矿用外骨骼助力机器人的结构设计与性能分析

刘泽鹏，赵利平，梁义维

（太原理工大学机械与运载工程学院，山西 太原 030024）

1 引言

我国是煤炭生产和消费第一大国，目前煤矿机器人的应用已日趋普遍，主要包含生产机器人、救灾机器人和服务机器人［1］，煤矿已基本实现工作面的机械化生产，但在井下仍存在诸多工况不适合大型设备的使用，如复杂巷道维修、小型硐室掘进和打帮锚杆等，人工体力劳动依然是不可替代的。而针对这些井下零散工种的作业机器人尚未有实质性推进［2］，市场上也没有相关的用于助力人体的矿用机器人出现。外骨骼机器人可以提高人们在行走耐久性、负重能力等特定方面的体能［3］。因此一款用于辅助煤矿工人作业的外骨骼机器人具有重要意义。

目前国内外众多研究机构均已开展外骨骼机器人的研究工作。如文献［4-6］进行了相关研究。这些外骨骼机器人采用液压或电机驱动，但都存在续航不足，活动受限的问题。

针对煤矿井下的复杂环境和实际工况需求，提出一种用于辅助工人移动操作重型风镐等机具的外骨骼助力机器人，将造成人员疲劳的主要作业动作配置成主动驱动，采用使用方便的气动或液压传动来解决动力问题。

其他机构配置非主动机构，从而使机构得以轻量化，同时也避免了复杂的传感系统和控制系统，成为一种更加实用化的外骨骼小型机具的可移动作业平台。

2 结构设计

这里设计的外骨骼主体可分为上肢和下肢两部分。上肢的助力升降平台用于承载重型机具实现三维空间内的移动定位，由液压驱动，采用液压助力系统控制。下肢承重机械腿采用仿生设计，模拟人体下肢生物结构，设计有髋关节、膝关节和踝关节，可以实现机械腿与人体下肢的同步运动。关节处设计有关节运动幅度限位装置，防止运动幅度过大造成人体生物组织的损伤。外骨骼机器人模型，如图1所示。主要技术参数，如表1所示。

表1 外骨骼技术参数Tab.1 Exoskeleton Technical Parameters

图1 外骨骼模型Fig.1 Exoskeleton Model

上肢助力升降平台包括背部直线升降导轨和水平面内移动的承重机械臂。背部导轨由两根平行的光轴竖直安装，机械臂端部设计有安装在导轨上的滑块结构，在背部助力油缸的推动下，可沿着导轨直线滑动。机械臂升降高度根据人体工程学设计，符合人体上肢升举最佳操作空间。水平机械臂是平面三连杆机构，连杆通过空间规划设置合理长度，可以实现人体双手操作舒适范围的全覆盖。

下肢机械腿共有10 个自由度，每条腿5 个自由度（左右腿对称分布），下面以左腿为例，自由度布置为髋关节3 个（前屈∕后伸（110～-15）°，内收∕外展（-30～30）°，旋内∕旋外（0～40）°），膝关节1 个（伸∕屈（0～130）°），踝关节1 个（背屈∕跖屈（-20～20）°）。在人体直立行走和登台阶的过程中，膝关节所需要的驱动功率是最大的［7］，因此在膝关节处设计有助力液压缸。髋关节处设计有被动助力器，利用弹簧储能特性提供助力。在大腿连杆和小腿连杆处设计有长度调节装置，可以根据不同身高调节合适的长度。

该外骨骼上肢升降系统和下肢关节助力系统都是一种位置伺服系统。人体动作位移作为控制开关输入信号，控制作动器跟随人体动作，整个人机系统形成了闭合机械反馈控制系统。液压回路由气液增压泵供能，集成在背部，整个系统只需外接气源作为驱动。

3 人机运动学与动力学仿真

以平地搬运行走为例，将人体模型和样机模型导入ADAMS中进行仿真分析。外骨骼模型的各部件材料设为钢，经轻量化设计后质量为40kg，气动机具质量为30kg。人体模型身高175mm，体重75kg。在人体模型和外骨骼模型的装配连接处设置接触，在人体脚底与地面间、外骨骼脚底与地面间设置接触和摩擦。将一个完整步态周期的CGA数据导入ADAMS中作为下肢各关节的驱动函数，因为下肢的运动是相对称的且相差0.5个周期，故以下讨论皆以左腿为例。左腿关节驱动角度曲线，如图2所示。设置仿真时间为1s，仿真步数为1000，进行运动学和动力学仿真。仿真动画中模型从左脚落地开始到左脚再次落地结束，人机模型可以平稳顺畅的行走，如图3所示。

