主動航天服關節助力外骨骼結構設計及優化

李照陽，戴躍洪,2,*，胡杰俊，王君堯

1. 電子科技大學 航空航天學院，成都 611731 2. 飛行器集群智能感知與協同控制四川省重點實驗室，成都 611731

1 引言

隨著嫦娥五號任務的圓滿成功以及火星探測器“天問一號”的成功發射，中國成功地邁出了行星探測的第一步。與此同時，越來越多的人憧憬著載人星表探測的夢想能夠早日實現[1-2]。與傳統的太空作業不同，未來的星表探測作業要求航天服上下肢關節系統都具備良好的運動性和靈活性，以便完成星表行走、樣品采集、設備維修和物資搬運等工作。在工作過程中，航天服由于壓力防護存在內外壓差，導致航天服關節運動時會產生明顯的阻尼力矩，從而增加宇航員的體能消耗，影響未來星表探測任務的開展[3]，因此有必要研究一種能夠提高航天服關節活動性能的助力結構設計方案。

近年來，為了提高航天服的活動性能，國內外研究學者相繼提出了機械反壓[4]、等張力體軟式關節[5]、硬式髖關節[6]、并聯式肘部助力結構[7]以及宇航員專用X1下肢助力外骨骼[8]等方案。上述方案對材料要求較高，且僅能實現局部助力。我們根據對國內外航天服結構的分析以及對力量增強型外骨骼技術的研究，提出了主動航天服設計方案，即在現有航天服的基礎上融合先進的外骨骼機器人技術，使宇航員—航天服—助力外骨骼系統成為高度人—服—機耦合的復雜力量增強型隨動系統[9]。主動航天服的作業系統由人體運動規律建模子系統、機械結構子系統、動力傳動子系統和感知控制子系統組成，可以幫助宇航員安全、快捷、高效、省力地完成各種星表探測任務。

目前，對于宇航員的助力研究，主要集中于對宇航員上肢和手套的助力，如Villoslada[10]等提出了一款柔性機械手(a soft hand exoskeleton)，緩解宇航員太空作業時的手部疲勞。張沛[11]等提出了艙外航天服上肢助力外骨骼，消除艙外航天服關節阻尼力矩對宇航員艙外作業的影響。崔翔[12]等提出了基于肌電信號的肘關節助力外骨骼，解決由于航天服隔離外骨骼系統與人體所造成的人機運動協同問題。隨著星表探測任務需求不斷增加，星表行走、物資搬運以及長距離車輛駕駛均對宇航員下肢活動能力提出了更高的要求。我們曾提出了一種航天服下肢助力外骨骼設計方案[13]，并對外骨骼結構動力學及運動控制算法進行了研究。為了滿足宇航員未來任務需求，我們所設計的主動航天服將對宇航員上下肢關節系統均提供助力，并且通過調整控制參數實現對不同重力環境、不同任務動作及不同負載變化時的關節助力。

本文提出一種應用于航天服的關節助力外骨骼結構方案，協助宇航員完成未來艙內外操作任務。在對第一代外骨骼樣機結構優化的基礎上，建立第二代外骨骼樣機的設計模型，結合有限元軟件分析，進一步優化第二代關節助力外骨骼結構尺寸，對比優化結果，以驗證結構優化方案可行性。

2 樣機設計

與地面用的外骨骼不同，本文提出的關節助力外骨骼是放置在航天服外部，主要用于克服航天服關節部位的阻尼力矩。當確定外骨骼關鍵結構的仿生參數時，需首先分析航天服上下肢各組成部分(如大臂、大腿等)輸出端的運動形式及運動空間等相關參數，確定外骨骼各關節的自由度分配及對應關節的運動范圍，從而完成外骨骼結構的初步設計。另外，由于真正的航天服屬于高價值裝備，因此只能定制一套尺寸相仿的模擬航天服，利用干式潛水服模擬航天服的充壓環境。同時，關節助力外骨骼要在結構上與人體肢體類似，且符合人體基本運動規律，從而滿足外骨骼的可穿戴性要求。因此，擬將上肢機構的一側簡化為一個3自由度、多剛體串聯的系統，下肢機構的一側簡化為5自由度系統。根據人體生理結構的特點，矢狀面的屈曲/伸展是人體主要的運動形式，消耗的能量較大。同時為減小因末端質量的增大所導致的能量消耗增加[14]，僅選擇在肩關節、肘關節、髖關節和膝關節矢狀面的屈曲/伸展方向安裝驅動電機，實現主動助力，其余關節表現為從動形式。關節助力外骨骼的自由度配置具體方案見表1，外骨骼的第一代樣機結構如圖1所示。

