下肢外骨骼机械结构的分析与设计

基金项目 :国家自然科学基金 ( 60705030 )和中国博士后科学基金 (20060400293)资助项目 收稿日期 : 2007 - 08 - 09　修回日期 : 2007 - 08 - 12 　　第 25卷　第 8期 计 　算 　机 　仿 　真 2008年 8月 　　 文章编号 : 1006 - 9348 (2008) 08 - 0238 - 04 下肢外骨骼机械结构的分析与设计 陈占伏 1 ,杨秀霞 2 ,顾文锦 2 (1. 海军航空工程学院研究生管理大队 ,山东 烟台 264001; 2. 海军航空工程学院控制工程系 ,山东 烟台 264001) 摘要 :为了实现人的智能与机械的力量之间的结合 ,使人具备机械的力量、速度和耐力 ,正在设计用于实现负荷行走功能的 下肢外骨骼。机械结构的设计是下肢外骨骼系统的关键技术之一。首先基于人体行走的生物学特征 ,阐述了下肢外骨骼机 械结构的设计方法。然后利用零力矩点 ( ZMP)稳定性理论 ,分析了外骨骼的动态稳定性的特点。最后在 ADAMS中建立了 外骨骼的虚拟样机模型 ,对外骨骼行走模型进行了仿真 ,通过对比仿真结果 , 验证了模型 ZMP处于稳定状态 ,从而说明利 用 ADAMS虚拟样机仿真的可行性。 关键词 :下肢外骨骼 ;机械结构 ;零力矩点 ;虚拟样机 中图分类号 : TP24216　　文献标识码 : A Ana lysis and D esign of M echan ica l Fram ework of L ower Extrem ity Exoskeleton CHEN Zhan - fu1 , YANG Xiu - xia2 , GU W en - jin2 (1. Graduate StudentspiB rigade of NAE I, Yantai Shandong 264001, China; 2. Department of Control Engineering of NAE I, Yantai Shandong 264001, China) ABSTRACT: In order to combine the human intellect with the mechanical strength, the paper tries to design the Lower Extrem ity Exoskeleton app lied to load - carrying. The design of mechnical framework of the Lower Extrem ity Exoskeleton is one of the key technologies. So Firstly, based on the biological characteristic of human walking, this paper introduces a method for mechnical design of the Lower Extrem ity Exoskeleton. Then using the stability theories of ZERO Moment Point, it analyzes the characteristic of the dynam ic stability of the exoskeleton. Finally, it builds a virtual p rototype model in the ADAMS, imp lements the simulation of the walking model. By comparing the results, it validates that the modelpis ZMP is stable, and illustrates the feasibility of the virtual p rototypepis simulation. KEYWO RD S:Lower extrem ity exoskeleton; Mechanical framework; ZMP; V irtual p rototype 1　引言 下肢外骨骼是一种新型的具有可穿戴性能的机械装置 , 从人机一体化智能系统理论的观点出发 ,它是一种人主机辅 的人机一体化系统 [ 1 ]。