柔性sexar式虚拟重力控制模型研究

柔性sexar式虚拟重力控制模型研究

1重新能力在重4人世界各国，特别是美国、俄罗斯和中国等航天技术发达的国家，正在努力发展各国的航天技术，并在世界高科技领域发挥主导作用。然而，宇宙环境是一个脆弱的环境。例如，在太空环境中移动的运动员的身体重量下沉，这将对运动员的生理系统产生不利影响，如运动能耗、肌肉萎缩、肌肉和心脏系统功能障碍。严重或危及运动员的生命。为了减少这种不利影响，确保空军轨迹中人员的身体健康和高效工作能力，必须采取具体措施。特别是要加强对空间轨迹中坠落人员的力量训练。适当的锻炼不仅可以锻炼肌肉和骨骼，还可以增加人体的消耗氧，从而提高心血管系统的调节能力。目前,航天员太空飞行中采用的锻炼方法主要有拉力器锻炼、自行车功量计锻炼、下体负压锻炼和跑台锻炼4种.拉力器锻炼主要是锻炼手、躯干和腹部的肌肉,防止肌肉群萎缩和力量减弱,但对调节整个人体功能的作用不是太明显.自行车功量计是一种可以踏动的锻炼设备,航天员在自行车功量计上进行锻炼可以防止心脏功能的衰减、骨骼肌质量的下降、增加血量的循环和改善组织器官的血液供应,但它基本上不能防止立位耐力的降低.下体负压锻炼主要是改变体液的分布,减轻失重引起的心血管紊乱,但对肌肉萎缩和肌力衰退作用不大.跑台锻炼是一种全身性的运动,比较好地刺激了航天员的心血管、骨骼和肌肉系统,还可以促使神经—肌肉功能的协调和提高人体机体适应于各种应急条件的耐力,但它只用两个弹性束带将航天员固定在跑台上,并不能保证锻炼过程中施加到人体的力为恒定的重力值.本文提出了一种基于绳索牵引的航天员机能训练机器人,通过机器人控制系统把重力负载施加到航天员的身体上,实现航天员在直立行走状态下的运动训练,并使航天员在太空微重力环境中感受到地面重力感.2索牵引柔性stel嫌犯的机构模型人体的直立行走是一种复杂整体运动.在正常行走过程中,人体的重心始终处于动态变化中,现有技术很难准确、实时地测量出其所在位置.人体的骨盆上连腰椎,下与股骨构成髋关节,既作为脊柱的一环而运动,又以髋关节为轴作相对于下肢的运动.在直立行走过程中,人体骨盆的运动不仅起着重要的平衡作用和协调作用,而且研究人体步态模型的专家依据能量守恒原理得出骨盆的运动轨迹近似于人体重心的运动轨迹.因此,本文将重力负载通过人体骨盆的中心处施加到航天员的身体上,使航天员在运动训练的同时感受到地面重力的感觉.在直立行走过程中,人体骨盆需要完成一个复杂的空间6自由度运动,即沿矢状轴的平动(前后方向)、沿冠状轴的平动(左右方向)、沿垂直轴的平动(上下方向)、绕矢状轴的摆动(左右侧摆)、绕冠状轴的俯仰(前后俯仰)和绕垂直轴的转动等6个运动趋势.文[9-10]从力的传递上分析了绳索牵引并联机器人的机构类型,证明要实现刚体的空间运动需采用3R3T机构类型.本文提出了一种基于绳索牵引的柔性Stewart平台式航天员机能训练机器人,其机构模型如图1所示.机器人的动平台通过负重背心在人体骨盆处与人体柔性连接,动平台由6根绳索牵引,各绳索的另一端分别通过安装在机架上的球心过轮(图1中未画出)与直流力矩电机驱动的滚轮相连接,电机驱动单元固定于基平台的机架上.同时,每根绳索中间均安装一个力传感器,用于检测绳索拉力的大小.另外,还包括一个辅助的测力跑台装置,通过测得的压力计算出施加的虚拟重力值,也可以粗略地推算出人体重心轨迹.