單兵救援助力外骨骼機器人的設計與特性分析

宋紀元， 朱愛斌， 屠堯， 張甲林， 張育林

(1.西安交通大學 機器人與智能系統研究所， 陜西 西安 710049； 2.陜西省智能機器人重點實驗室， 陜西 西安 710049；3.現代設計及轉子軸承系統教育部重點實驗室， 陜西 西安 710049； 4.空軍裝備部駐西安地區軍事代表局， 陜西 西安 710082)

0 引言

裝甲車在戰爭過程中受到破壞，駕駛艙內的受困傷員難以靠自身力量逃脫出來，需要外界提供幫助。而裝甲車的頂門艙口處空間狹小，救援任務急迫，不利于多人救援或放置大型救援設備。

隨著機器人技術的發展，開發可穿戴助力裝置對人體體能進行增強或輔助，成為新的趨勢和研究熱點?？纱┐魇綑C器人能隨穿戴者進入人類的生活和工作環境，因此不需要為其進行大規模環境空間改造，適應力較強，具有廣泛的應用前景。已經出現了一些機器人能夠完全取代人類自主完成被設置的任務，還有很多場景由于現有技術的限制，機器人完全替代人的工作還存在較大技術難度，而外骨骼的人機一體化思想可以給出較好的解決方案：人體負責復雜環境下的判斷和決策，將人的“智慧”賦予機器人，外骨骼可以通過負載支撐、力量增強等輔助方式增強人體運動機能，減少或替代給定任務的人體關節扭矩，充分發揮人體和機器人各自的優勢。下肢外骨骼被廣泛用于降低行走和跑步的代謝成本，許多上肢外骨骼被建議用于中風康復。外骨骼的設計是為了匹配附著的生物關節的結構，因此它們只能以仿生方式幫助人類并增強或恢復現有的功能。在助力外骨骼應用方面，作為一個全身力量增強外骨骼系統，XOS2每只手臂可以承受23 kg的質量。然而，XOS2系統的總質量超過95 kg，其上肢部分質量約為 30 kg。 另一款搬運輔助外骨骼被稱為混合輔助肢體(HAL)，通過引入活動銷，它可以在雙臂中支撐 70 kg，但這是一種被動方式，其設計方法會影響系統的靈活性。

外肢體機器人是近些年提出的一種新型穿戴式機器人，其典型特征是機械肢體與穿戴者肢體運動獨立，使人機系統的機構學得到拓展。外肢體機器人的概念最早于2012年由美國麻省理工學院Asada教授提出，在近些年逐漸成為穿戴式機器人的研究熱點之一。外肢體可以提供新的輔助形式，因此催生出許多新的穿戴式應用場景，包括協助固定、輔助抓取、身體支撐、坐立轉換等。目前，外肢體還未在搬運領域有所應用。

本文設計了一款可穿戴救援設備，融合外骨骼和外肢體方案，以主被動結合的方式輔助救援者髖腰部，提升裝甲車內的傷員。通過對人體上下肢生理結構與運動機理的研究、人體運動學與動力學的建模分析，開展救援外骨骼的關鍵機構與動力設計，完成救援外骨骼的樣機研制并進行效能評價，使得研制的救援外骨骼機器人實現分散救援者負載、提升救援效率的目標。

1 人體運動機理和救援外骨骼設計方案

裝甲車在戰爭過程中受到破壞，駕駛艙內的受困傷員難以依靠自身力量逃脫出來，需要救援者在車頂開展救援。救援者開展救援的場景如圖1所示，裝甲車頂部艙口狹小，艙內座位離頂部的垂直距離為900 mm，待提升負載為80 kg的人體。

圖1 救援外骨骼的任務環境Fig.1 Working setting of the rescue exoskeleton

1.1 人體彎腰提升過程運動機理

圖2所示為人體彎腰提升過程的運動機理。由圖2可見，人體提升姿勢有彎腰提升和蹲姿提升兩種。在狹小空間中，采用彎腰提升方式更加便利；在彎腰提升方式中，人體膝關節保持直立狀態(見圖2)，可以簡化外骨骼的設計；人體主要運動部位為腰骶關節()和髖關節，而手臂用于掛載負載，外骨骼系統中應主要考慮這些部位的運動。