它设计的基本思想是结合人的智能 与机械的力量 ,强调人机之间的交互与配合。其中人给外骨 骼提供控制指令 ,外骨骼提供运动所需的能量。设计的目的 是达到人的智能与机械力量的互补 ,避免了传统的机器人模 拟人的智能带来的机械系统的复杂 ,同时使人具有了机械的 力量、速度和耐力 [ 2 ]。 下肢外骨骼的出现是运载方式上的革新 ,它突破了传统 车辆运载工具容易受到地形条件的限制。目前真正意义上 的外骨骼的成功设计是美国伯克力大学的 BLEEX[ 3 ]。它用 来实现人体负荷行走的功能 ,一个 75 lb的人穿上外骨骼 ,能 背负 34kg的背包以 113m / s的速度轻松行走。可以预见 ,下 肢外骨骼将有非常广泛的应用 ,如外骨骼可以使士兵在长途 行军中背负沉重装备而消耗较少体力 ,从而快速投入战斗 , 还可以帮助抢险救生人员完成各种运输装备的任务 [ 4 ]。 2　人体行走的特征 211　步态周期分析 图 1为纵向平面人体行走的步态周期图 [ 5 ]。人体行走 行为必需两个要素 :一是双脚周期性的移动支撑位置 ;二是 —832— 地面足够的反作用力支撑身体 [ 6 ]。如图 1所示 ,对同一条 腿 ,在一个步态周期内 ,有两种比较明显的状态 :站立状态和 摇摆状态。站立状态即脚部与地面接触 ,而摇摆状态为脚部 离开地面。对正常人的步态而言 ,站立状态约占整个周期的 62% ,摇摆状态为 38%。其中 ,站立状态可以划分为三种状 态 : 图 1　人体行走步态周期图 (1) 双支撑 :双脚与地面接触 ; (2)单支撑 :右脚与地面接触 ,左脚在空中摆动 ; (3)反向双支撑 :状态与 1相反。 212　下肢关节自由度 人体行走依靠下肢的髋关节、膝关节和踝关节的运动实 现 ,因此 ,有必要研究人体下肢关节自由度的特点。如图 2, 根据人体解剖学的研究 ,表明髋关节和踝关节可以认为有曲 伸、旋转和外展与内收三个自由度 ,而膝关节只有曲伸一个 自由度。对于不同的自由度 ,人体本身都有相应的运动范 围 ,文献 [ 7 ]中人体关节运动的范围为外骨骼关节的设计提 供了很好的参考。 图 2　人体下肢关节自由度 3　外骨骼的机械结构设计应考虑的几个问题 基于人体下肢的结构的分析 ,在自由度的分配上 ,外骨 骼应尽量模拟人体下肢的自由度。因此 ,髋关节和踝关节应 该分别有曲伸、外展内收和旋转三个自由度 ;膝关节只有一 个曲伸自由度即可。在关节运动范围上 ,出于安全因素的考 虑 ,外骨骼关节运动范围应比人体关节小。下面讨论自由度 驱动的问题。 Andrew Chu, H. Kazerooni和 Adam Zoss将修正后的步 态数据 (CGA )用于 BLEEX的设计中 [ 5 ]。其中详细介绍了 髋、膝和踝关节的曲伸自由度在行走过程中的角度、力矩和 机械能量的曲线。数据曲线表明 ,行走时能量消耗最大的是 髋关节、膝关节和踝关节曲伸自由度。关于曲伸自由度 ,踝 关节和髋关节都消耗正的能量 ,因此外骨骼的相应自由度需 要驱动。尽管膝关节在行走过程中吸收能量 ,但在阶梯或斜 坡路况下及蹲坐运动时 ,膝关节处消耗能量 ,因此膝关节也 需要驱动。另外 ,髋关节的外展和内收自由度提供侧向平衡 力 ,也需要驱动。对髋和踝关节的旋转自由度 ,踝关节的外 展和内收自由度都消耗很小的能量 ,不需要驱动。 外骨骼质量、长度等惯性参数参考正常人体下肢的参 数。