谷 巍，宋曉明，洪紅倫，付鑫濤，韓彥龍

(承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校 機(jī)械工程系，河北 承德 067000)

基于氣動(dòng)肌肉的可穿戴式上肢外骨骼助力機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真

谷 巍，宋曉明，洪紅倫，付鑫濤，韓彥龍

(承德石油高等專(zhuān)科學(xué)校 機(jī)械工程系，河北 承德 067000)

依據(jù)仿生設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)了一種基于氣動(dòng)肌肉的可穿戴式上肢外骨骼助力機(jī)器人，并進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析。參考人體肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理及特性參數(shù)，設(shè)計(jì)外骨骼的機(jī)械結(jié)構(gòu)，運(yùn)用Pro-e軟件建立其三維裝配體模型，將其導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。通過(guò)仿真分析得到大、小臂等的角速度和角加速度以及各個(gè)關(guān)節(jié)的力矩變化規(guī)律，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性與正確性，為機(jī)器人智能控制提供了理論基礎(chǔ)。

氣動(dòng)肌肉；穿戴式；外骨骼；助力機(jī)器人；動(dòng)力學(xué)

穿戴式外骨骼助力型機(jī)器人建立在機(jī)器人學(xué)、人體解剖學(xué)、智能控制理論[1]與人機(jī)交互等學(xué)科之上，其主要作用是增強(qiáng)人體機(jī)能，拓展人類(lèi)的勞動(dòng)范圍，在軍事方面和醫(yī)療方面得到了廣泛的應(yīng)用[2]。美國(guó)自上世紀(jì)70年代就開(kāi)始研究外骨骼機(jī)器人，其成果主要應(yīng)用于軍事，典型代表有GE的Hardiman、加州大學(xué)的BLEEX和亞利桑那州立大學(xué)的RUPERT[3]。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)穿戴式外骨骼機(jī)器人的研究在近十年才有了較大發(fā)展。國(guó)內(nèi)從事外骨骼機(jī)器人研究的單位有中科院自動(dòng)化所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)和上海大學(xué)等。哈爾濱工程大學(xué)和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)在穿戴機(jī)器人的信息采集以及步態(tài)分析方面也有比較深入的研究。本文依據(jù)仿生學(xué)原理，結(jié)合人體上肢運(yùn)動(dòng)形式及目前需求設(shè)計(jì)了一款軍民兩用多功能助力型機(jī)器人——可穿戴式上肢外骨骼助力機(jī)器人，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模和仿真分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性和正確性[4]。

1 助力機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

骨骼和肌肉組成人體的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，骨骼在人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中起支撐作用，肌肉按照大腦意圖進(jìn)行收縮與舒張，牽拉協(xié)助骨骼繞關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，人體通過(guò)這種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)。人體上肢由大臂、小臂、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)和手腕組成，手臂包含7個(gè)自由度，手掌包含20個(gè)自由度，一共27個(gè)自由度[5]。

助力機(jī)器人背部支架與人身體緊密接觸，考慮人體的舒適度，需增加背部支架與人體的接觸面積，設(shè)計(jì)成類(lèi)似書(shū)包功能，起到平衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，也可以起到“倉(cāng)庫(kù)”的作用；肩部結(jié)構(gòu)通過(guò)兩塊鋁制金屬板材與背部結(jié)構(gòu)緊密相連，起到橋梁作用，一端與背部相連接，另一端與肩關(guān)節(jié)相連接；肩關(guān)節(jié)可以做屈/伸、收/展、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)外骨骼助力功用；肘關(guān)節(jié)將大臂和小臂連接起來(lái)，在肘關(guān)節(jié)外側(cè)，布置兩根對(duì)位牽拉的氣動(dòng)肌肉[6]，氣動(dòng)肌肉一端固定在大臂上，另一端固定在小臂上，當(dāng)氣動(dòng)肌肉充氣時(shí)，將帶動(dòng)小臂向上運(yùn)動(dòng)，使得所提重物從與小臂平行位置到達(dá)與手臂垂直位置；腕關(guān)節(jié)作為執(zhí)行部件末端，起到承擔(dān)負(fù)載作用，當(dāng)腕部接觸重物時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)小臂上的氣動(dòng)肌肉，實(shí)施牽拉腕部，帶動(dòng)重物向上運(yùn)動(dòng)，提起重物；氣動(dòng)肌肉是一類(lèi)新型的氣動(dòng)執(zhí)行器，相比于電機(jī)、液壓缸等驅(qū)動(dòng)器，氣動(dòng)肌肉有良好的柔順性，可減小機(jī)器人柔順控制中人與環(huán)境之間的撞擊。因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、良好互換性、對(duì)人體無(wú)害[7]等優(yōu)點(diǎn)在機(jī)器人助力方面得到廣泛應(yīng)用。本文采用氣動(dòng)肌肉作為助力機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器。助力機(jī)器人具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2強(qiáng)度計(jì)算