圖1 關節助力外骨骼第一代樣機結構Fig.1 Structure diagram of the first-generation prototype of the joint-assisted exoskeleton

由圖1所示，第一代樣機主要采用貼合式穿戴方式，即外骨骼可以作為一個整體穿戴在航天服外側，可實現與航天服的快速穿脫。其中，U型擋板是可拆卸的，方便航天服與外骨骼之間的固定。各關節之間的連桿長度是可調的，通過調整螺孔位置以適應不同宇航員。外骨骼的腳部存在一個自由度，用于模擬人體腳底的局部運動。外骨骼手臂末端的彎鉤主要用于協助宇航員提拉重物。

3 結構優化

3.1 模型設計

在使用過程中，第一代外骨骼樣機暴露出諸多問題。首先是第一代樣機整體質量達到24.835 kg，并不適合未來載人航天；U型擋板安裝與拆卸過程復雜，且極易與航天服發生運動干涉，對航天服造成磨損；通過螺孔位置改變從而調整連桿長度，不符合人機工程學；僅通過背帶使外骨骼與宇航員固定，當外骨骼負載過重時，會出現重心后移現象，極易造成宇航員向后摔倒。基于以上原因，第二代外骨骼的結構設計需使宇航員—航天服—外骨骼之間的相互干涉情況最小，且本體結構要輕巧、安全、可靠、堅固和耐用。所以擬定了以下設計目標：1)外骨骼整體質量≤15 kg；2)最大負載能力≥30 kg(地面)；3)選用強度高且高低溫性能較好的加工材料；4)滿足不同身高宇航員的需求。基于以上的設計目標，對關節助力外骨骼進行了以下方面的改進，改進后的第二代關節助力外骨骼結構設計模型如圖2所示。

圖2 關節助力外骨骼第二代結構設計模型Fig.2 The second-generation structure design model of the joint-assisted exoskeleton

1)增加了弧形肩部固定架，避免因外骨骼重心后移而摔倒，提高了主動航天服穿戴的穩定性。

2)各連桿被設計成具有弧度且可替換，使其結構與航天服更加貼合，且適應不同身形的宇航員。

3)減小外骨骼背部質量，將背板簡化為背架；背架與弧形肩部固定架存在一個旋轉自由度，方便宇航員快速穿戴外骨骼，且減少背帶使用。

4)用輕質彈性弧形固定護具替換U型擋板，優化固定方式，增加穿戴舒適度。

5)用U型手環替換彎鉤，宇航員既可以用來固定外骨骼末端，減少抖動，又可以用來提拉重物。

6)調整自由度配置方案。將肩關節內旋/外旋自由度調整為內收/外展自由度；將髖關節內收/外展自由度調整為內旋/外旋自由度；并且在腕關節處增加了一個旋轉自由度，使得宇航員的手部可以更加靈活地活動。

7)進一步減小外骨骼各桿件的尺寸，減輕關節助力外骨骼整體質量。

3.2 受力分析

需要分析第二代外骨骼上下肢運動時的受力情況，得出兩者受力較大的運動姿態，為外骨骼結構靜力學分析做好理論依據。對于下肢運動分析，人體行走周期可分為支撐相和擺動相，而且隨著運動速度和重力環境的不同，支撐相的占比會發生明顯變化[15]。將人體行走分為三種狀態：站立、單腿支撐和雙腿支撐，如圖3所示。設外骨骼弧形腰部固定架及以上部件總質量為G1，外骨骼左、右下肢質量分別為G2、G3，腰部負載質量為F。站立時下肢與身體冠狀面存在一個微小的前傾角，通過力學分析，得到不同行走狀態下的腳底分力F2x,F2z。