从能量的角度 ,外骨骼除去负荷的总质量应该较轻 ,从 而节省穿着者的体力和外骨骼驱动的能量消耗。从控制的 角度看 ,外骨骼的结构应该尽量简单 ,方便建模与控制 ,避免 模型复杂带来的建模的困难。 要设计的外骨骼结构能够穿着在人的身上 ,除满足行走 需要的基本条件外 ,还必须考虑到以下几个方面的要求 : 1) 安全性 :外骨骼与人体协调共处 ,二者不能发生冲 突。 2) 兼容性 :外骨骼的肢体几何尺寸能够调节 ,以适应不 同的穿着者。 3) 舒适性 :增加人机接触缓冲装置 ,提高舒适性。 4　外骨骼的动态稳定性分析 当人穿着外骨骼行走的时候 ,必须满足的一个条件是保 持外骨骼的足底与地面的接触。将人和外骨骼组成的视为 一个整体的系统 ,它依靠外骨骼与地面相对运动产生的摩擦 力和地面的反作用力实现支撑。目前关于行走机器人稳定 性的分析 ,多运用零力矩点 ( ZMP)的方法。这里直接给出双 足拟人机器人动态稳定与 ZMP的关系 [ 8 ] :如果 ZMP位于支 撑多边形之内 ,则能够保持动态平衡而稳定行走 ;如果 ZMP 位于支撑多边形之外 ,则将有跌倒的趋势而不能稳定。在单 脚支撑时 ,支撑多边形为支撑脚与地面接触部分。在双脚支 撑时 ,支撑多边形与双脚在地面的位置有关。图 3中足底与 地面接触部分用四边形表示 ,红色边组成的区域为双脚支撑 时的支撑多边形。利用 ZMP的理论分析外骨骼的动态稳定 性如下 : 如图 3所示 , O为坐标原点 , A 为零力矩点 , Gc 为重心。 在 ZM P处系统受到的合外力与合力矩分别用 F与 TA 表示。 假设地面水平 ,则 A点坐标分量 az = 0。利用绕 A点的力矩 TA 的两个水平分量 TA x和 TA y等于零的条件 [9 ] ,得到 A 点的 —932— 图 3　平坦地面上的 ZM P 位置为 ax = M gx - L · y M g + S · z (1) ay = M gy + L · x M g + S · z (2) 其中 , M 表示整个外骨骼系统的质量 ; g为重力加速度 ; S = Sx Sy Sz T 为外骨骼总动量 ; L = Lx L y L z T 为总角 动量 ; Gc = x y z T 为系统重心的位置。 如果将外骨骼系统简化为一个质点 ,则得到 ZM P为 ax = x - zx¨ z¨ + g (3) ay = y - zy¨ z¨ + g (4) 　　为达到外骨骼的动态稳定 ,外骨骼的 ZMP应位于支撑 多边形内。考虑到人和外骨骼之间的交互 , ZMP在支撑多边 形的位置须有足够的稳定裕度。与传统的双足拟人机器人 不同 ,外骨骼系统增加了人体的参与。当受到外界干扰 ,人 穿着外骨骼处于不稳定状态时 ,人可以快速地移动 ,自主调 整重心 ,同时假设外骨骼能够快速跟踪人的运动 ,从而改变 整体重心位置重新获得稳定。因此 ,在外骨骼机械结构设计 中 ,基于 ZMP的动态稳定性分析人起着非常关键的作用。 在结构分布上 ,如果人和外骨骼具有相似的结构分布 , 即外骨骼尽量模拟人体结构 ,可以简化基于 ZMP的动态稳 定性分析。但是 ,这样换来的是外骨骼结构复杂的代价。对 复杂的机械结构 ,数学方法难以建立模型的方程。因此 ,利 用 ADAMS仿真复杂机构的运动学和动力学模型 ,很好的解 决了这一问题。 5　基于 ADAM S的外骨骼虚拟样机模型及仿真 511　利用 ADAM S对外骨骼的模型进行仿真 一般利用 ADAMS/V iew提供的建模构件工具可以直接 建立模型 ,但对于复杂的机械模型 ,一般采用的方法利用其 它专业的 CAD软件建立模型 ,然后通过 ADAMS提供的 CAD 模型数据接口导入 CAD软件中的模型后进行仿真。具体仿 真过程如下 : 1)在 CAD软件 SolidWork中绘制外骨骼模型 ,保存格式 为 Parasolid。 