生理功能，實現(xiàn)感官的延伸，使航天員成為融合了人的智慧和機(jī)器力量的超智能體。主動航天服的基本思想是:在現(xiàn)有航天服的基礎(chǔ)上運用外骨骼機(jī)器人技術(shù)，并融入傳感、控制、信息等技術(shù)，使航天員—航天服系統(tǒng)成為高度人機(jī)耦合的復(fù)雜力量隨動系統(tǒng)。在太空探索中，提高了航天員的承載能力、抓舉能力、機(jī)動能力和信息處理能力，增強了航天員的惡劣環(huán)境適應(yīng)能力，輔助航天員完成各種深空探索作業(yè)。

主動航天服是對目前力量增強型外骨骼助力技術(shù)的延伸，幫助航天員實現(xiàn)太空行走、漂浮、艙內(nèi)作業(yè)、艙外機(jī)動、月面采礦作業(yè)等等。NASA的X1外骨骼服由NASA佛羅里達(dá)州的人機(jī)認(rèn)知研究所(Florida Institute for Human and Machine Cognition)和航洋工程空間系統(tǒng)公司(Oceaneering Space Systems in Houston)聯(lián)合研制，是基于NASA的Robonaut2(國際空間站的第一個人形機(jī)器人)。

2000年，美國國防部預(yù)研局(DARPA)分別資助了加州大學(xué)伯克利分校(U.C.Berkley)的BLEEX外骨骼系統(tǒng)和麻省理工學(xué)院(MIT)的類被動骨骼服的研究［3-4］;2006年，基于“BLEEX(Berkeley Lower Extremity Exoskeleton)”技術(shù)，美國洛克希德·馬丁公司(Lockheed Martin)研制成功了“人類萬能攜行器(Human Universal Load Carrier，HULC)”，HULC 質(zhì)量 24 kg(53 磅)，可攜行90 kg(200磅)的物品持續(xù)運行3 h。日本筑波大學(xué)研制出了世界第1臺商業(yè)化外骨骼助力裝置HAL［5］。俄羅斯正在研制第二代外骨骼助力裝備“勇士－21”，可承擔(dān)步兵大約95%的貨物負(fù)荷。在我國，2004年，國防科技大學(xué)和二炮工程學(xué)院開始了力量增強型外骨骼助力技術(shù)研究，分別開發(fā)了無動力攜行輔助器樣機(jī)。此后，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華東理工大學(xué)、中國人民解放軍海軍航空工程學(xué)院等單位［6-8］也陸續(xù)開展了相關(guān)技術(shù)的研究。周宏［9］于2011年提出了力量增強型下肢外骨骼助力系統(tǒng)的定義:“力量增強型下肢外骨骼助力系統(tǒng)，是以人為控制主體，機(jī)器為力量主體，高度人機(jī)耦合的復(fù)雜力量隨動系統(tǒng)。”

本文針對航天員艙內(nèi)行走運動，設(shè)計一套可以驅(qū)動主動航天服的電動舵機(jī)驅(qū)動控制方案，實現(xiàn)下肢髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)隨動控制，幫助航天員能夠在艙內(nèi)進(jìn)行正常的助力行走、助力搬運等作業(yè)。

2 主動航天服組成

主動航天服作業(yè)系統(tǒng)，由太空和月面人體運動規(guī)律建模分系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、動力與能源分系統(tǒng)和感知控制分系統(tǒng)組成。NASA X1空間主動外骨骼服外形如圖1所示。X1采用聯(lián)合設(shè)計模式將外骨骼與航天服材料結(jié)合，增加了目前航天服機(jī)動和負(fù)重能力。X1包括機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置、感知與控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)4個分系統(tǒng)。機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置采用仿生技術(shù)實現(xiàn)航天員承載與攜行功能，感知與控制系統(tǒng)實現(xiàn)主動航天服攜行隨動與太空主動作業(yè)需求。動力系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出，作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。能源系統(tǒng)提供長效能源。

圖1 NASA X1空間主動外骨骼服Fig.1 X1 active exoskeleton spacesuit of NASA

3 控制機(jī)構(gòu)系統(tǒng)方案設(shè)計

3.1 關(guān)節(jié)運動規(guī)律分析

如果航天員在艙內(nèi)需要以3 km/h的速度行走，則髖關(guān)節(jié)角度變化曲線如圖2所示。

以1個步態(tài)周期Tgait為例，對髖關(guān)節(jié)角度變化規(guī)律進(jìn)行擬合，表示如下:

