柔性sexar式虛擬重力控制模型研究

柔性sexar式虛擬重力控制模型研究

1重新能力在重4人世界各國(guó)，特別是美國(guó)、俄羅斯和中國(guó)等航天技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家，正在努力發(fā)展各國(guó)的航天技術(shù)，并在世界高科技領(lǐng)域發(fā)揮主導(dǎo)作用。然而，宇宙環(huán)境是一個(gè)脆弱的環(huán)境。例如，在太空環(huán)境中移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)員的身體重量下沉，這將對(duì)運(yùn)動(dòng)員的生理系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，如運(yùn)動(dòng)能耗、肌肉萎縮、肌肉和心臟系統(tǒng)功能障礙。嚴(yán)重或危及運(yùn)動(dòng)員的生命。為了減少這種不利影響，確?？哲娷壽E中人員的身體健康和高效工作能力，必須采取具體措施。特別是要加強(qiáng)對(duì)空間軌跡中墜落人員的力量訓(xùn)練。適當(dāng)?shù)腻憻挷粌H可以鍛煉肌肉和骨骼，還可以增加人體的消耗氧，從而提高心血管系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力。目前,航天員太空飛行中采用的鍛煉方法主要有拉力器鍛煉、自行車(chē)功量計(jì)鍛煉、下體負(fù)壓鍛煉和跑臺(tái)鍛煉4種.拉力器鍛煉主要是鍛煉手、軀干和腹部的肌肉,防止肌肉群萎縮和力量減弱,但對(duì)調(diào)節(jié)整個(gè)人體功能的作用不是太明顯.自行車(chē)功量計(jì)是一種可以踏動(dòng)的鍛煉設(shè)備,航天員在自行車(chē)功量計(jì)上進(jìn)行鍛煉可以防止心臟功能的衰減、骨骼肌質(zhì)量的下降、增加血量的循環(huán)和改善組織器官的血液供應(yīng),但它基本上不能防止立位耐力的降低.下體負(fù)壓鍛煉主要是改變體液的分布,減輕失重引起的心血管紊亂,但對(duì)肌肉萎縮和肌力衰退作用不大.跑臺(tái)鍛煉是一種全身性的運(yùn)動(dòng),比較好地刺激了航天員的心血管、骨骼和肌肉系統(tǒng),還可以促使神經(jīng)—肌肉功能的協(xié)調(diào)和提高人體機(jī)體適應(yīng)于各種應(yīng)急條件的耐力,但它只用兩個(gè)彈性束帶將航天員固定在跑臺(tái)上,并不能保證鍛煉過(guò)程中施加到人體的力為恒定的重力值.本文提出了一種基于繩索牽引的航天員機(jī)能訓(xùn)練機(jī)器人,通過(guò)機(jī)器人控制系統(tǒng)把重力負(fù)載施加到航天員的身體上,實(shí)現(xiàn)航天員在直立行走狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練,并使航天員在太空微重力環(huán)境中感受到地面重力感.2索牽引柔性stel嫌犯的機(jī)構(gòu)模型人體的直立行走是一種復(fù)雜整體運(yùn)動(dòng).在正常行走過(guò)程中,人體的重心始終處于動(dòng)態(tài)變化中,現(xiàn)有技術(shù)很難準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地測(cè)量出其所在位置.人體的骨盆上連腰椎,下與股骨構(gòu)成髖關(guān)節(jié),既作為脊柱的一環(huán)而運(yùn)動(dòng),又以髖關(guān)節(jié)為軸作相對(duì)于下肢的運(yùn)動(dòng).在直立行走過(guò)程中,人體骨盆的運(yùn)動(dòng)不僅起著重要的平衡作用和協(xié)調(diào)作用,而且研究人體步態(tài)模型的專(zhuān)家依據(jù)能量守恒原理得出骨盆的運(yùn)動(dòng)軌跡近似于人體重心的運(yùn)動(dòng)軌跡.因此,本文將重力負(fù)載通過(guò)人體骨盆的中心處施加到航天員的身體上,使航天員在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的同時(shí)感受到地面重力的感覺(jué).