穿戴式外骨骼助力機(jī)器人的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，避免因強(qiáng)度不夠造成人體傷害。根據(jù)力學(xué)知識(shí)，對(duì)其關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算，得到：

T腕關(guān)節(jié)=15.1 N·m,FLw=600 N，T肘關(guān)節(jié)=55.44 N·m，F(xiàn)Le=1 429 N。

以上計(jì)算得到的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩和受力極限值，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2 機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析

2.1模型簡(jiǎn)化

2.2機(jī)器人手臂動(dòng)力學(xué)建模

大臂1號(hào)桿的動(dòng)能和重力勢(shì)能為：

式中，m1為大臂質(zhì)量；r1為大臂質(zhì)心到末端距離；g為重力加速度；θ1為大臂轉(zhuǎn)角。

小臂連桿2的動(dòng)能和重力勢(shì)能為：

式中，m2為小臂質(zhì)量；r2為小臂質(zhì)心到末端距離；θ2為小臂轉(zhuǎn)角。

系統(tǒng)總動(dòng)能與總勢(shì)能為：

K=K1+K2
P=P1+P2

拉格朗日函數(shù)L定義為系統(tǒng)的動(dòng)能與勢(shì)能之差：

新時(shí)期，隨著信息技術(shù)的提升，企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，中小企業(yè)發(fā)展也受到影響。中小企業(yè)在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著非常重要的作用，只有不斷探索中小企業(yè)的管理模式，才能提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。在經(jīng)濟(jì)法視角下中小企業(yè)管理存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，尋求相關(guān)的解決措施，從而完善中小企業(yè)的管理模式。

L=K-P

2.3氣動(dòng)肌肉動(dòng)力學(xué)建模

同機(jī)器人手臂動(dòng)力學(xué)建模過(guò)程，得到氣動(dòng)肌肉的動(dòng)力學(xué)模型：

2.4整個(gè)穿戴式外骨骼助力機(jī)器人手臂動(dòng)力學(xué)建模

將機(jī)械手臂模型和氣動(dòng)肌肉建模線性疊加在一起，考慮外加負(fù)載產(chǎn)生的力矩Te(t)，得到整個(gè)穿戴式外骨骼助力機(jī)器人手臂的動(dòng)力學(xué)模型：

3 動(dòng)力學(xué)仿真與結(jié)果分析

穿戴式外骨骼機(jī)器人手臂的仿真過(guò)程為：首先在Pro/E軟件中對(duì)機(jī)械手臂進(jìn)行簡(jiǎn)化[8]，去掉后面的背部支架以及一些不影響仿真結(jié)果的聯(lián)接螺栓，并將一些靜止的零部件固定在一起；然后導(dǎo)入到ADAMS，確定各部分零件模型參數(shù)，添加運(yùn)動(dòng)副，在肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)施加轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出手臂的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等物理參數(shù)，確定重力方向，設(shè)定運(yùn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)角范圍，外加負(fù)載50 N；完成上述步驟后，設(shè)置仿真時(shí)間40 s，仿真步數(shù)1 000，輸出仿真結(jié)果。通過(guò)仿真，得到簡(jiǎn)化模型，各部分的角速度與角加速度圖和力與轉(zhuǎn)矩圖如圖3～圖9所示。

圖3中，大臂的角速度最大3 rad/s；0 s到7.5 s角速度逐漸增大，手臂開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)；7.5 s到15 s角速度由最大減小為0，手臂平穩(wěn)減速運(yùn)動(dòng)到指定位置；15 s后大臂角速度為0，維持手臂平衡用于搬運(yùn)重物。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)械大臂的角速度曲線平滑，雖然在0 s和15 s時(shí)角速度有突變，但不影響機(jī)械手臂提取重物，這種相對(duì)平穩(wěn)曲線正是預(yù)期所要達(dá)到的。圖4中，大臂角加速度在0 s和15 s時(shí)最大，最大0.8 rad/s2；在初始的時(shí)候，角速度突然增大，對(duì)大臂有沖擊，在15 s時(shí)，角加速度有突然震蕩，這與外加載荷和其他關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。所以，要盡量減小沖擊的產(chǎn)生，防止外骨骼與人體之間產(chǎn)生相互作用，造成危害。在外骨骼設(shè)計(jì)過(guò)程中，外骨骼與人體之間預(yù)留一定空間，增強(qiáng)人體對(duì)穿戴式外骨骼的協(xié)調(diào)性。