圖2 人體彎腰提升過程的運動機理Fig.2 Biological mechanism of human in stoop lifting

1.2 救援外骨骼設計方案

本文中采用外骨骼和外肢體結合的方式，輔助救援者對受困者的救援。救援外骨骼由上肢助力模塊、髖部助力模塊、外肢體和可收放式底座4個模塊組成，如圖3所示。外骨骼的髖部助力模塊用于滿足救援者腰骶關節和髖關節的運動需求，上肢助力模塊用于減輕救援者手臂的疲勞，可收放式底座用于傳導負載至地面，外肢體則用于分擔負載。提升端和傷員之間以安全綁具連接，且提升掛載端沿豎直方向提升，以避免傷員碰撞、造成二次傷害。

圖3 救援外骨骼設計方案Fig.3 Design scheme of the rescue exoskeleton

該系統中，外肢體采用2自由度主動驅動方案，由電動推桿提供動力，如圖4所示。在提升過程中，負載端沿豎直方向運動，提升高度要求為900 mm，裝甲車頂部艙口中心和外骨骼腿部之間的距離為600 mm，如圖3所示。外肢體和腿部的固定端為離合式鉸接塊，在水平方向旋轉的角度范圍為-30°～30°，可通過彈簧銷的插拔切換外肢體水平旋轉自由度。

圖4 外肢體設計方案Fig.4 Design of the supernumerary robotic limb

髖關節助力模塊采用偏心式曲柄滑塊機構，曲柄旋轉中心與髖部同軸，且包含機械限位，髖關節助力模塊的運動范圍為0°～90°，滑塊的移動范圍為100 mm，如圖5所示。曲柄隨穿戴者腰部屈曲，通過連桿向下壓動導軌上的滑塊，直線彈簧存儲能量，該能量可在外骨骼抬升過程釋放，對救援者的提升運動助力。腰部寬度的調節范圍為320～500 mm，髖關節距足底高度的調節范圍為760～980 mm。

圖5 髖部助力模塊設計方案Fig.5 Design scheme of the hip assisting module

上肢助力模塊的背部、肩部、大臂和小臂的長度可根據實際情況進行調節。肩關節和肘關節連接電動推桿。肩關節和肘關節的運動自由度平行于橫斷面，在矢狀面平行方向不可運動，有利于在抬升過程中外骨骼上肢手臂負載通過背部傳導至髖關節助力模塊。

2 救援外骨骼運動模型及計算

腰部助力機構為外骨骼的主要運動部位，采用彈性曲柄滑塊機構，圖6為負載被提升起來的狀態。圖6中：為外骨骼髖關節到外肢體固定端的距離，長度為0.10 m；為髖關節到外骨骼背部的距離，其長度為0.15 m；為外骨骼背部的長度，其長度設計為0.48 m；為外骨骼上肢腕部到外骨骼背部的距離，當手臂伸直最長狀態為0.60 m時，最短狀態為0.20 m；為外骨骼上肢腕部到掛載端的連桿距離，長度為0.22 m；彈簧的底部(滑塊最大行程端)距離髖關節在豎直方向的距離為0.35 m；連桿的長度為0.17 m；曲柄的長度為0.06 m；曲柄滑塊機構中，偏心距為0.06 m。

