劉家倫，周世通，劉宏偉，劉旭亮，尹業(yè)成

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所 航天伺服驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)技術(shù)試驗(yàn)室，北京 100076)

0 引言

膝關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)器人是一種智能可穿戴設(shè)備。它由人體穿戴和控制，能夠感應(yīng)人體姿態(tài)及行動(dòng)意圖，輔助執(zhí)行人體的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，增強(qiáng)穿戴者的體能和力量[1-2]。

膝關(guān)節(jié)外骨骼系統(tǒng)綜合測(cè)試系統(tǒng)(下簡(jiǎn)稱外骨骼測(cè)試儀)作為一種外骨骼系統(tǒng)的測(cè)試設(shè)備，需要對(duì)外骨骼的功能及性能進(jìn)行完整測(cè)試，以確定所研制的外骨骼產(chǎn)品各個(gè)性能指標(biāo)是否滿足使用要求。下文從實(shí)際需求出發(fā)，首先對(duì)膝關(guān)節(jié)外骨骼的測(cè)試需求進(jìn)行研究，后根據(jù)外骨骼產(chǎn)品測(cè)試需求，對(duì)膝關(guān)節(jié)外骨骼綜合測(cè)試系統(tǒng)的總體架構(gòu)及測(cè)試方法進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究[3-5]。

1 膝關(guān)節(jié)外骨骼測(cè)試系統(tǒng)功能需求

膝關(guān)節(jié)外骨骼作為一種機(jī)電設(shè)備，其本身具有一些關(guān)鍵電性能參數(shù)及數(shù)據(jù)需要監(jiān)測(cè)，如輸入電壓、電流、分支電流、控制器溫度、開關(guān)狀態(tài)、腳底壓力狀態(tài)等等。此外，為了監(jiān)控外骨骼的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并在出現(xiàn)故障時(shí)第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，外骨骼系統(tǒng)控制器的軟件運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的指令及數(shù)據(jù)也同樣有監(jiān)測(cè)的必要，所以，外骨骼測(cè)試系統(tǒng)需要能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)外骨骼的關(guān)鍵電性能參數(shù)以及軟件數(shù)據(jù)，這是該測(cè)試系統(tǒng)所必要的基礎(chǔ)功能[6-7]。

膝關(guān)節(jié)外骨骼作為一種智能可穿戴助力設(shè)備，助力效率為判斷產(chǎn)品性能好壞的主要指標(biāo)，助力效率越高，則穿戴者在行走、爬坡或爬樓過(guò)程中自身需要出力越小，穿戴體驗(yàn)越好。所以，助力效率應(yīng)為膝關(guān)節(jié)外骨骼系統(tǒng)的一項(xiàng)重要測(cè)試的指標(biāo)[8-10]。

穿戴舒適度也可以作為判斷外骨骼系統(tǒng)性能好壞的一項(xiàng)主要指標(biāo)，穿戴舒適度主要可分為兩部分，第一部分為外骨骼綁縛結(jié)構(gòu)的舒適度，即穿戴者身穿外骨骼時(shí)，外骨骼自身結(jié)構(gòu)方面因素對(duì)穿戴者的舒適度造成的影響，此部分通常需穿戴者主觀判斷，較難使用測(cè)試設(shè)備實(shí)際測(cè)量。影響穿戴舒適度的另外一個(gè)因素為運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)，當(dāng)穿戴者在運(yùn)動(dòng)時(shí)，外骨骼產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)是否能夠及時(shí)感知穿戴者的運(yùn)動(dòng)意圖，并提供助力，如果能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地感知到運(yùn)動(dòng)意圖，則外骨骼能夠?yàn)榇┐髡咛峁┲?，提升舒適度，反之，如果運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)在很多時(shí)候無(wú)法感知穿戴者的運(yùn)動(dòng)意圖，則外骨骼很可能在該種狀態(tài)下無(wú)法助力甚至產(chǎn)生阻力，此時(shí)會(huì)大幅降低穿戴者的舒適感[11-13]。