在直立行走過(guò)程中,人體骨盆需要完成一個(gè)復(fù)雜的空間6自由度運(yùn)動(dòng),即沿矢狀軸的平動(dòng)(前后方向)、沿冠狀軸的平動(dòng)(左右方向)、沿垂直軸的平動(dòng)(上下方向)、繞矢狀軸的擺動(dòng)(左右側(cè)擺)、繞冠狀軸的俯仰(前后俯仰)和繞垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)等6個(gè)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì).文[9-10]從力的傳遞上分析了繩索牽引并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)類(lèi)型,證明要實(shí)現(xiàn)剛體的空間運(yùn)動(dòng)需采用3R3T機(jī)構(gòu)類(lèi)型.本文提出了一種基于繩索牽引的柔性Stewart平臺(tái)式航天員機(jī)能訓(xùn)練機(jī)器人,其機(jī)構(gòu)模型如圖1所示.機(jī)器人的動(dòng)平臺(tái)通過(guò)負(fù)重背心在人體骨盆處與人體柔性連接,動(dòng)平臺(tái)由6根繩索牽引,各繩索的另一端分別通過(guò)安裝在機(jī)架上的球心過(guò)輪(圖1中未畫(huà)出)與直流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾輪相連接,電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元固定于基平臺(tái)的機(jī)架上.同時(shí),每根繩索中間均安裝一個(gè)力傳感器,用于檢測(cè)繩索拉力的大小.另外,還包括一個(gè)輔助的測(cè)力跑臺(tái)裝置,通過(guò)測(cè)得的壓力計(jì)算出施加的虛擬重力值,也可以粗略地推算出人體重心軌跡.基于繩索牽引的航天員機(jī)能訓(xùn)練機(jī)器人的工作機(jī)理為:在訓(xùn)練過(guò)程中,航天員在測(cè)力跑臺(tái)上正常行走,繩索牽引系統(tǒng)提供一個(gè)虛擬重力場(chǎng)環(huán)境,即通過(guò)繩索牽引機(jī)器人控制系統(tǒng)把虛擬重力負(fù)載施加到人體上,在人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中只產(chǎn)生豎直方向的虛擬重力,不產(chǎn)生橫向附加力,不影響重力方向以外其它方向上的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),使航天員運(yùn)動(dòng)機(jī)能和肌力在虛擬重力環(huán)境中能夠得到鍛煉.在整個(gè)過(guò)程中,航天員是運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的使動(dòng)者,而繩索牽引系統(tǒng)只提供一個(gè)虛擬重力環(huán)境.這樣既可以保持微重力條件下長(zhǎng)期生活的航天員的運(yùn)動(dòng)機(jī)能和體力,又可以通過(guò)所產(chǎn)生的虛擬重力環(huán)境(虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境)對(duì)航天員的心理和精神起到康復(fù)作用.3機(jī)器人控制策略robotcoordina3.1約朗伯原理下的機(jī)器人初始的大力力基于繩索牽引的航天員機(jī)能訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)的受力情況如圖2所示.設(shè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的固定笛卡兒直角坐標(biāo)系為Oxyz,在固定坐標(biāo)系中繩索與基架的連接點(diǎn)為Bi(i=1,2,···,6);人體骨盆的局部坐標(biāo)系為PxPyPzP,點(diǎn)P為人體骨盆的中心,在局部坐標(biāo)系中繩索與負(fù)重背心的連接點(diǎn)為Pi(i=1,2,···,6).記為人體骨盆相對(duì)于固定坐標(biāo)系Oxyz的位姿,XP為點(diǎn)P在Oxyz坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)(x,y,z),θP為人體骨盆的局部坐標(biāo)系PxPyPzP相對(duì)于固定坐標(biāo)系Oxyz的姿態(tài)(θx,θy,θz).設(shè)Li為從連接點(diǎn)Pi到連接點(diǎn)Bi方向上繩索的矢量,為第i根繩索的長(zhǎng)度,ui=Li/li為第i根繩索方向的單位矢量,ri=PPi,ti為第i根繩索的拉力,fP和τP分別表示作用在人體上的合力和合力矩,即機(jī)器人末端的廣義力.