圖3 下肢受力簡圖Fig.3 Force diagram of lower limb

通過計算分析，可以得出在人體雙腿支撐時，腿桿所受的負載最小；而在人體單腿支撐時，外骨骼腿桿和各個關節受到的作用力最大，故選取腳底受力最大的單腿支撐狀態進行有限元靜力學分析與校核。而對于上肢的運動分析，星表探測時上肢主要完成樣品采集、設備維修和物資搬運。結合上肢的結構特點，可以將上肢看作成懸臂梁，故選取其單臂負載和雙臂負載兩種狀態進行有限元靜力學分析與校核。

3.3 有限元分析

(1)靜力學分析

首先在Creo軟件中將各零部件進行裝配約束，如重合、平行、角度偏移等。根據上述受力分析結果，將裝配的外骨骼模型調整為雙手舉物且單腿支撐的姿態。在保證機構主要承力與傳力的形式下，對模型中設計的孔、倒圓角等部位進行簡化，以避免網格劃分形狀不規則，導致求解時間太長或求解失敗[16]。隨后將簡化后的模型導入到Workbench軟件并設置材料屬性為鈦合金。對于裝配體來說，對外骨骼采用自動劃分網格的方法，生成的網格共有645 748個節點和363 392個單元。利用Skewness(偏度)衡量網格質量[17]，模型的網格最大偏度小于0.95且平均值為0.284，說明網格劃分質量能夠滿足有限元分析要求。對于整個外骨骼裝配體，需要研究的是單腿支撐那一瞬時的接觸情況和靜力情況，因此本論文的有限元接觸全部設置為綁定接觸。

對兩種情況進行靜力學分析，分別是：單腿支撐時雙手捧物情況和單腿支撐時單手舉物情況。在單腿支撐時雙手捧物情況下(以右腿支撐相為例)，以右腳底面為約束面施加固定約束，在弧形腰部固定架上施加一個200 N豎直向下的集中載荷，同時在左右小臂桿件上各施加一個100 N豎直向下的集中載荷，整體的應力分布情況和變形結果如圖4所示。

圖4 單腿支撐時雙手捧物情況下靜力學分析結果Fig.4 Statics analysis results with both hands holding objects when supporting one leg

在單腿支撐時單手舉物情況下(以右手舉物為例)，以右腳底面為約束面施加固定約束，在弧形腰部固定架上施加一個200 N豎直向下的集中載荷，同時在右小臂桿件施加一個200 N豎直向下的集中載荷，整體的應力分布情況和變形結果如圖5所示。

由圖4、圖5可知，兩種情況下的最大應力均位于弧形固定架與肩關節電機支撐架連接處上，應力最大值分別為552.57 MPa和845.09 MPa。因此要對此處選用高強度的插銷，且此處的合頁要選用較厚尺寸，能承受軸向和徑向的力。雙手捧物時，外骨骼左臂因受到一個集中載荷導致整體向左偏移，且最大變形量位于左邊U型手環，當左小臂桿件受力，U型手環向下移動，最大變形量5.262 2 mm。單手舉物時，最大變形量出現在右邊U型手環，由于右小臂桿件受到更大的載荷，U型手環向下彎曲，最大變形量為7.301 5 mm。

圖5 單腿支撐時單手舉物情況下靜力學分析結果Fig.5 Statics analysis results with single hand lifting objects when supporting one leg

從上述兩種情況的靜力分析來看，最大應力和最大變形均發生在上肢機構中。最大應力接近材料的極限強度，且手臂末端的變形量較大，需要增強小臂桿件和大臂桿件的剛度，下一步可通過優化上肢機構的尺寸參數來減小最大應力值和變形量。另外，分析除手臂末端外的外骨骼變形情況，擺動腿一側的變形量要大于支撐腿一側的變形量，在單腿支撐時雙手捧物情況下，擺動腿向前變形約為3.5 mm。因此需要進一步地優化腿部的尺寸結構，防止結構出現失穩情況。