外骨骼系統(tǒng)作為一種長(zhǎng)時(shí)間工作的設(shè)備，其工作壽命也同樣為其較為主要的指標(biāo)，是否能夠長(zhǎng)時(shí)間、高可靠的穩(wěn)定為穿戴者助力，也是衡量外骨骼產(chǎn)品性能好壞的一項(xiàng)主要標(biāo)準(zhǔn)。

除以上系統(tǒng)級(jí)測(cè)試科目外，外骨骼關(guān)鍵電氣組件的性能測(cè)試也同樣重要，膝關(guān)節(jié)外骨骼系統(tǒng)通常使用伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)作為膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)位置動(dòng)力原件，則伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)的性能好壞，同樣影響著外骨骼系統(tǒng)的性能[14]。

綜上所述，膝關(guān)節(jié)外骨骼系統(tǒng)的測(cè)試需求主要由如下幾個(gè)方面：

1)可監(jiān)測(cè)膝關(guān)節(jié)外骨骼關(guān)鍵電氣及軟件數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)；

2)可完成膝關(guān)節(jié)外骨骼系統(tǒng)助力效率測(cè)試；

3)可完成膝關(guān)節(jié)外骨骼系統(tǒng)穿戴舒適度測(cè)試；

4)可完成膝關(guān)節(jié)外骨骼系統(tǒng)的壽命測(cè)試；

5)可完成外骨骼系統(tǒng)關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)部分的伺服驅(qū)動(dòng)器及伺服電機(jī)性能測(cè)試。

2 膝關(guān)節(jié)外骨骼綜合測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

外骨骼綜合測(cè)試系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱外骨骼測(cè)試儀)主要由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集適配箱、模擬負(fù)載臺(tái)組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 外骨骼綜合測(cè)試儀結(jié)構(gòu)框圖

外骨骼測(cè)試儀具備模擬輸入接口、CAN總線接口、422接口、EtherCAT總線接口、I/O口等，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)還應(yīng)支持WIFI通信，測(cè)試儀通過(guò)CAN總線、RS422總線或WIFI向外骨骼發(fā)送控制指令，通過(guò)EtherCAT總線向模擬負(fù)載臺(tái)發(fā)送負(fù)載扭矩指令，外骨骼系統(tǒng)帶動(dòng)具有負(fù)載特性的模擬負(fù)載臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)并完成閉環(huán)控制。外骨骼測(cè)試儀可根據(jù)試驗(yàn)需求采集模擬負(fù)載臺(tái)上傳的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、角位置信號(hào)，并發(fā)送或接收時(shí)間同步信號(hào)，接收外骨骼遙測(cè)信號(hào)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示在工控機(jī)上位機(jī)軟件中[15-17]。

同時(shí)，外骨骼測(cè)試儀上位機(jī)軟件還應(yīng)兼容指定外部測(cè)量設(shè)備的數(shù)據(jù)處理，并將該數(shù)據(jù)與遙測(cè)數(shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù)及負(fù)載臺(tái)數(shù)據(jù)按照時(shí)鐘同步格式同步儲(chǔ)存及展示。

3 電氣硬件、模擬負(fù)載臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)及軟件要求

3.1 電氣硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)

1)采用嵌入式工控機(jī)或柜式工控機(jī)形式，外接23寸顯示器；

2)除EtherCAT總線接口外具有一路或以上以太網(wǎng)口；

3)內(nèi)置高速穩(wěn)定的無(wú)線wifi網(wǎng)卡，支持Wi-Fi @2.4 GHz 802.11b/g/n及5 GHz 802.11ac無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.2 EtherCAT總線通信設(shè)備

1)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為EtherCAT主模式，其他設(shè)備為從模式；