基于達(dá)朗伯原理,人體所受的力學(xué)平衡方程可表示為:結(jié)合式(1)和(2),可得機(jī)器人輸出的廣義力為:當(dāng)機(jī)器人各結(jié)構(gòu)尺寸及其位形參數(shù)確定時(shí),矩陣JT就可以直接求出.如果再知道各繩索拉力的大小,根據(jù)式(3)就可以計(jì)算出機(jī)器人末端的廣義輸出力.本課題研究的主要目的是產(chǎn)生一個(gè)z方向上的力,即虛擬重力.因此,可以對(duì)機(jī)器人的廣義輸出力方程式(3)進(jìn)行簡(jiǎn)化,把6維的廣義輸出力系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為單自由度虛擬重力控制系統(tǒng),從而得到在給定位姿下的各繩索的拉力與所要控制的虛擬重力之間的關(guān)系.除了z方向的力外,設(shè)定其它的廣義力為0.設(shè)fG為機(jī)器人系統(tǒng)所要控制的虛擬重力,則機(jī)器人的重力矢量為FG=00fG000T.由方程式(3)可得:式中:ZBi為點(diǎn)Bi在Oxyz坐標(biāo)系中的z軸坐標(biāo),XPi和YPi分別為點(diǎn)Pi在PxPyPzP坐標(biāo)系中的x軸坐標(biāo)和y軸坐標(biāo).由式(4)可以看出:加載的虛擬重力要受到各繩索的分力和人體位姿的影響,加載系統(tǒng)是一個(gè)多變量、多參數(shù)耦合、高度非線性的復(fù)雜系統(tǒng).3.2虛擬重力控制律設(shè)計(jì)基于繩索牽引的航天員機(jī)能訓(xùn)練機(jī)器人的虛擬重力控制系統(tǒng)是由6個(gè)單繩索單元力控制系統(tǒng)和加載對(duì)象(人體)組成的.基于單繩索力閉環(huán)的準(zhǔn)閉環(huán)虛擬重力控制策略如圖3所示,機(jī)器人的外環(huán)采用開(kāi)環(huán)協(xié)同控制,內(nèi)環(huán)各繩索單元子系統(tǒng)進(jìn)行力閉環(huán)控制.機(jī)器人控制系統(tǒng)包括虛擬重力規(guī)劃模塊、繩索拉力規(guī)劃模型、繩索力控制器、機(jī)器人平臺(tái)、繩索力傳感器系統(tǒng)和人體位姿測(cè)量模型.所需施加的虛擬重力由虛擬重力規(guī)劃模塊確定,虛擬重力大小可根據(jù)訓(xùn)練需要來(lái)設(shè)定.人體位姿測(cè)量模型主要用來(lái)實(shí)時(shí)地計(jì)算人體骨盆的位置和姿態(tài),以便于在繩索拉力規(guī)劃中合理地分解規(guī)劃的虛擬重力.當(dāng)rankJT=6時(shí),由式(3)根據(jù)期望的虛擬重力矢量可求得繩索拉力為:式(5)即為繩索拉力的規(guī)劃模型,它作為每個(gè)繩索系統(tǒng)的輸入指令,由單繩索的力閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)每根繩索的拉力控制,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)訓(xùn)練人員的虛擬重力加載.單繩索力閉環(huán)控制和繩索牽引并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)矩陣JT的求解可以參見(jiàn)本文作者的前期研究成果.虛擬重力控制系統(tǒng)6根繩索的控制律為:式中:Kc為繩索力控制器的控制模型.4虛擬重力加載模擬實(shí)驗(yàn)基于繩索牽引的航天員機(jī)能訓(xùn)練機(jī)器人的虛擬重力控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖4所示,它由人體骨盆模擬機(jī)構(gòu)(1R2T動(dòng)平臺(tái))和6個(gè)繩索牽引單元組成.人體骨盆模擬機(jī)構(gòu)的小平臺(tái)由6根繩索牽引,繩索的另一端通過(guò)過(guò)輪與力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾輪相連接,且每根繩索中間分別串聯(lián)了一個(gè)拉力傳感器.為了檢驗(yàn)虛擬重力的加載效果,在人體骨盆模擬機(jī)構(gòu)的4個(gè)角與基座之間安裝了4個(gè)壓力傳感器,通過(guò)采集的壓力傳感器信號(hào)分析加載的虛擬重力大小和作用點(diǎn).