基于被动重力平衡技术的外骨骼机器人设计

基于被动重力平衡技术的外骨骼机器人设计

0零重力步行模拟在月球或星载勘探任务中，轨道探测和其他任务必须离开门，走到目标地点进行采样、开挖、观察和建造。这些任务的完成需要员工在空间重力或低重力环境中接受此任务。由于人在失重或低重力状态下的运动感受和作业方式与在地表重力环境下有很大的区别,为了确保能够完成出舱活动任务,载人航天任务发射前必须在地面对航天员进行大量的模拟训练和评估,确保其熟练掌握失重状态下的运动和作业规律与技巧,因此航天员地面失重模拟训练系统是一个国家开展载人航天工程不可或缺的重要基础设施。经过近半个世纪的努力,人类已开发出几种在地面模拟空间失重环境的技术,如气浮技术、中性浮力水槽、落塔和失重飞机等,但目前能够用于航天员失重模拟训练的只有失重飞机和中性浮力水槽。失重飞机进行抛物线飞行时能够产生极其逼真的零重力加速度环境,但由于其持续的时间较短(15至45秒),因此仅能供航天员进行失重体验及简单的动作训练,而更多复杂的出舱活动和作业训练只能在模拟失重的中性浮力水槽中进行。但中性浮力水槽不适用于航天员星表步行地面模拟训练。从理论上讲,在中性浮力水槽中,通过适当的浮力配平措施,也可以达到平衡掉任意比例人体重力的效果,从而为航天员模拟月球或火星等其他星球表面的重力环境,但由于水的动态阻尼和粘滞效应,航天员在水槽中动作时速度不能太快(≤0.5m/s),否则流体的阻力作用将使失重效果严重失真,这是美俄在实施登月计划过程中未采用水槽进行航天员月表步行训练的主要原因。人们很容易想到用绳索将航天员悬挂起来,通过绳索将航天员的部分身体重力平衡掉,然后让其在跑步机上练习低重力步行,但训练效果很难达到,因为此时人体的主要大关节(主要指腰关节、肩关节、肘关节、髋关节和膝关节等)依然承受1G重力矩的作用,根本达不到失重状态下的动作效应模拟。二十世纪80年代,NASA戈兰研究中心(NASAGlennResearchCentre,NGRC)联合了约翰逊航天中心(JohnsonSpaceCentre,JSC)等多家研究机构开始研制零重力步行运动模拟器ZLS(Zero-gravityLocomotionSimulator,ZLS),用于研究国际空间站航天员在零重力条件下的步行动力学和失重对人体肌肉骨骼健康的影响,并于2008年推出了增强型的零重力步行模拟器eZLS(enhancedZLS,eZLS)。eZLS主要由一台垂直放置的跑步机和一套用于平衡人体重力的悬挂系统组成,从其配置可以看出,eZLS不能用于训练航天员在月球或火星等低重力环境的步行,因为在eZLS中,航天员的移动方向与重力加速度的方向平行,而在月球或火星(包括在地球),航天员的步行方向与重力加速度的方向是垂直的。为了实施重返月球计划,NASA于2008年启动了系统研究计划主动响应去重力(ActiveResponseGravityOffloadSystem,ARGOS),其目的是研制一种不依赖于水槽的、专门用于月表步行地面模拟训练的系统及技术,美国重返月球计划后来虽被搁置,但ARGOS计划并未取消。ARGOS在整体上与大型设备总装车间的行吊类似,其核心组成部分是一套具有主动控制能力的悬挂系统,通过该悬挂系统可以将一定比例的航天员体重平衡掉,从而对航天员进行不同重力环境下的步行模拟训练,但由于ARGOS采用的是单点悬挂,仍然不能根据需要平衡人体主要大关节承受的重力载荷。美国新墨西哥州立大学机械与宇航工程系于2010年在美国自然科学基金的资助下,开展了自适应减重模拟系统研究,该系统采用自适应重力补偿技术,主要针对支撑航天、生物力学和康复机器人研究活动。受我国登月计划的需求驱动,国内相关科研机构近年来已在低重力或失重环境地面模拟方面开展了一些研究工作,除了上述提到的气浮技术、中性浮力水槽、落塔和失重飞机飞行外,哈尔滨工程大学、哈尔滨工业大学和浙江大学等在吊丝重力补偿和气动悬挂零重力环境模拟方面进行了相关研究工作,但这些研究主要针对的是空间结构或机构的地面验证,根据文献调查,目前还鲜见报道我国在月球航天员低重力步行地面模拟训练技术及装备领域进行系统而有针对性的研究活动。