2)總線連接方式支持環(huán)型、線型或星型總線連接；

3)需配備用于星型總線連接的EtherCAT中繼器，接口數(shù)量≥4；

4)測(cè)試儀內(nèi)部同步信號(hào)由EtherCAT網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)采集適配箱的模擬輸出模塊發(fā)起， Xsens專用測(cè)試設(shè)備接收到同步信號(hào)后開始工作。

3.1.3 CAN通信要求及RS-422通信

1)CAN總線傳輸滿足1 Mbps波特率要求；

2)可設(shè)置總線匹配電阻分別為0 Ω、60 Ω和120 Ω；

3)配套相關(guān)CAN總線接口電纜；

4)具有標(biāo)準(zhǔn)RS-422接口，支持同步422及異步422通信，最大通信速率10 Mbps。

3.1.4 數(shù)據(jù)采集及信號(hào)發(fā)生功能設(shè)計(jì)

外骨骼測(cè)試儀的模擬數(shù)據(jù)采集及信號(hào)發(fā)生原理如圖2所示，所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集適配箱負(fù)責(zé)采集所有可能的模擬信號(hào)，發(fā)送外骨骼控制數(shù)據(jù)并接收遙測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)EtherCAT總線發(fā)送至上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)外骨骼遙測(cè)遙控、模擬信號(hào)采集等。

圖2 數(shù)據(jù)采集及信號(hào)發(fā)生原理框圖

同時(shí)，數(shù)據(jù)采集適配器負(fù)責(zé)時(shí)間同步信號(hào)的對(duì)外發(fā)送或?qū)?nèi)接收，支持外部設(shè)備同步信號(hào)接收(上升沿電平)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀測(cè)試數(shù)據(jù)與外部測(cè)試設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)間同步。

3.2 模擬負(fù)載臺(tái)設(shè)計(jì)

模擬負(fù)載臺(tái)主要包括假腿工裝及扭矩負(fù)載臺(tái)兩部分，用于測(cè)試外骨骼系統(tǒng)的疲勞強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、整機(jī)控制響應(yīng)特性等，通過(guò)將外骨骼系統(tǒng)綁縛到假腿工裝上，并帶動(dòng)具有負(fù)載特性的假腿工裝轉(zhuǎn)動(dòng)并閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的測(cè)試科目。模擬負(fù)載臺(tái)如圖3所示。

圖3 模擬負(fù)載臺(tái)裝配示意圖

3.2.1 假腿工裝架構(gòu)設(shè)計(jì)

假腿轉(zhuǎn)軸處與負(fù)載臺(tái)轉(zhuǎn)子使用推力軸承連接，從而推力軸承下端可隨負(fù)載臺(tái)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，推力軸承上端與外骨骼關(guān)節(jié)電機(jī)外部相連，假腿大腿末端與大地固連，小腿末端與負(fù)載臺(tái)轉(zhuǎn)子固連。從而關(guān)節(jié)電機(jī)外部轉(zhuǎn)動(dòng)部分(若外部是與小腿相連而非大腿綁縛)可以通過(guò)外骨骼小腿綁縛帶動(dòng)小腿在有負(fù)載轉(zhuǎn)矩的情況下轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)大腿綁縛與小腿綁縛均傳遞力矩，從而可以完成外骨骼系統(tǒng)的壽命測(cè)試以及關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)部分特性測(cè)試。

3.2.2 扭矩負(fù)載臺(tái)設(shè)計(jì)要求

扭矩負(fù)載臺(tái)與常用的伺服系統(tǒng)扭矩負(fù)載臺(tái)類似，負(fù)責(zé)輸出負(fù)載扭矩，測(cè)試關(guān)節(jié)助力性能。所不同的是為了方便外骨骼系統(tǒng)在無(wú)重力附加扭矩的條件下測(cè)試，其負(fù)載轉(zhuǎn)軸軸向方向?yàn)榇怪庇阢U垂線，而非較常見的水平線。

3.2.3 假腿工裝及負(fù)載臺(tái)三維模型詳細(xì)設(shè)計(jì)