圖5中，小臂的角速度在7.5 s時(shí)達(dá)到最大值2.4 rad/s2，是大臂角速度的3倍，可以看出小臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中響應(yīng)比較快速，在大臂的帶動(dòng)下，小臂能快速地提起重物；在15 s后機(jī)械手大臂和小臂保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，曲線沒(méi)有受到外界的干擾。小臂的角速度曲線也比較平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)大的波動(dòng)，這種正弦曲線有利于機(jī)械手臂提起重物。圖6中，小臂的角加速度最大值為2.4 rad/s2，是大臂角加速度的3倍；角加速度在0 s和15 s時(shí)刻變化很大，對(duì)外骨骼有沖擊震動(dòng)。小臂的加速度曲線不是很平穩(wěn)，在開(kāi)始和結(jié)束運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)反復(fù)震蕩，這樣很容易造成關(guān)節(jié)連接點(diǎn)處的移位。因此，在外骨骼設(shè)計(jì)過(guò)程中，在關(guān)節(jié)連接點(diǎn)處，要保證間隙配合，避免出現(xiàn)關(guān)節(jié)之間的相互擠壓破壞[9]。

圖7中，腕關(guān)節(jié)角速度在7.5 s時(shí)達(dá)到最大值，整體為正弦曲線變化規(guī)律，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，沒(méi)有急速轉(zhuǎn)向。圖8中，腕關(guān)節(jié)的角加速度最大值為3.25 rad/s2，在開(kāi)始和結(jié)束時(shí)的角加速度很大，對(duì)外骨骼有沖擊影響，穿戴者在提起重物瞬間要避免與外骨骼之間干擾，盡量減小加速度有較大的變化，同時(shí)還要保證外骨骼有較大的速度。

圖9a)～圖9c)表明，腕關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)矩13 000 N·mm，比理論設(shè)計(jì)值15 100 N·mm小，符合要求；肘關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)矩52 000 N·mm，理論校核最大轉(zhuǎn)矩為55 440 N·mm，二者比較接近，與實(shí)際相符；肩關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)矩78 000 N·mm，理論肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩為86 500 N·mm，滿(mǎn)足要求。肩關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩由電機(jī)提供，肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩由氣動(dòng)肌肉提供，人體本身也可以提供一些轉(zhuǎn)矩。由于附加外載荷，肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩在0到10 s快速增加，在10 s之后轉(zhuǎn)矩維持不變。肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩曲線在開(kāi)始出現(xiàn)微小波動(dòng)，之后出現(xiàn)加速上升過(guò)程，此時(shí)機(jī)械手臂正在提起重物，需要提供很大的轉(zhuǎn)矩，理論與實(shí)際相符。在15 s之后轉(zhuǎn)矩保持不變，與外加負(fù)載力矩相互平衡，維持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。轉(zhuǎn)矩的變換與各關(guān)節(jié)之間轉(zhuǎn)角變化有關(guān)。避免外骨骼機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角變化范圍過(guò)大，產(chǎn)生很大的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩，擠壓肩部，造成身體不適。外載荷越大，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩越大，因此關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩是制約外骨骼承載外力的主要因素之一。

綜合分析可知，在整個(gè)仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，穿戴式外骨骼大臂和小臂整體運(yùn)動(dòng)，從豎直方向運(yùn)動(dòng)到與身體水平位置，整個(gè)過(guò)程模擬了人體提取重物過(guò)程，仿真與所設(shè)計(jì)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)關(guān)系相符。

4 結(jié)論

1)對(duì)穿戴式外骨骼機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立起氣動(dòng)肌肉的力學(xué)建模，然后進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，綜合建立起整個(gè)外骨骼機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程。

2)運(yùn)用ADAMS軟件仿真，得出大臂小臂的角速度和角加速度，以便準(zhǔn)確控制外骨骼提取重物。在手臂末端施加外力，測(cè)得各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩，通過(guò)氣動(dòng)肌肉施加外力來(lái)補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)外骨骼助力。

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DynamicSimulationofWearableUpperLimbPowerAssistedRobotBasedonPneumaticMuscle

GU Wei, SONG Xiao-ming, HONG Hong-lun, FU Xin-tao, HAN Yan-long

(Department of Mechanical Engineering， Chengde Petroleum College， Chengde 067000， Hebei, China)

For the wearable exoskeleton robot, the complicated mechanical structure and low position precision limits its application scope. Based on the bionic design principle, a kind of wearable arm exoskeletons power robot based on pneumatic muscle is designed, and the dynamic simulation analysis is done. Referring to the movement mechanism and characteristic parameters of human shoulder elbow and wrist, the mechanical structure of the exoskeleton is designed, using Pro-e software to build the three-dimensional assembly model, then importing into ADAMS for dynamic simulation. The angular velocity and angular acceleration of the large and small arms, as well as the torque variation of each joint, are obtained by simulation analysis. The rationality and correctness of the design are verified, which provides a theoretical basis for robot intelligent control.

aerodynamic muscle; wearing type; exoskeleton; power robot; dynamics

TP242

B

1008-9446(2017)05-0029-06

2016-12-13

谷巍(1988-)，男，遼寧葫蘆島人，助教，碩士，主要從事穿戴上助力外骨骼機(jī)器人的研究，E-mail：2244707496@qq.com。