圖6 外骨骼提升傷員示意圖Fig.6 Schematic diagram of how the exoskeleton lifts the wounded

2.1 外肢體機構的設計計算

外肢體提升機構為2自由度的機械臂，如圖7所示。圖7中：為電動推桿的推力，為的力臂為三角形中邊對應的高，為推桿的推力，為的力臂為三角形中邊對應的高，為段和豎直方向的夾角，為段和段延長線的夾角；建立坐標系為外肢體的基坐標系，軸的方向豎直向下，軸的方向水平向右，外肢體的大臂與外骨骼腿部的鉸接點為，大臂和小臂的鉸接點為，為小臂的末端；推桿和推桿分別為大臂段和小臂段提供動力；推桿和外骨骼之間鉸接點為，推桿和大臂的鉸接點為；推桿和大臂段的鉸接點為，推桿和小臂段的鉸接點為；為三角形中∠的角度，為三角形中∠的角度。利用ADAMS軟件仿真機械臂的末端在5 s內沿豎直方向上升 900 mm，記錄夾角和夾角的角位移變化，如圖8所示。

圖7 外肢體模型示意圖Fig.7 Mathematical model of the supernumerary robotic limb

圖8 2自由度機械臂提升過程中α和β的角位移變化Fig.8 Angular displacement of the two-degree-of-freedom manipulator during lifting

2.1.1 電動推桿行程設計計算

根據外肢體提升過程中和的位移變化(見圖8)，利用余弦定理計算推桿和推桿的長度變化如下：

(1)

(2)

電動推桿的初始長度為0，電動推桿的初始長度為0，則在提升過程中電動推桿的位移和電動推桿的位移如下：

(3)

(4)

式中：=016 m；=0472 m；=0455 m；=007 m，兩個電動推桿的初始長度均為036 m。兩個電動推桿的位移變化如圖9所示，可以看出電動推桿隨著提升過程一直在伸長，位移最大為0240 m；電動推桿隨著提升過程先縮短后伸長，位移最大為0145 m。

圖9 外肢體中電動推桿的位移變化Fig.9 Displacement of the electric actuators in the supernumerary robotic limb

212 電動推桿運動學分析

電動推桿和電動推桿的速度曲線如圖10所示，加速度曲線如圖11所示。末端5 s內提升900 mm過程中：電動推桿的最大速度為0074 m/s，電動推桿的最大速度為0048 m/s。電動推桿的最大加速度為-007 m/s，電動推桿的最大速度為-014 m/s。

圖10 外肢體電動推桿速度變化Fig.10 Speed of the electric actuators in the supernumerary robotic limb

圖11 外肢體電動推桿加速度變化Fig.11 Acceleration of the electric actuators in the supernumerary robotic limb

213 電動推桿動力學分析及選型

外肢體可以看成是平面二連桿臂(見圖7)，根據牛頓- 歐拉法可以計算出二連桿機械臂的動力學方程如(5)式和(6)式所示。

(5)

(6)

式中：和分別為桿和桿的質量；為段的重心到點的距離；為段的重心到點的距離；為關節的扭矩；為關節的扭矩；為重力加速度。

=0513 m，=0257 m，由于在點掛載受困傷員，傷員的重力由左右兩個外肢體承擔，則單臂負載為400 N，遠大于連桿和連桿的重力。因此假設為0 kg，為40 kg，整個外肢體(見圖7)的質心在末端點。根據(5)式和(6)式，可以解得關節和關節的扭矩如圖12所示。

圖12 外肢體關節的扭矩Fig.12 Torque of the joints of the supernumerary robotic limb

根據(1)式、(2)式和三角形的面積關系，可以求出和如下：

(7)

(8)

由此可得和分別如下：

=

(9)

=

(10)

則電動推桿和電動推桿的推力如圖13所示。由圖13可以看出，外肢體在5 s內對負載提升900 mm的過程中：對于電動推桿，最大推力為2 460 N，最大位移為240 mm，推桿的最大線速度為74 mm/s；對于電動推桿，最大推力為1 675 N，最大位移為145 mm，推桿的最大線速度為48 mm/s。

圖13 電動推桿的推力Fig.13 Thrust of the electric actuators

推桿速度可以通過延長提升的時間而減小，例如傷員需要25 s提升900 mm時，推桿最大線速度可為148 mm/s，推桿最大線速度可為96 mm/s。

2.2 外骨骼腰部助力機構的設計計算

外骨骼腰部助力機構為彈性曲柄滑塊機構，圖14為負載被提升起來的狀態。當傷員被提升起來時，曲柄和水平方向夾角為0°，此時彈簧的壓縮量最小，連桿的長度為0170 m，曲柄的長度為006 m。曲柄滑塊機構中，偏心距為006 m，外肢體末端距離外骨骼腿部的水平距離為 600 mm。