(2)模態分析

模態分析主要用于確定外骨骼的固有頻率和模態振型[18]。在運動時，關節助力外骨骼會受到地面的沖擊以及機械系統運動而產生振動。若外骨骼與驅動電機激勵源發生共振，會嚴重影響測量儀器的精度，且容易發生疲勞破壞，從而減小外骨骼的使用壽命。如果運動時外骨骼與人體發生共振，那么會影響穿戴者的安全和健康。考慮到低階固有頻率及其對應的振型對機構的振動形式起到決定性作用。因此，對有預應力情況下的外骨骼前六階進行了模態分析。通過仿真計算，外骨骼的第一階至第六階固有頻率見表2。

表2 關節助力外骨骼前六階固有頻率

通過上述結果可知，關節助力外骨骼結構前六階固有頻率均在20 Hz以下。在人體步行運動模式的研究中，人體在步行時的擺動頻率為2 Hz，在跑動時則為4 Hz[19]。該外骨骼的最小固有頻率均大于這兩個頻率，因此不會與人體發生共振現象。同時，參考旋轉電機振動文獻[20]，當電機的轉速在600～12 000 r/min時，其振動頻率為10～1 000 Hz。

外骨骼結構運動的前3階低于最小的振動評定頻率，其他階次的固有頻率在該振動頻率范圍之內，因此可能會產生共振現象，外骨骼前六階模態振型如圖6所示。

圖6 外骨骼前六階模態振型Fig.6 The first six-order model shapes of the exoskeleton

4 尺寸優化

通過建模得知，第二代關節助力外骨骼機械結構整體質量約為18.466 kg，大于設計目標所要求的15 kg。同時，單腿支撐時的單手舉物情況下的最大應力接近鈦合金材料的極限強度，需要進一步地優化該工況下的結構尺寸。而在外骨骼最初的尺寸設計時，主要參考文獻所提出的同類外骨骼來確定大致尺寸，這使得有些位置在受力和運動時發生了變形，部分結構設計未達到設計要求。因此，利用ANSYS中的Design Exploration模塊尋找一種最優組合的機構尺寸設計方案[21]。外骨骼結構尺寸優化步驟如下：①選擇外骨骼主要桿件尺寸作為設計變量，確定變量范圍；②選擇需要優化的性能參數作為優化目標，設置約束條件；③利用響應曲面優化模塊進一步生成設計變量的靈敏度圖，進一步調整設計變量變化范圍，仍以約束條件開展優化設計，以獲得最優的尺寸配置。關節助力外骨骼優化 設計流程如圖7所示。

圖7 外骨骼尺寸優化設計流程Fig.7 Size optimization design process of the exoskeleton

4.1 設計變量

在本文，主要研究外骨骼桿件截面的長、寬的變化對輸出參數的影響，而桿件的長度是根據宇航員的身形來確定的，作為一個確定的數值。第二代關節助力外骨骼主要由上肢的大臂桿、小臂桿、背架條和弧形肩部固定架以及下肢的弧形腰部固定架、大腿桿和小腿桿作為設計變量。由于外骨骼左右兩邊結構相同，且采用的是全局變量進行參數化建模的，因此僅選取右側部分進行分析。設計變量對應的結構尺寸以及取值范圍含義見表3。SL是截面長 (section length)，SW是截面寬 (section width)，OV是初始值(original value)，MaV是最大值(maximum value)，MiV是最小值(minimum value)。

表3 設計變量及取值范圍

4.2 優化變量及約束條件

由上述分析可知，首先需要將外骨骼整體質量和最大von-Mises等效應力作為優化變量進行輸出。通過弧形固定護具，外骨骼與宇航員耦合。當兩者接觸部位的偏移量較大時會產生嚴重的干涉，從而導致人體穿戴舒適性變差[16]，因此需要將最大總應變作為優化變量。在模態分析中，受限于外骨骼結構主體設計形式，固有頻率難以大幅提高，當共振發生時，減小振幅就成了減小干涉影響和提高穿戴舒適性的主要途徑。此外，提高固有頻率也是提高穩定性的重要手段，選取第一階固有頻率作為優化變量。

對于最大von-Mises等效應力的約束條件，通過查閱鈦合金的文獻[22]可知，對于所用的鈦合金TC4材料，可以滿足月表溫度在-180 ℃到+150 ℃的環境。鈦合金在-196.15 ℃時，其拉伸強度為1 500 MPa，屈服強度為1 420 MPa。在200 ℃時，其拉伸強度為799.9 MPa，屈服強度為731.2 MPa。另外，材料的許用應力[σ]與極限應力σs之間的關系為[σ]=σs/SH。其中SH為構件的安全系數，鈦合金作為塑性材料，當考慮靜強度時，取SH=1.5，則鈦合金的最大許用應力為570 MPa，上述優化目標及對應的約束條件取值見表4。