本文以弹簧平行四边形机构作为基本组成单元,构建包括人体躯干和四肢在内的被动机械外骨骼系统,将人体躯干和四肢的重力按比例分布转嫁到外骨骼上,通过改变弹簧的弹性系数或调整其安装位置,从而达到平衡掉任意比例(0%~100%)的人体重力,并使受训者感受到各主要关节失去相同比例重力载荷的效果。1被动重力平衡的符号弹簧平行四边形机构是一种常见的被动重力平衡措施,在工业机器人领域,设计人员经常用其来抵消连杆重力载荷对机器人关节力矩的影响,从而减轻关节驱动器的负担[12,13,14,15,16,17,18]。图1是基于弹簧平行四边形机构的被动重力平衡示意图。图中各符号含义为:m11,m12和m13别是杆1~3的质量;l1~l3是杆1~3的长度;a1和b1是弹簧的安装位置;k1是弹簧的弹性系数;r11,r12和r13分别是杆1~3质心的位置;θ1是平行四边形的旋转角度;L1为弹簧的长度。现以X0轴作为参考平面,并假设弹簧的初始长度为0(如图1(b)所示的安装方法,使L1等于弹簧的变形量即可满足该条件)和r11=r12=r1,则机构的总势能可由下式计算得到:(1)两边相对于θ1求偏导数,并令其等于0,则可以得到如下弹簧弹性系数:2外骨骼控制器近年来研究较热的外骨骼机器人利用一种可穿戴在人体上、有动力的机械系统,通过在主要关节部位与人体紧密结合,以人作为整个系统的控制中枢,其传感器系统通过融合人体的运动信息来捕捉人的运动意识,外骨骼控制器根据人的运动意识主动做出反应,将人体的运动负荷全部或部分分配到外骨骼上,从而在不降低人体机动性的同时使其负载能力和运动速度得到极大提高。但这种主动型外骨骼机器人设计极其挑战,涉及复杂的关节控制和运动规划系统设计及其稳定性分析,但针对航天员低重力步行模拟训练的目的,可以采用弹簧平行四边形机构构建纯被动的外骨骼机器人,将人体各主要部分重力载荷按比例转移到外骨骼上,从而获得不同比例的低重力模拟效果。2.1外骨骼适宜步行模拟实验结合外骨骼机器人技术和上述弹簧平行四边形重力平衡机构,构建如图3所示的面向航天员低重力步行模拟训练的外骨骼机器人系统。系统以具有静态被动平衡能力的弹簧平行四边形机构为基础,建立包含躯干和四肢的机械外骨骼系统,该外骨骼系统通过一个串联的弹簧平行四边形机构与固定基座连接,受训者穿戴该外骨骼系统在跑步机上步行,通过选择合适的弹簧弹性系数或调整弹簧的安装位置,可以将机构自身的重力和一定比例的人体重力平衡掉,从而使受训者在步行过程中其身体及各主要关节感受到失去一定比例重力载荷的效应。当然,为了便于进行低重力步行模拟实验研究,系统还必须配备必要的数据采集和处理模块,实时采集外骨骼的关节角位移、角速度/角加速度、跑步机对脚底的反作用力和步态等数据供分析使用。从图3可以看出,整个系统是包含多个刚体和多个柔体的高度耦合的人机动力学系统,因此,在确定平衡弹簧弹性系数时必须考虑人体各部位的质量参数,人体各部位的质量参数可以通过测量或在线辨识的方法获得,为了专注本文的主要研究目标,下文假设人体各部位的质量参数事先已确知。2.2质心固定参数设计对于这种包含多个刚体和多个柔体的高度耦合的人机动力学系统,其分析是具有挑战性的,为了能够说明问题并降低分析的复杂性,可以暂时不考虑手臂的重力载荷平衡问题,重点关注人体躯干和双腿的重力平衡,从而可以得到图4所示的模型。假设图中各杆件为均质杆,各杆件的质量和长度分别为mi和li,i=1,2,…,19,kj,j=1,2,…,7,为弹簧的弹性系数,aj和bj为弹簧j的安装位置,θj为关节变量,Ck,k=1,2,…,5,分别为人体躯干、大腿和小腿的质心,为了能够说明问题并简化推导,设Ck与所绑定的杆件的质心重合,并将其质量计入所绑定的杆件。