圖14 腰部曲柄彈簧滑塊機構的初始狀態Fig.14 The initial state of the crank spring slider module for the waist

外骨骼提升過程時，曲柄在10 s內逆時針旋轉90°，獲取和的夾角變化，如圖15所示。

圖15 L1和L2的夾角θ變化Fig.15 The angle θ between L1 and L2

221 髖部彈簧設計計算

假設彈簧的初始長度為，彈簧的剛度為。則在提升過程中，彈簧對髖關節的輔助力矩如下：

(11)

在外肢體的輔助下，救援人員在救援過程中單側需要提供的拉力如圖16所示，可以看出在救援過程中，隨著傷員被提升，救援人員需要提供的拉力越來越大，需要提供最大拉力為200 N。在這里，救援人員在單手可以堅持的最大拉力為150 N，剩余無法平衡的力對髖關節沿順時針方向的扭矩為29 N·m，則為在傷員被完全提起后髖關節(曲柄彈簧滑塊機構)提供的沿逆時針方向的扭矩最小為29 N·m。

圖16 救援人員單側提供的拉力變化Fig.16 Pull force provided by the rescuer on one side

由圖15可以看出，當傷員被抬起后和的夾角為46°，此時將彈簧對髖關節沿逆時針方向的輔助力矩設置為29 N·m。假設救援人員單手向下壓的壓力最大為100 N，則當人體將外骨骼下壓90°時，將彈簧對髖關節沿逆時針方向的力矩設置為58 N·m，此時由圖15可以看出和的夾角為1572°，因此根據(11)式可以得出如下方程組：

(12)

根據(12)式解得在髖部的彈簧剛度為4 980 N/m，彈簧的初始長度為0326 m。

222 髖部曲柄彈簧滑塊助力機構動力學分析

根據(11)式和221節中所得彈簧剛度和初始長度，計算外骨骼單側髖關節曲柄彈簧滑塊機構在運動過程中為人體髖關節提供的沿逆時針方向的扭矩，結果如圖17所示。

圖17 曲柄彈簧滑塊機構對人體髖關節的輔助扭矩Fig.17 Assisting torque of the crank spring slider module

根據圖17可以得到外骨骼(不包含外肢體機構)對傷員沿豎直方向的輔助合力如圖18所示。由圖18可以看出：在救援開始時外骨骼提供豎直向上的輔助力為500 N，在救援結束時外骨骼提供的豎直向上的輔助力為250 N。

圖18 外骨骼對傷員沿豎直方向的輔助合力Fig.18 Assisting force of the exoskeleton to the wounded in the vertical direction

利用外骨骼在救援過程中的輔助合力(見圖18)減去負載的重力，可以得到救援人員單側需要的施力大小如圖19所示，可以看出在救援初期救援人員施力為負，表明此時救援人員不需要為負載提供豎直向上的力，當達到救援援周期的一半時間時(即第5 s時)，救援人員施力為正，表明此時救援人員需要為負載提供豎直向上的力，該力最大為150 N。

圖19 救援人員單側施力Fig.19 Force exerted by the rescuer on one side

2.3 上肢電動推桿設計計算

外骨骼上肢的肩關節和肘關節分別由電動推桿驅動，如圖20所示，圖中推桿和推桿分別為肩關節和肘關節提供動力。為006 m，為005 m，為025 m。利用運動學仿真軟件對該機構進行仿真計算，使傷員能在5 s內沿豎直方向上升900 mm，記錄和夾角的角位移變化，和夾角的角位移變化，如圖21所示。

圖20 上肢電推推桿布置示意圖Fig.20 Schematic diagram of the placement of the electric actuator in the upper limb