① 當(dāng)t＜0.5Tgait時，

圖2 單個周期髖關(guān)節(jié)角度在矢狀面內(nèi)的變化規(guī)律Fig.2 Hip angle variation in sagittal plane for a gait cycle

② 當(dāng)t＞0.5Tgait時，

對以上兩個關(guān)節(jié)分別求一階和二階導(dǎo)數(shù)，可以得到髖關(guān)節(jié)角速度ωh(t)、髖關(guān)節(jié)角加速度αh(t)隨時間變化規(guī)律。

同理，可以得到膝關(guān)節(jié)角度θk(t)、角速度ωk(t)以及角加速度αk(t)變化規(guī)律。建立主動航天服關(guān)節(jié)動力學(xué)模型表示為:

其中q=［θh，θk］T=［ωh，ωk］T，=［αh，αk］T，T=［Th，Tk］T為執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用在主動航天服上的關(guān)節(jié)力矩。H(q)為慣性矩陣，C(q是Coriolis項，是重力項。

考慮航天員下肢大小腿與主動航天服機(jī)械裝置的大小腿耦合參數(shù)之后，將θk(t)、ωk(t)以及αk(t)變化規(guī)律代入，可以得到主動航天服行走過程中髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處的動態(tài)負(fù)載扭矩Th，Tk。以髖關(guān)節(jié)為例，其動態(tài)負(fù)載扭矩變化規(guī)律如圖3所示。

由圖3可知，髖關(guān)節(jié)的最大扭矩Thmax=93 Nm出現(xiàn)在擺動相階段，最大轉(zhuǎn)速為rhmax=27 r/min。

髖關(guān)節(jié)運動的角功率在一個行走步態(tài)周期內(nèi)變化規(guī)律如圖4所示。

由圖可知，髖關(guān)節(jié)運動的最大角功率為Phmax=409 W。

圖3 髖關(guān)節(jié)角速度與扭矩變化規(guī)律Fig.3 Hip joint angular velocity and torque variation

圖4 髖關(guān)節(jié)角功率變化規(guī)律Fig.4 Hip angular power variation

3.2 關(guān)節(jié)電機(jī)與減速器選型設(shè)計

假設(shè)電機(jī)效率為0.85，減速器傳動效率為0.9，因此電機(jī)額定功率表示為:

因此選擇一款盤式電機(jī)，額定功率Pnh=550 W，額定轉(zhuǎn)速為rnh=3500 r/min，扭矩Tnh=1.5 Nm。

要保證關(guān)節(jié)輸出大扭矩要求，需要配置減速器，因此髖關(guān)節(jié)的減速器的減速比表示為:

因此選定一減速器，減速比μh=100。最大輸出扭矩為Thout=191 Nm，滿足:

同理，擺動相階段的髖關(guān)節(jié)最大扭矩Tkmax=30 Nm，額定轉(zhuǎn)速為rkmax=71 r/min。膝關(guān)節(jié)運動的最大角功率為Pkmax=45 W。所需電機(jī)額定功率為:

因此選擇一款盤式電機(jī)，額定功率Pnk=250 W為，額定轉(zhuǎn)速為rnk=4000 r/min，扭矩Tnh=0.6 Nm。髖關(guān)節(jié)的減速器的減速比表示為:

因此選定一減速器，減速比μh=50。最大輸出扭矩為Tkout=91 Nm，滿足:

4 關(guān)節(jié)運動控制建模

4.1 電機(jī)負(fù)載運動建模

當(dāng)以關(guān)節(jié)屈伸角θ為作為輸出量時，減速器輸出軸上的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角運動模型表示為:

其中ML為關(guān)節(jié)軸上的負(fù)載扭矩，ua為控制電壓，Ke為電機(jī)反電動勢系數(shù)，Km為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)，B為將電機(jī)折合到減速器輸出軸上的阻尼系數(shù)，Ra為電樞電阻。模型參數(shù)Tm、Td表示為:

其中La為電機(jī)的電樞電感，J為電機(jī)折算到減速器軸上與髖關(guān)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)合成的轉(zhuǎn)動慣量。

4.2 關(guān)節(jié)角度控制規(guī)律設(shè)計

采用PID控制方法設(shè)計髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)電機(jī)控制規(guī)律，表示為:

其中uah、uak為兩個關(guān)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動控制電壓，kph、kih、kdh為髖關(guān)節(jié) PID 控制參數(shù);kpk、kik、kdk為膝關(guān)節(jié)PID控制參數(shù)、為期望髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)角度變化，由3.1節(jié)擬合給出。θh、θk為關(guān)節(jié)實際角度，由關(guān)節(jié)編碼器測量得到，ωh、ωk為關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角速度，由大小腿角速度陀螺儀測量得到。