整个被动重力平衡外骨骼系统的势能E由人体和机构的重力势能Eg以及系统内各个弹簧的弹性势能Ek构成,即取XOZ平面为零重力势能平面,并考虑到平行四边形的几何特征和外骨骼左右双腿的对称性,可以得到系统的总重力势能函数为:假设各弹簧的初始长度为0,则系统的弹性势能为将(5)和(6)代入(4),然后分别对θi求偏导数,并令其等于0,则可以求出各弹簧的弹性系数:按照(7)~(13)设计各弹簧的弹性系数,则系统将把外骨骼机构和人体的全部重力平衡掉,从而使穿戴者在地球表面感受到零重力的感觉,而若想在地表通过该系统模拟月表或火星表面的重力环境,只需将k1-k7乘上拟平衡掉重力的比例系数即可。例如对于模拟月球步行,需要平衡掉5/6的重力,那么只要将k1-k7乘以5/6即可,而对于火星只要将k1-k7乘以2/3即可。另外,由于本文仅是对该低重力步行模拟外骨骼机器人进行可行性研究,所以上述计算未考虑人体各部件质心位置和实际制造中杆件几何形状的影响,即基于均质杆假设,并设人体各部件质心与所绑定的杆件质心重合,这与实际情况并不相符,但在杆件和人体各部位质心已知的情况下,很容易推导出各弹簧弹性系数的计算公式。在实际应用中,杆件的质心可以精确测量获得,而人体的质心数据则可以通过实验测量或在线辨识的方法获得。3被动重力平衡外骨骼在地球和我国的动态仿真为了验证被动外骨骼机器人模拟低重力步行的效果,本文利用ADAMS动力学仿真软件对其进行了仿真研究。仿真模型包含一个简化的虚拟人体模型和一套被动外骨骼系统,系统的ADAMS仿真模型如图5所示。建模中,人体模型的尺寸参数根据中国成年人人体尺寸标准选取,大腿长度取480mm,小腿长度取360mm,上半身长度取940mm。人体质量分布数据参考文献,大腿质量8.16kg,小腿及足部质量取3.2kg,上半身质量取47.79kg。仿真中将大腿、小腿以及身体躯干简化为均质长方体,质心设置在形心处,并将人体简化为一个包含髋关节和膝关节的四自由度两足步行机构,所有关节都为单自由度的旋转关节。外骨骼各杆件的质量都取1kg,并忽略弹簧的质量,外骨骼的结构参数如表1所示。将上述外骨骼和人体参数带入(7)~(13)并考虑到要平衡掉的重力比例(以模拟月球表面和火星表面步行为例),可计算得到被动重力平衡外骨骼的弹簧系数如表2所示。步态数据参考文献,髋关节和膝关节关节角的变化轨迹如图6所示仿真过程中,将图6所示的关节轨迹作为模型驱动函数,驱动模型行走。为了能够说明问题,按照如下步骤进行仿真:首先将平行四边形机构与人体断开(不进行重力平衡),模拟地面1G重力环境的自由步行,然后在ADAMS环境中将重力加速度设为G/6,进行月球重力环境自由步行模拟,最后将重力加速度恢复为1G,并将重力平衡机构联接到人体,通过平衡机构将5/6人体重力平衡掉,即在地球表面模拟月球重力环境中步行。仿真中将人体脚掌与地面之间的作用力(行走载荷)记录下来,进行对比分析。图7~8为仿真结果,根据该结果,从行走载荷的角度看,被动平衡外骨骼能够在地球重力环境中模拟出与在月球环境非常接近的自由步行的效果。按照同样方法,进行了火星环境的低重力步行模拟,得到类似的结果,如图9~10所示。从仿真结果还可以观察到,人体在低重力环境中行走时,除了行走载荷大幅减小外,还出现了双脚离地的现象,即步态变得“轻盈”起来,这与人类几次登月行走中所观察到的情况是相符的,因为人在地面行走的用力习惯是长期适应地球重力环境的结果,当其在低重力环境中行走时,如果还是按照在地面的习惯用力,显然会使人体质心向上的幅度变大,从而使身体“轻盈”起来。4主动外骨骼的运动轨迹设计重力是地球上一种不可消失的客观存在,在地面进行失重环境模拟,其实质是将人或物体所受的地球引力转移到压缩气垫、磁场或水等介质上,实现对重力的补偿,由于这些介质与其他物体之间的摩擦系数很小或几乎为零,两者之间作相对运动时重力和重力矩的影响就可以忽略不计,从而能够在某些方向上获得零重力/零重力矩的失重效果。本文将被动重力平衡与外骨骼机器人技术相结合,进行低重力模拟,其实质是将人体各主要“零件”(大臂、小臂、躯干、大腿、小腿)的部分或全部重力分布转嫁到被动机械外骨骼上,这一点与气浮和水浮可以说是异曲同工,因而可获得逼真的整体人体失重模拟效果,而