图3 步态仿真动画Fig.3 Gait Simulation Animation

人体进行任何负重动作受到的力最终都会通过下肢传递到地面，因此脚底压力可以作为评价外骨骼助力效果的指标。一个步态周期的单腿脚底压力变化曲线，如图4所示。与驱动曲线同步，在（0～0.6）s内为支撑期，（0.6～1）s内为摆动期。由图4可知，未穿戴外骨骼由人体直接负重时，压力曲线在支撑期波动较大，在（0～0.1）s和（0.5～0.6）s期间，下肢处于双脚支撑期，两脚的支撑状态发生转变，脚底在接触地面和离开地面时，会产生冲击和压力突变，最大值为1512.51N。在单脚支撑期内（0.1～0.5）s压力变化幅度较小，压力平均值为1057.54N。穿戴外骨骼后，在（0～0.1）s和（0.5～0.6）s期间压力的波动明显减小，曲线更加平缓，支撑期压力更稳定，在（0.1～0.5）s内，压力平均值为858.44N。穿戴外骨骼后支撑期脚底的平均压力降低199.10N，即外骨骼帮助人体减小了18.83%的脚底负重，此外还有效减小了双腿交换时的冲击。

图4 脚底压力仿真曲线Fig.4 Simulation Curve of Foot Pressure

外骨骼作用于人体的交互力主要包括背板对人体背部的作用力和下肢绑腿对腿部的作用力，由于绑腿与人体为柔性接触，机械腿理想的认为与人体腿部贴合且无延迟的跟随腿部动作，故忽略绑腿的作用力。人体背部受力曲线，如图5所示。

图5 人体背部受力仿真曲线Fig.5 Back Stress Simulation Curve of Human Body

由图5 可知，外骨骼对人体背部的力主要为压力（数值为正），在0s和0.5s时，由于两腿支撑状态的转换，背部压力会产生突变，最大值为610N。在整个步态周期内，压力平均值为124.03N。背部的压力需要人体腰部肌肉出力来平衡，虽然数值较小，但是需要肌肉持续发力，长时间会造成疲劳，影响穿戴的舒适性。因此背部压力是评价穿戴舒适性的重要指标，为后期的改进提供了参考。

4 物理样机试验

为验证仿真结果的正确性和人机穿戴的实际效果，对实物样机进行试验，如图6所示。测试人员身高176cm，体重75kg。在外骨骼样机的背部靠板和脚底板安装有应变片式压力传感器，信号由示波器采集，将数据导出，由于两次步态周期时间不同，无法直接比较，为方便观察，将横坐标处理为一个完整步态的百分比数值，如图7所示。由图7可知，穿戴外骨骼后下肢的支撑期时间占比减小，即摆动期时间占比增大，主要是因为机械腿的跟随性较差，相对于人体动作会有滞后，增加了摆动期的时间。此外两条曲线的趋势基本一致，区别在于穿戴外骨骼后相较人体直接负重在数值上有明显下降。人体直接负重的单脚支撑期压力均值为1082.48N，穿戴外骨骼后单脚支撑期压力均值为876.01N。即穿戴外骨骼机器人可以帮助人体减小19.07%的脚底压力，这与仿真结果基本相同。

图6 样机试验Fig.6 Prototype Experiment

图7 脚底压力试验曲线Fig.7 Pressure Test Curve of Sole

人体背部受力曲线轨迹与仿真结果基本吻合，如图8所示。最大值为615.49N，步态周期内平均值为143.37N。

图8 背部压力试验曲线Fig.8 Back Pressure Test Curve

背部受到压力作用会影响背部肌肉的发力情况，人体搬运重物也与背部肌肉的发力密切相关，因此背部肌肉的活动状态也可以作为评价外骨骼穿戴效果的指标。肌电信号能够反应肌肉的活跃程度［8］，人体背部发力涉及多组肌肉的协同作用，选取活跃程度较大的竖脊肌为测试对象。采用表面肌电信号采集系统测量肌肉的肌电信号，由蓝牙模块将测试数据传输至电脑端，得肌电信号功率曲线，如图9所示。图9中两条肌电信号功率曲线对比，可以明显看出，外骨骼对人体背部的作用力虽然会使背部肌肉长时间出力，但是仍然比人体直接负重时肌肉的运动功率小，功率均值减小约60%。

图9 竖脊肌肌电信号功率曲线Fig.9 Vertebral Muscle SEMG Signal Power Curve

5 结论

（1）外骨骼的结构设计合理，动作灵活顺畅，能与人体的运动贴合。（2）外骨骼可以协助人体搬运重物并进行正常步态行走，可以有效减小人体下肢约19%的负重。（3）外骨骼本身可以平衡机具部分重量，减小背部肌肉约60%的活动强度，但背部肌肉仍需出力，影响人体的舒适性，这为之后的研究和改进工作奠定了基础。（4）通过样机试验表明外骨骼基本实现助力效果，但在机构的自平衡性和下肢助力器的跟随性方面还有待进一步提高。