假腿工裝及扭矩負(fù)載臺(tái)詳細(xì)設(shè)計(jì)三維模型如圖4所示。

圖4 擬負(fù)載臺(tái)三維模型

3.3 上位機(jī)軟件架構(gòu)

外骨骼測(cè)試儀采用單臺(tái)計(jì)算機(jī)測(cè)控方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)外骨骼系統(tǒng)及負(fù)載臺(tái)的模式參數(shù)指令下發(fā)、基本參數(shù)讀取和下發(fā)、數(shù)據(jù)采集及顯示。軟件同時(shí)也應(yīng)具有MicroSD卡數(shù)據(jù)讀取及曲線展示功能。當(dāng)測(cè)試軟件用于實(shí)時(shí)測(cè)試時(shí)，需具有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能，方便后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

該上位機(jī)軟件可應(yīng)用于工作壽命測(cè)試、助力效率測(cè)試、穿戴舒適度測(cè)試、單機(jī)或整機(jī)關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)響應(yīng)特性測(cè)試等，亦可用于穿戴外骨骼進(jìn)行短距離運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)時(shí)的遙測(cè)遙控及數(shù)據(jù)顯示記錄。

4 測(cè)試科目及測(cè)試方法

本章從常規(guī)參數(shù)測(cè)試、主力效率及舒適度測(cè)試、壽命測(cè)試、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)特性測(cè)試4個(gè)方面，描述膝關(guān)節(jié)外骨骼使用該測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行各個(gè)科目測(cè)試時(shí)的測(cè)試方法。

4.1 常規(guī)參數(shù)測(cè)試

常規(guī)參數(shù)測(cè)試主要依靠測(cè)試儀與外骨骼實(shí)時(shí)通信的遙測(cè)數(shù)據(jù)，外骨骼在工作過(guò)程中將給測(cè)試儀發(fā)送遙測(cè)數(shù)據(jù)，并將將內(nèi)部監(jiān)測(cè)到的相關(guān)參數(shù)及軟件數(shù)據(jù)發(fā)給測(cè)試儀實(shí)時(shí)記錄，通信方式可以為RS422、CAN總線或WIFI。

4.2 外骨骼系統(tǒng)助力效率及穿戴舒適度測(cè)試

此部分測(cè)試需要借助Xsens專用測(cè)試設(shè)備與外骨骼測(cè)試儀共同配合使用。Xsens專用測(cè)試設(shè)備可以檢測(cè)人體姿態(tài)并設(shè)計(jì)人力關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)人體重量、身高等相關(guān)參數(shù)輸入以及Xsens系統(tǒng)自帶的光捕系統(tǒng)及足底壓力采集系統(tǒng)，可準(zhǔn)確計(jì)算出人體在不同姿態(tài)下膝關(guān)節(jié)需要輸出的總關(guān)節(jié)扭矩Tz。膝關(guān)節(jié)外骨骼系統(tǒng)使用伺服電機(jī)作為助力動(dòng)力源，其電機(jī)輸出扭矩Tdj與電流Idj成正比，電流Idj可通過(guò)測(cè)試儀測(cè)出，比例系數(shù)k可通過(guò)其他專用設(shè)備測(cè)得或由電機(jī)廠家提供，假設(shè)比例系數(shù)為k，則助力效率Pz計(jì)算公式為：

膝關(guān)節(jié)外骨骼的助力控制基于設(shè)備內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)，內(nèi)部運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)測(cè)試出人體當(dāng)前姿態(tài)以及預(yù)測(cè)未來(lái)姿態(tài)后將數(shù)據(jù)傳入系統(tǒng)控制器，由控制器控制膝關(guān)節(jié)伺服電機(jī)進(jìn)行助力動(dòng)作，所以其運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)直接影響外骨骼穿戴者的舒適度。設(shè)計(jì)外骨骼將其運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)測(cè)得的當(dāng)前姿態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳到測(cè)試儀，并與Xsens系統(tǒng)測(cè)得的人體姿態(tài)數(shù)據(jù)在同一波形圖中進(jìn)行對(duì)比，則可從該波形圖中感知系統(tǒng)測(cè)得的姿態(tài)曲線與Xsens系統(tǒng)測(cè)得的姿態(tài)曲線偏差程度估算出膝關(guān)節(jié)外骨骼的助力舒適度。