表4 優化目標及約束條件

4.3 優化計算

利用Parameters Correlation分析出外骨骼系統設計變量之間的相關性以及輸出變量關于輸入變量的敏感性，確定對輸出變量影響顯著的輸入變量，提高后續響應面和優化計算的效率和精度。通過設計點采樣和曲面擬合技術，得到優化變量關于設計變量的響應面。由于優化變量較多，遺傳算法的從問題解的串集開始多點搜索、用適應度函數值來評估個體、以及采用概率的變遷原則來指導搜索方向等特點，增強了遺傳算法在多目標搜索和優化問題方面的有效性[23]。因此，在響應面優化中選擇多目標遺傳算法MOGA(multi-objective genetic algorithm)作為目標優化方法。為了研究外骨骼模型的優化變量對系統參數或設計變量的敏感程度，局部靈敏度分析結果如圖8所示。

圖8 設計變量的局部靈敏度Fig.8 Local sensitivity of design variables

在圖8中，橫坐標的4大輸出列分別對應4個優化變量，每大列中的柱狀代表著一個設計變量，按照P1到P12進行依次排列(由于涉及到裝配問題，背部桿件的截面寬P6無法進行優化計算)。圖8可以清晰地顯示出設計變量對優化變量的影響程度，以及正負相關性，這樣便于反推導出設計變量所需的變化趨勢，再結合滿足約束條件的3組最優候選方案，可以初步確定設計變量。另外，在實際加工過程中，0.1 mm的加工精度需要大量的加工成本，所以擇尺寸為整數值的確定方案。

4.4 結果對比

根據設計變量的局部靈敏度，多目標約束條件以及MOGA優化算法得到了一組設計變量的最終取值，關節助力外骨骼結構尺寸優化前后各參數的變化見表5。

通過表5可以看出，大臂桿件和背部桿件的截面面積有了適當增加，桿件的加粗說明對應的承載能力有了提高。其他桿件的截面面積得到了減小，說明相應結構設計時采用的尺寸過于保守。經過優化后，外骨骼整體質量P13和最大von-Mises等效壓力P14分別下降了19.34%和33.27%，滿足之前給定的設計指標，并且還存在一定的設計余量；最大總應變P15下降了11.39%，優化效果較為明顯，主要是由于腰部桿件P5的增大對其靈敏度較大。第一階固有頻率P16經過優化增加了2.89%，優化后剛度降低導致結構固有頻率很難提高。優化后外骨骼的第一階至第六階固有頻率見表6。

表6 優化后外骨骼前六階固有頻率

根據分析結果，調整尺寸并機械加工，研制的主動航天服關節助力外骨骼第二代樣機如圖9所示。

圖9 關節助力外骨骼第二代樣機結構Fig.9 Structure diagram of the second-generation prototype of the joint-assisted exoskeleton

5 結論

本文設計并研制了一種提高航天服關節活動性能的助力外骨骼樣機，通過對比優化前后的整體質量、最大von-Mises等效應力等參數，驗證了結構優化方案的可行性。主要結論如下：

1)針對未來星表探測作業，提出了主動航天服概念設計方案，研制了其中第一代關節助力外骨骼樣機。根據使用反饋提出了第二代樣機的設計模型，利用有限元分析軟件完成結構尺寸優化，調整桿件尺寸，得到了第二代關節助力外骨骼樣機。

2)對比單腿支撐時的單手舉物情況下優化結果，最大等效壓力從845.09 MPa下降至小于鈦合金材料最大許用應力的563.89 MPa，整體質量也從18.466 kg下降至小于設計目標值的14.89 4kg，存在一定的設計余量，整體優化效果較為明顯。

3)未來工作主要集中航天服阻尼力矩遲滯特性以及主動航天服運動控制系統研究，為研制具有高機動性和高負載能力的主動航天服提供技術支撐。