基于绳索牵引的航天员机能训练机器人的工作机理为:在训练过程中,航天员在测力跑台上正常行走,绳索牵引系统提供一个虚拟重力场环境,即通过绳索牵引机器人控制系统把虚拟重力负载施加到人体上,在人体运动过程中只产生竖直方向的虚拟重力,不产生横向附加力,不影响重力方向以外其它方向上的运动趋势,使航天员运动机能和肌力在虚拟重力环境中能够得到锻炼.在整个过程中,航天员是运动趋势的使动者,而绳索牵引系统只提供一个虚拟重力环境.这样既可以保持微重力条件下长期生活的航天员的运动机能和体力,又可以通过所产生的虚拟重力环境(虚拟现实环境)对航天员的心理和精神起到康复作用.3机器人控制策略robotcoordina3.1约朗伯原理下的机器人初始的大力力基于绳索牵引的航天员机能训练机器人系统的受力情况如图2所示.设机器人机构的固定笛卡儿直角坐标系为Oxyz,在固定坐标系中绳索与基架的连接点为Bi(i=1,2,···,6);人体骨盆的局部坐标系为PxPyPzP,点P为人体骨盆的中心,在局部坐标系中绳索与负重背心的连接点为Pi(i=1,2,···,6).记为人体骨盆相对于固定坐标系Oxyz的位姿,XP为点P在Oxyz坐标系中的位置坐标(x,y,z),θP为人体骨盆的局部坐标系PxPyPzP相对于固定坐标系Oxyz的姿态(θx,θy,θz).设Li为从连接点Pi到连接点Bi方向上绳索的矢量,为第i根绳索的长度,ui=Li/li为第i根绳索方向的单位矢量,ri=PPi,ti为第i根绳索的拉力,fP和τP分别表示作用在人体上的合力和合力矩,即机器人末端的广义力.基于达朗伯原理,人体所受的力学平衡方程可表示为:结合式(1)和(2),可得机器人输出的广义力为:当机器人各结构尺寸及其位形参数确定时,矩阵JT就可以直接求出.如果再知道各绳索拉力的大小,根据式(3)就可以计算出机器人末端的广义输出力.本课题研究的主要目的是产生一个z方向上的力,即虚拟重力.因此,可以对机器人的广义输出力方程式(3)进行简化,把6维的广义输出力系统转化为单自由度虚拟重力控制系统,从而得到在给定位姿下的各绳索的拉力与所要控制的虚拟重力之间的关系.除了z方向的力外,设定其它的广义力为0.设fG为机器人系统所要控制的虚拟重力,则机器人的重力矢量为FG=00fG000T.由方程式(3)可得:式中:ZBi为点Bi在Oxyz坐标系中的z轴坐标,XPi和YPi分别为点Pi在PxPyPzP坐标系中的x轴坐标和y轴坐标.由式(4)可以看出:加载的虚拟重力要受到各绳索的分力和人体位姿的影响,加载系统是一个多变量、多参数耦合、高度非线性的复杂系统.3.2虚拟重力控制律设计基于绳索牵引的航天员机能训练机器人的虚拟重力控制系统是由6个单绳索单元力控制系统和加载对象(人体)组成的.基于单绳索力闭环的准闭环虚拟重力控制策略如图3所示,机器人的外环采用开环协同控制,内环各绳索单元子系统进行力闭环控制.机器人控制系统包括虚拟重力规划模块、绳索拉力规划模型、绳索力控制器、机器人平台、绳索力传感器系统和人体位姿测量模型.所需施加的虚拟重力由虚拟重力规划模块确定,虚拟重力大小可根据训练需要来设定.人体位姿测量模型主要用来实时地计算人体骨盆的位置和姿态,以便于在绳索拉力规划中合理地分解规划的虚拟重力.