助力效率測(cè)試及舒適度測(cè)試硬件如圖5所示。

圖5 助力效率測(cè)試框圖

如圖5，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)接收到Xsens時(shí)鐘同步信號(hào)后控制數(shù)據(jù)采集適配箱對(duì)外骨骼下發(fā)開始運(yùn)動(dòng)控制指令，并實(shí)時(shí)接收遙測(cè)數(shù)據(jù)，穿戴外骨骼的實(shí)驗(yàn)人員開始進(jìn)行運(yùn)動(dòng)測(cè)試，在運(yùn)動(dòng)測(cè)試期間，上位機(jī)軟件僅采集外骨骼遙測(cè)信號(hào)，Xsens設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)口傳輸?shù)搅硪槐銛y式工控機(jī)中。測(cè)試完成后，使用便攜式工控機(jī)或綜合測(cè)試儀工控機(jī)通過(guò)專用軟件處理Xsens的設(shè)備數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入到測(cè)試儀上位機(jī)軟件中，得到Xsens測(cè)得的姿態(tài)及動(dòng)力學(xué)模型數(shù)據(jù)，上位機(jī)通過(guò)該數(shù)據(jù)與遙測(cè)得到的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)比較，從而可得整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的助力效率曲線及助力舒適度曲線。

4.3 外骨骼系統(tǒng)壽命測(cè)試

外骨骼系統(tǒng)壽命測(cè)試需使用4.2節(jié)中提出的模擬負(fù)載臺(tái)、工業(yè)計(jì)算機(jī)以及數(shù)據(jù)采集適配箱，進(jìn)行壽命測(cè)試時(shí)，外骨骼綁縛在模擬負(fù)載臺(tái)上，設(shè)計(jì)負(fù)載臺(tái)為被動(dòng)扭矩輸出，恒定扭矩，外骨骼帶動(dòng)負(fù)載臺(tái)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，測(cè)試其可正常工作時(shí)間，從而測(cè)試外骨骼的工作壽命指標(biāo)。外骨骼系統(tǒng)壽命高低使用兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行考核。第一個(gè)參數(shù)為當(dāng)外骨骼綁縛在模擬負(fù)載臺(tái)上時(shí)，外骨骼的力傳遞效率PL，第二個(gè)參數(shù)為間隙值Ljx。

4.3.1 力傳遞效率

由于綁縛結(jié)構(gòu)的變形程度、損壞程度等因素影響，外骨骼綁縛在負(fù)載臺(tái)上時(shí)，其輸出力矩?zé)o法完全傳遞至負(fù)載臺(tái)上，當(dāng)綁縛結(jié)構(gòu)的變形程度較大甚至損壞時(shí)，可能會(huì)對(duì)力傳遞效率造成更大的影響。所以，外骨骼帶動(dòng)負(fù)載臺(tái)做往復(fù)擺動(dòng)測(cè)試時(shí)，測(cè)試其力傳遞效率變化情況，并設(shè)置判定值，當(dāng)力傳遞效率超過(guò)判定值時(shí)，則判定外骨骼結(jié)構(gòu)已達(dá)到其疲勞壽命。

設(shè)伺服電機(jī)輸入電流為Iin，輸入電壓為Vin，輸入功率為Pin,負(fù)載臺(tái)扭矩為Tfzt，轉(zhuǎn)速為ω，負(fù)載臺(tái)承受功率為Pfzt，則力傳遞效率計(jì)算公式：