圖21 外骨骼上肢α和β的角位移變化Fig.21 Angular displacement α and β of the exoskeleton upper limb

231 電動推桿行程計算

根據圖21中和曲線，采用余弦定理計算出推桿和推桿在提升過程中的長度如下：

(13)

(14)

電動推桿的初始長度為0，電動推桿的初始長度為0，因此可以得到電動推桿在提升過程中的位移和電動推桿在提升過程中位移的變化如下：

(15)

(16)

在上肢機械臂的機構中，=0197 m，=0061 m，=0258 m，=0061 m，0=016 m，0=021 m，可以計算得到兩個電動推桿的位移變化如圖22所示。肩關節電動推桿的位移最大為0035 m，肘關節電動推桿的位移最大為0079 m。

圖22 外骨骼上肢電動推桿的位移變化Fig.22 Displacement of electric actuators in the exoskeleton upper limb

232 電動推桿運動學分析

根據圖22中推桿和推桿的伸出位移變化曲線，可以計算出電動推桿和電動推桿的速度曲線如圖23所示，加速度曲線如圖24所示。

圖23 外骨骼上肢電動推桿的伸出速度變化Fig.23 Speed of electric actuators in the exoskeleton upper limb

圖24 外骨骼上肢電動推桿的伸出加速度變化Fig.24 Acceleration of electric actuators in the exoskeleton upper limb

該救援外骨骼的上肢電動推桿和外肢體電動推桿的位移變化需要按照相互對應的位移點運動，計算得到單側4個電動推桿的位移關系，如圖25所示，此耦合關系做為電動推桿的運動輸入，可以實現傷員被沿著豎直方向提升。外骨骼的工作過程如圖26所示，髖部模塊在穿戴者的彎腰過程中儲能，并在提升過程中釋放，隨外肢體一起向上提升。

圖25 救援設備單側4個電動推桿的運動關系Fig.25 Movement of four electric actuators on one side

圖26 救援外骨骼的工作過程Fig.26 Working process of the rescue exoskeleton

3 救援外骨骼實驗研究

為驗證單兵救援助力外骨骼樣機的末端位姿在豎直方向的到達能力，將外骨骼實驗樣機底座固定在地面上，外骨骼的關節處貼上反光標記點。穿戴者站在救援外骨骼中，在外骨骼的輔助下提起地面的80 kg重物，Vicon三維動作捕捉系統借助高速攝像頭獲取外骨骼運動數據，圖27為實驗場景。

圖27 救援外骨骼的運動實驗Fig.27 Experiments of the rescue exoskeleton

穿戴者控制救援外骨骼的實驗樣機進行多次提升實驗，求出提升高度和矢狀面水平位移的數據均值。如圖28所示，外肢體末端提升高度接近980 mm，外肢體末端在矢狀面最大位移為5 mm。外骨骼在豎直方向的提升高度滿足設計要求，且在矢狀面上的水平位移小于5 mm，能夠保證被提升的負載沿豎直方向上升。本文中提出的外骨骼方案能夠滿足上肢和下肢機構運動的協調，以實現外骨骼的末端負載沿著豎直方向被提升。在接下來的工作中，會針對外骨骼和穿戴者之間的運動交互進一步研究，實現該救援系統能夠根據救援者的運動意圖調節運動參數，提升過程外骨骼運動的柔順性。

圖28 運動捕捉實驗中外骨骼的抬升高度Fig.28 Lifting height of the exoskeleton in motion capture experiments

4 結論

1)本文提出一種用于救援人員提升裝甲車中受困傷員的救援設備，將外骨骼和外肢體兩種方案結合，以主被動結合的方式輔助穿戴者。

2)通過對人體彎腰狀態下生理結構的研究，開展救援外骨骼的機構設計、運動學與動力學分析。設計了救援外骨骼的關鍵機構，完成救援外骨骼的樣機研制并通過實驗驗證了樣機運動的可行性。此套助力系統有望實現分散救援者負載、提升救援效率的目標。