假定人體骨盆模擬機(jī)構(gòu)做直線運(yùn)動(dòng),其起始點(diǎn)為(-50,-50)(單位為mm)、終止點(diǎn)為(50,50)(單位為mm),姿態(tài)角始終為0?,且從t0時(shí)刻開(kāi)始在x方向和y方向上分別以25mm·s-1的速度移動(dòng).為檢驗(yàn)機(jī)器人在加載對(duì)象運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的虛擬重力加載效果,設(shè)定期望加載虛擬重力為350N,進(jìn)行了機(jī)器人系統(tǒng)的虛擬重力控制模擬實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示.圖5為人體骨盆模擬機(jī)構(gòu)受到的合力與合力矩曲線,虛擬重力大小是通過(guò)壓力傳感器直接測(cè)量出來(lái)的,而其它的合力和合力矩是利用拉力傳感器信號(hào)和骨盆模擬機(jī)構(gòu)的位姿信號(hào)通過(guò)式(3)計(jì)算出來(lái)的.從圖5可以看出,在靜止階段時(shí),加載到骨盆模擬機(jī)構(gòu)上的虛擬重力和其它的合力與合力矩波動(dòng)較小,這是因?yàn)橹挥欣K索拉力是變化的而人體位姿是定值;在啟動(dòng)過(guò)程中,骨盆模擬機(jī)構(gòu)受到的合力與合力矩發(fā)生突變,尤其在x方向與y方向上的合力有向反方向明顯增大的趨勢(shì),這是由于在啟動(dòng)瞬間骨盆模擬機(jī)構(gòu)的慣性力產(chǎn)生的影響;在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,加載到骨盆模擬機(jī)構(gòu)上的實(shí)際虛擬重力在330N和370N之間,存在著±20N的波動(dòng),這是因?yàn)楣桥枘M機(jī)構(gòu)位姿信息和繩索拉力的動(dòng)態(tài)變化引起的;骨盆模擬機(jī)構(gòu)在x方向與y方向上所受到的合力都大約在±6N之間,而繞3個(gè)軸的合力矩都大約在±0.6N·m之間,從鍛煉受訓(xùn)者的運(yùn)動(dòng)機(jī)能來(lái)考慮,這對(duì)骨盆模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)影響很小,不會(huì)影響訓(xùn)練效果.由此可知,機(jī)器人的虛擬重力控制策略是可行的,可以實(shí)現(xiàn)虛擬重力的加載控制.圖6為6根繩索的拉力曲線,虛線為期望虛擬重力通過(guò)繩索拉力規(guī)劃模塊求得的繩索拉力,實(shí)線為通過(guò)拉力傳感器直接測(cè)量的實(shí)際繩索拉力.從實(shí)驗(yàn)曲線中可以看出,繩索拉力在開(kāi)始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻分別存在一個(gè)平緩階段,這是因?yàn)楣桥枘M機(jī)構(gòu)在這兩個(gè)階段處于靜止?fàn)顟B(tài);在骨盆模擬機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,繩索1的拉力、繩索2的拉力和繩索5的拉力都呈減小趨勢(shì)變化,而繩索3的拉力、繩索4的拉力和繩索6的拉力都呈增大趨勢(shì)變化,這與骨盆模擬機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是一致的.繩索力輸入信號(hào)和實(shí)際拉力信號(hào)在機(jī)構(gòu)移動(dòng)過(guò)程中雖然存在微小波動(dòng),但繩索拉力信號(hào)始終能夠很好地跟蹤繩索力輸入信號(hào).5虛擬重力控制實(shí)驗(yàn)研究為了解決在微重力環(huán)境下長(zhǎng)期生活的航天員的運(yùn)動(dòng)機(jī)能下降、肌肉萎縮和肌力衰退等問(wèn)題,提出了一種基于繩索牽引的航天員機(jī)能訓(xùn)練機(jī)器人.在對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)分析的基礎(chǔ)上提出了一種基于單繩索力閉環(huán)的準(zhǔn)閉環(huán)虛擬重力控制策略,并在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行了虛擬重力控制模擬實(shí)驗(yàn).研究結(jié)果表明:本文提出的準(zhǔn)閉環(huán)虛擬重力控