式中，輸入電流、輸入電壓、負(fù)載臺(tái)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速均可直接測(cè)得。

4.3.2 間隙值

外骨骼綁縛結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)可能會(huì)增大撓曲變形，或個(gè)別綁縛結(jié)構(gòu)斷裂，類似情況出現(xiàn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)外骨骼結(jié)構(gòu)與負(fù)載臺(tái)工裝間隙增大，故間隙值也可以作為判定外骨骼疲勞壽命的標(biāo)準(zhǔn)。間隙值測(cè)量方式為：

間隙值=|負(fù)載臺(tái)角位置-關(guān)節(jié)電機(jī)角度值|

其中：負(fù)載臺(tái)角位置可以直接通過(guò)負(fù)載臺(tái)內(nèi)置角度測(cè)量傳感器得到，關(guān)節(jié)電機(jī)的角度值可以通過(guò)電機(jī)角度測(cè)量裝置得到，通過(guò)測(cè)試儀監(jiān)測(cè)兩個(gè)值的差值絕對(duì)值，及可得到間隙值Ljx。

4.3.3 硬件架構(gòu)及測(cè)試方法

硬件連接圖如圖6。在模擬負(fù)載臺(tái)的假腿工裝上綁縛外骨骼，假腿帶固定載荷，測(cè)試特定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，外骨骼工作壽命。工作壽命以力傳遞效率和結(jié)構(gòu)綁縛間隙為考核，當(dāng)力傳遞效率或結(jié)構(gòu)綁縛間隙達(dá)到設(shè)定數(shù)值時(shí)，運(yùn)動(dòng)停止，計(jì)算工作時(shí)間。力傳遞效率需檢測(cè)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)輸出功率，假腿負(fù)載臺(tái)輸入功率，計(jì)算效率。結(jié)構(gòu)綁縛間隙需檢測(cè)外骨骼關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)角度，假腿負(fù)載臺(tái)角度，計(jì)算間隙。

圖6 壽命測(cè)試結(jié)構(gòu)框圖

預(yù)先設(shè)置負(fù)載裝置加載力傳遞效率和結(jié)構(gòu)綁縛間隙失效值。測(cè)試儀發(fā)出運(yùn)動(dòng)控制指令并開始計(jì)時(shí)，采集遙測(cè)數(shù)據(jù)中的母線電壓、電流，計(jì)算輸入功率。采集假腿加載端轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速(勻速狀態(tài)下)，計(jì)算輸出功率，計(jì)算效率與失效值對(duì)比。采集遙測(cè)信息中的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)角度數(shù)據(jù)，采集負(fù)載臺(tái)角度值，計(jì)算角度偏差，與失效值對(duì)比。

4.4 外骨骼關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)部分特性測(cè)試

關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)特性測(cè)試的目的為測(cè)試伺服電機(jī)的性能，可主要分為兩類，第一類為關(guān)節(jié)電機(jī)單機(jī)測(cè)試，第二類為外骨骼系統(tǒng)測(cè)試，兩類測(cè)試的不同點(diǎn)是有無(wú)假腿工裝及綁縛結(jié)構(gòu)，但測(cè)試科目基本相同，故合并在本小節(jié)進(jìn)行說(shuō)明。

4.4.1 測(cè)試設(shè)備連接框圖

測(cè)試設(shè)備連接框圖如圖7，測(cè)試儀下發(fā)控制信號(hào)后，外骨骼系統(tǒng)或外骨骼驅(qū)動(dòng)器根據(jù)控制信號(hào)執(zhí)行響應(yīng)動(dòng)作，測(cè)試儀采集位置、速度、電流情況，并與發(fā)出的指令進(jìn)行對(duì)比，從而得出功率驅(qū)動(dòng)部分的控制特性。

圖7 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)響應(yīng)特性測(cè)試連接框圖

關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)部分特性測(cè)試主要分為速度環(huán)特性、電流環(huán)特性、暫態(tài)特性以及頻率特性。