当rankJT=6时,由式(3)根据期望的虚拟重力矢量可求得绳索拉力为:式(5)即为绳索拉力的规划模型,它作为每个绳索系统的输入指令,由单绳索的力闭环控制系统实现每根绳索的拉力控制,从而实现对训练人员的虚拟重力加载.单绳索力闭环控制和绳索牵引并联机器人结构矩阵JT的求解可以参见本文作者的前期研究成果.虚拟重力控制系统6根绳索的控制律为:式中:Kc为绳索力控制器的控制模型.4虚拟重力加载模拟实验基于绳索牵引的航天员机能训练机器人的虚拟重力控制系统的实验样机如图4所示,它由人体骨盆模拟机构(1R2T动平台)和6个绳索牵引单元组成.人体骨盆模拟机构的小平台由6根绳索牵引,绳索的另一端通过过轮与力矩电机驱动的滚轮相连接,且每根绳索中间分别串联了一个拉力传感器.为了检验虚拟重力的加载效果,在人体骨盆模拟机构的4个角与基座之间安装了4个压力传感器,通过采集的压力传感器信号分析加载的虚拟重力大小和作用点.假定人体骨盆模拟机构做直线运动,其起始点为(-50,-50)(单位为mm)、终止点为(50,50)(单位为mm),姿态角始终为0◦,且从t0时刻开始在x方向和y方向上分别以25mm·s-1的速度移动.为检验机器人在加载对象运动过程中的虚拟重力加载效果,设定期望加载虚拟重力为350N,进行了机器人系统的虚拟重力控制模拟实验,实验结果如图5和图6所示.图5为人体骨盆模拟机构受到的合力与合力矩曲线,虚拟重力大小是通过压力传感器直接测量出来的,而其它的合力和合力矩是利用拉力传感器信号和骨盆模拟机构的位姿信号通过式(3)计算出来的.从图5可以看出,在静止阶段时,加载到骨盆模拟机构上的虚拟重力和其它的合力与合力矩波动较小,这是因为只有绳索拉力是变化的而人体位姿是定值;在启动过程中,骨盆模拟机构受到的合力与合力矩发生突变,尤其在x方向与y方向上的合力有向反方向明显增大的趋势,这是由于在启动瞬间骨盆模拟机构的惯性力产生的影响;在运动过程中,加载到骨盆模拟机构上的实际虚拟重力在330N和370N之间,存在着±20N的波动,这是因为骨盆模拟机构位姿信息和绳索拉力的动态变化引起的;骨盆模拟机构在x方向与y方向上所受到的合力都大约在±6N之间,而绕3个轴的合力矩都大约在±0.6N·m之间,从锻炼受训者的运动机能来考虑,这对骨盆模拟机构的运动影响很小,不会影响训练效果.由此可知,机器人的虚拟重力控制策略是可行的,可以实现虚拟重力的加载控制.图6为6根绳索的拉力曲线,虚线为期望虚拟重力通过绳索拉力规划模块求得的绳索拉力,实线为通过拉力传感器直接测量的实际绳索拉力.从实验曲线中可以看出,绳索拉力在开始时刻和结束时刻分别存在一个平缓阶段,这是因为骨盆模拟机构在这两个阶段处于静止状态;在骨盆模拟机构运动过程中,绳索1的拉力、绳索2的拉力和绳索5的拉力都呈减小趋势变化,而绳索3的拉力、绳索4的拉力和绳索6的拉力都呈增大趋势变化,这与骨盆模拟机构的实际运动趋势是一致的.绳索力输入信号和实际拉力信号在机构移动过程中虽然存在微小波动,但绳索拉力信号始终能够很好地跟踪绳索力输入信号.5虚拟重力控制实验研究为了解决在微重力环境下长期生活的航天员的运动机能下降、肌肉萎缩和肌力衰退等问题,提出了一种基于绳索牵引的航天员机能训练机器人.在对机器人系统进行力学分析的基础上提出了一种基于单绳索力闭环的准闭环虚拟重力控制策略,并在实验样机上进行了虚拟重力控制模拟实验.研究结果表明:本文提出的准闭环虚拟重力控