2)模型通过数据接口导入到 ADAMS中 ,首先编辑构件 属性 ,然后添加约束和驱动 ,最后设置环境接触。 3)设置仿真参数 ,仿真完毕进入后处理模块分析。 外骨骼长度和质量参数设置如表 1。 表 1　外骨骼参数设置 躯干 大腿 小腿 足部 长度 (m) 0146 0142 0134 0126 质量 ( kg) 8162 7167 4159 1163 　　为降低仿真的复杂程度 ,约束外骨骼在纵向平面内运 动。根据外骨骼足部与地面的关系 ,外骨骼行走过程分为几 种不同的状态 ,包括双支撑状态、单支撑状态、冗余单支撑状 态等。图 4为外骨骼从初始站立到一脚抬起 ,再到右脚着地 的仿真。从图中可以看出 ,该结构与 BLEEX的液压驱动方 式不同 ,采用电机驱动方式 ,利用髋、膝和踝关节安装的力矩 电机为关节运动提供力矩。其中 ,外骨骼的关节设定为旋转 约束 ,两个足底脚尖和脚跟分别安装传感器测量足底压力。 图 4　ADAM S外骨骼单步行走仿真 ( X:前进方向 ) 512　仿真结果及分析 仿真结束后进入后处理模块 , ADAMS解算器会根据设 定的参数自动计算模型的各构件的运动学和动力学信息。 图 5和图 6给出了左脚跟与地面作用力曲线和脚尖在空间 中的位置曲线。图 5,初始双足支撑阶段 ,由于重力左脚根与 地面存在反作用力 ,抬起后变为为零 ,在左脚跟再次着地的 瞬间 ,受力突然增大 ,表明仿真能够较真实地反映出行走时 脚跟与地面作用力的特点。图 6为左脚尖的位置 ,直观地表 明了行走开始后通过抬脚翻越障碍的情形。图 7则说明了 左踝关节在整个运动过程中的力矩 ,由此得到的各关节的力 矩信息可以为以后电机的驱动控制提供依据。 只考虑 X前进方向 ,根据方程 ( 3) ,在后处理模块模块 中通过构造函数得到方程 (3) ,计算出外骨骼 X方向 ZMP的 位置 ,通过判断 ZMP在 X方向上是否位于支撑多边形内 ,由 —042— 此来证明外骨骼是否处于动态稳定状态。图 8为计算得到 的 X方向上的 ZMP位置 ,不超出右脚掌与地面的接触的支 撑多边形内 ,因此判断外骨骼动态稳定。 综上所述 ,针对外骨骼复杂的零件结构及变化的运动状 态 ,单纯用数学方法建模和分析将会十分复杂 ,在实践中不 可行。因此 ,利用 ADAMS建立外骨骼的虚拟样机模型 ,在虚 拟环境中真实模拟外骨骼的行走 ,可以直观地认识外骨骼的 图 8　X方向的 ZM P位置 运动学和动力学关系 ,比较不同的行走状态 ,验证人体穿戴 性能 ,方便地修改设计缺陷 ,为外骨骼实物设计提供指导。 6　 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 本文重点介绍了下肢外骨骼机械结构的分析与设计。 在分析人体行走的生物特征基础上 ,阐述了机械结构设计应 该考虑的问题。接着利用 ZMP稳定理论对外骨骼动态稳定 性进行了分析 ,最后在 ADAMS中仿真外骨骼模型 ,仿真结果 验证了外骨骼处于 ZMP意义下的动态稳定状态 ,揭示了建 立虚拟样机模型在外骨骼机械结构设计和分析的作用。 参考文献 : [ 1 ]　陈鹰 ,杨灿军. 人机智能系统理论与方法 [M ]. 杭州 :浙江大 学出版社 , 2006. 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[作者简介 ] 范 　敏 ( 1975 - ) ,女 (汉族 ) ,重庆人 ,博士研究 生 ,讲师 ,主要研究方向 :专家系统与知识工程、智 能控制与智能管理。 黄席樾 ( 1943 - ) ,男 (回族 ) ,四川奉节人 ,博士 , 教授 ,博导 ,主要研究方向 :智能决策支持系统、模 式识别、机器人控制。 石为人 (1948 - ) ,男 (汉族 ) ,重庆人 ,教授 ,博导 ,主要研究方向 :智 能控制与智能管理 ,传感器网络。 —433—