4.4.2 速度環(huán)特性測(cè)試

4.4.2.1 測(cè)試設(shè)備

外骨骼系統(tǒng)、外骨骼綜合測(cè)試儀

4.4.2.2 測(cè)試儀下發(fā)數(shù)據(jù)

速度模式指令，方波或階躍速度信號(hào)，扭矩設(shè)定值

4.4.2.3 測(cè)試儀采集數(shù)據(jù)

負(fù)載臺(tái)轉(zhuǎn)速、負(fù)載臺(tái)轉(zhuǎn)矩，遙測(cè)信號(hào)中的轉(zhuǎn)速值、三相電流、三相電壓、母線電流、母線電壓，示波器在同步狀態(tài)下測(cè)試指定電流、電壓值。

4.4.2.4 測(cè)試方法

外骨骼系統(tǒng)或關(guān)節(jié)電機(jī)工作在速度模式時(shí)，設(shè)定負(fù)載扭矩后，給驅(qū)動(dòng)器輸入速度階躍、方波或正弦信號(hào)，信號(hào)幅值、頻率、周期可調(diào)，采樣頻率默認(rèn)為1 kHz。在上位機(jī)軟件中顯示原始指令信號(hào)，測(cè)試儀測(cè)得的速度信號(hào)，以及外骨骼系統(tǒng)遙測(cè)數(shù)據(jù)反饋的速度信號(hào)，三路信號(hào)在同一實(shí)時(shí)示波器中顯示，對(duì)比觀察控制系統(tǒng)的上升時(shí)間、下降時(shí)間、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差等數(shù)據(jù)。

4.4.3 電流環(huán)特性測(cè)試

4.4.3.1 測(cè)試設(shè)備

外骨骼系統(tǒng)、外骨骼綜合測(cè)試儀。

4.4.3.2 測(cè)試儀下發(fā)數(shù)據(jù)

電流環(huán)模式及參數(shù)指令，扭矩設(shè)定值。

4.4.3.3 測(cè)試儀采集數(shù)據(jù)

負(fù)載臺(tái)轉(zhuǎn)速、負(fù)載臺(tái)轉(zhuǎn)矩、遙測(cè)信號(hào)中的轉(zhuǎn)速值，遙測(cè)信號(hào)中的驅(qū)動(dòng)器電流值、三相電流值、控制指令值、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速值。外部示波器在時(shí)間同步的情況下采集三相或母線的電流及電壓值。

4.4.3.4 測(cè)試方法

外骨骼系統(tǒng)或關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)工作在電流環(huán)模式，設(shè)定負(fù)載扭矩后，給驅(qū)動(dòng)器輸入電流方波信號(hào)、正弦信號(hào)或階躍信號(hào)，信號(hào)幅值、頻率、周期可調(diào)，電流及電壓采樣頻率默認(rèn)為1 MHz。在上位機(jī)軟件中顯示原始信號(hào)，外骨骼系統(tǒng)遙測(cè)數(shù)據(jù)反饋的電流信號(hào)，兩路信號(hào)在同一實(shí)時(shí)示波器中顯示，對(duì)比觀察控制系統(tǒng)的上升時(shí)間、下降時(shí)間、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差等數(shù)據(jù)。

4.4.4 暫態(tài)特性

4.4.4.1 測(cè)試方法

外骨骼系統(tǒng)工作在位置模式時(shí)，給關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)輸入位置方波、正弦或階躍信號(hào)，信號(hào)幅值、頻率、周期可調(diào)，采樣頻率默認(rèn)為1 kHz。顯示上升時(shí)間、平均速度、最大速度等數(shù)據(jù)[18]。

4.4.4.2 數(shù)據(jù)處理要求

圖8 暫態(tài)特性

圖中：h(∞)為響應(yīng)終值；0.1h(∞)指響應(yīng)終值10%；0.9h(∞)指響應(yīng)終值90%；h(tp)為響應(yīng)最大值。