5 仿真結(jié)果

對主動航天服動力控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行關(guān)節(jié)運動控制數(shù)字仿真。分別在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處加入動態(tài)負(fù)載扭矩如圖3和圖4所示，驗證設(shè)計的控制律正確性。其中髖關(guān)節(jié)額定電壓Unh=48 5 V，反電動勢系數(shù)Keh=0.756，電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kmh=0.114;電樞電阻Rah=3.636 Ω，電樞電感Lah=0.0055 H，髖關(guān)節(jié)軸等效后的轉(zhuǎn)動慣量Jh=3.611 kg·m2，阻尼系數(shù)Bh=0.35。膝關(guān)節(jié)額定電壓Unk=24 V，反電動勢系數(shù)Kek=0.318，電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kmk=0.047;電樞電阻Rak=1.86 Ω，電樞電感Lak=0.0055H，髖關(guān)節(jié)軸等效后的轉(zhuǎn)動慣量Jk=0.435 kg·m2，阻尼系數(shù)Bk=0.0875。控制參數(shù)kph=1，bkih=0.1，kdh=0.3;kpk=4，kik=1，kdk=1。

髖關(guān)節(jié)期望角度和實際角度變化曲線如圖5所示，對應(yīng)的控制電壓變化曲線如圖6所示。膝關(guān)節(jié)期望角度和實際角度變化曲線如圖7所示，對應(yīng)的控制電壓變化曲線如圖8所示。

圖5 髖關(guān)節(jié)期望角度和實際角度變化曲線Fig.5 Hip desired angle and the actual angle curve

圖6 髖關(guān)節(jié)電機(jī)控制電壓變化曲線Fig.6 Hip curve of the motor control voltage

圖7 膝關(guān)節(jié)期望角度和實際角度變化曲線Fig.7 Knee desired angle and actual angle curve

圖8 膝關(guān)節(jié)電機(jī)控制電壓變化曲線Fig.8 Knee curve of motor control voltage

由圖可知，設(shè)計的控制律可以保證關(guān)節(jié)角度跟蹤期望步態(tài)角度的變化，控制量不飽和，表明髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)控制律能夠滿足穩(wěn)定跟蹤航天員步態(tài)運動控制需求。

4 結(jié)論

本文介紹了一種應(yīng)用于主動航天服系統(tǒng)中的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計選型方案。通過分析航天員行走步態(tài)，計算出關(guān)節(jié)動態(tài)扭矩變化，以此作為電機(jī)角度控制回路的輸入;通過設(shè)計關(guān)節(jié)角度控制律使膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)角度變化能夠進(jìn)行隨動控制，為研制具有高機(jī)動性、高負(fù)載能力和一定防護(hù)能力的主動航天服提供技術(shù)支撐，以全面提高航天員的太空及月面的綜合活動能力。

［1］ 梁志偉，高峰，吳志強，等.“飛天”艙外航天服便攜式生保系統(tǒng)研制［J］.載人航天，2010，16(1):37-43.

［2］ 王巖松，石培新，張峰.國外載人航天出艙活動故障綜述［J］.載人航天，2008，14(2):4-8.

［3］ John Ryan Steger.A design and control methodology for human exoskeletons［D］.Berkeley:University of California.2006:36-44.

［4］ 王智鑫.雷聲公司推出XOS2第二代外骨骼裝置［J］.輕兵器，2010(24):44-47.

［5］ Veneman JF，Ekkelenkamp R，Kruidhof R，et al.Design of a series elastic-and Bowden cable-based actuation system for use as torque-actuator in exoskeleton-type training［J］.International Jounal of Robotics Reseach，2006，25(3):261-281.

［6］ 孫立寧，李慶玲，孔民秀，等.5-DOF上肢康復(fù)機(jī)械臂交互式康復(fù)訓(xùn)練控制策略［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2008，44(9):169-176.

［7］ 曹恒，孟憲偉，凌正陽，等.兩足外骨骼機(jī)器人足底壓力測量系統(tǒng)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2010，23(3):326-330.

［8］ 楊智勇，張遠(yuǎn)山，顧文錦，等.骨骼服靈敏度放大控制方法研究［J］.計算機(jī)仿真，2010，27(1):177-180.

［9］ Zhu Jiayuan，Zhou Hong.Realization of Key Technology for Intelligent Exoskeleton Load System［C］//2011 2nd International Conference of Electricaland Electronics Engineering.December 1-December 2，Macau，China，2011.