1)上升時(shí)間tr：

上升時(shí)間反應(yīng)的是跟蹤輸入的快慢，它指的是單位階躍響應(yīng)從穩(wěn)態(tài)值的10%上升至穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間。

3)最大速度Ωmax：

在暫態(tài)特性的反饋曲線中，以固定步長(zhǎng)Δt(本系統(tǒng)取50 ms)，計(jì)算該步長(zhǎng)下的最大位置變化Δhmax，可得最大速度為：

4.4.5 頻率特性

輸入信號(hào)為位置、速度或電流正弦信號(hào)，幅值、負(fù)載扭矩可調(diào)，測(cè)試0.5～50 Hz頻率下的頻率特性，每個(gè)周期正弦信號(hào)采樣點(diǎn)≥20，信號(hào)采樣頻率10 kHz,根據(jù)負(fù)載臺(tái)反饋的角度值、角速度值，基于輸入信號(hào)指令處理出幅頻特性和相頻特性圖，并可計(jì)算出幅頻寬(-3 dB)、相頻寬(-45°)、諧振頻率和諧振峰值等技術(shù)指標(biāo)[19]。

5 測(cè)試驗(yàn)證

根據(jù)上文設(shè)計(jì)的膝關(guān)節(jié)外骨骼測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)得到外骨骼測(cè)試儀原理樣機(jī)[20]，其常規(guī)參數(shù)及速度模式特性測(cè)試界面如圖9所示。

圖9 外骨骼測(cè)試儀原理樣機(jī)測(cè)試界面圖(常規(guī)參數(shù)及速度模式)

如圖9所示，測(cè)試儀中左部分為狀態(tài)監(jiān)測(cè)、模式選擇、參數(shù)讀取、數(shù)據(jù)保存等功能。能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)外骨骼系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，并能夠進(jìn)行不同測(cè)試模式的選擇。右側(cè)部分為實(shí)時(shí)示波器，可以根據(jù)需求選擇不同的參數(shù)進(jìn)行展示或隱藏。右側(cè)偏下部分為實(shí)時(shí)姿態(tài)監(jiān)測(cè)以及腳底壓力監(jiān)測(cè)，可以為助力效率及穿戴舒適度測(cè)試提供數(shù)據(jù)支撐。

助力效率測(cè)試界面如圖10所示。通過(guò)輸入過(guò)人體重量、身高等參數(shù)，借助外部同步的Xsen數(shù)據(jù)，可實(shí)時(shí)計(jì)算出外骨骼助力效率。測(cè)試過(guò)程中，還支持部分參數(shù)實(shí)時(shí)配置。

圖10 外骨骼測(cè)試儀原理樣機(jī)測(cè)試界面圖(助力效率測(cè)試)

6 結(jié)束語(yǔ)

本文基于膝關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)器人的功能特性，首先對(duì)膝關(guān)節(jié)外骨骼系統(tǒng)的測(cè)試需求進(jìn)行了研究，得出了基本數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、助力效率、穿戴舒適度、壽命、驅(qū)動(dòng)器及關(guān)節(jié)電機(jī)性能五項(xiàng)基本的測(cè)試科目，后基于上述測(cè)試科目，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的電氣硬件、模擬負(fù)載臺(tái)以及上位機(jī)軟件進(jìn)行了架構(gòu)設(shè)計(jì)，最后，對(duì)所有測(cè)試科目的測(cè)試方法進(jìn)行了研究，基于測(cè)試科目、測(cè)試架構(gòu)以及測(cè)試方法，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。通過(guò)驗(yàn)證結(jié)果表明，該測(cè)試系統(tǒng)符合膝關(guān)節(jié)外骨骼系統(tǒng)的測(cè)試需求，對(duì)于外骨骼類產(chǎn)品的系統(tǒng)測(cè)試具有一定借鑒意義。