外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)、控制機(jī)理研究

1、一屆馮如杯”學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽項(xiàng)目論文外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)、控制機(jī)理研究院（系）名稱專業(yè)名稱學(xué)生姓名自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院自動(dòng)化劉旭鄭博文徐健偉劉旭38030410鄭博文38030423徐健偉38030518指導(dǎo)教師劉正華副教授2011年4月1日摘要外骨骼，類似某些動(dòng)物的外殼，是一種能穿在人身上，提供額外的動(dòng)力的機(jī)械裝備，能夠?qū)崿F(xiàn)行動(dòng)障礙人士的康復(fù)訓(xùn)練以及負(fù)重行走等功能。它主要分為三個(gè)部分：機(jī)械部分，軟件部分，電氣部分。其中機(jī)械部分的主要作用是承擔(dān)負(fù)重，保證系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的功能；軟件部分主要用于整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、控制信號(hào)的發(fā)出；電氣部分主要用于給系統(tǒng)供電、完成信號(hào)采集、發(fā)送和運(yùn)動(dòng)的功能。

2、我們?cè)O(shè)計(jì)制作了一種外骨骼機(jī)器人。本文針對(duì)此項(xiàng)作品主要介紹了當(dāng)前外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和本作品的制作背景，闡述了一種負(fù)重型外骨骼機(jī)器人的設(shè)計(jì)過(guò)程及相關(guān)結(jié)構(gòu)。本文是對(duì)“外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)、控制機(jī)理研究”作品的比較全面的介紹。關(guān)鍵詞外骨骼，機(jī)器人，PID控制，電機(jī)控制，虛擬樣機(jī)AbstractExoskeletons,liketheshellsofsomesortsofanimals,areakindofmechanicalequipmentthatcanhelpthedisabledtolearntomovenormallyandprovidetheuserswithextrastrengthtob

3、earmorethanhecanactuallydowalkingorrunning.Ingeneral,itcanbedividedintothreeparts,mechanicalpart,softwarepartandelectricaltpart.Amongthese,themechanicalpartisusedtobeartheweight,thesoftwarepartistogetstatedataandsendoutcontrolsignalandtheelectricalpartistopowerthesystem,picksignalandmove.Wehavealrea

4、dymadeasortofthis,andwithregardtoit,thisarticleismainlyaboutthepreviousstudyingconditionandthebackgroundofthiswork.Inaddition,theprocedureofourdesigningandworkingwiththekindofexoskeletonsisspecificallydescribed.Thisarticleisacomprehensiveintroductiontoourwork,Thedesignofasortofexoskeletonsandstudyof

5、howtocontrolit?.AbstractExoskeletons,Robort,PIDControl,Motorcontrol,Virtualprototype外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外骨骼電氣控制部分設(shè)計(jì)2. 1傳感器2.2 動(dòng)力部件2.3 能源軟件部分設(shè)計(jì)結(jié)論5參考文獻(xiàn)1緒論外骨骼機(jī)器人是一種可以穿戴的助力型機(jī)器人，主要結(jié)構(gòu)是用于承重的仿人型四肢，通過(guò)其特殊結(jié)構(gòu)可以使穿戴它的使用者完成一些僅靠人體自身無(wú)法完成的任務(wù)，在搬運(yùn)、救災(zāi)、士兵負(fù)重行軍、醫(yī)療等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。通常包括負(fù)重型外骨骼機(jī)器人和醫(yī)療康復(fù)型外骨骼機(jī)器人。前者用于輔助人的負(fù)重，比如在救災(zāi)和戰(zhàn)爭(zhēng)條件下輔助使用者攜帶重負(fù)

6、荷裝備以正常速度行進(jìn)，后者用于醫(yī)療，比如卒中及癱瘓病人的標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練和輔助殘疾人的正常行走。按結(jié)構(gòu)可分為上肢外骨骼系統(tǒng)、下肢外骨骼系統(tǒng)或者兩者兼有。20世紀(jì)60年代美國(guó)通用電氣公司曾經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種名為“Hardiman的機(jī)器手臂，可以使戴上它的使用者輕易舉起100千克以上的重物。之后對(duì)外骨骼機(jī)器人的研制取得了一些進(jìn)展。近幾年，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，外骨骼在軍事、醫(yī)療等方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。日本筑波大學(xué)開(kāi)發(fā)出一種能輔助殘疾人以4km/h速度自如行走和上下樓梯的商業(yè)外骨骼機(jī)器人HybridAssistiveLimb；美”國(guó)"國(guó)防遠(yuǎn)景研究計(jì)劃署”在加州大學(xué)伯克利分校研制出能通過(guò)計(jì)算將士兵的

7、載荷分配到一對(duì)金屬鋼架仿生腿上的外骨骼機(jī)器人"BLEEX，使穿戴者在行動(dòng)過(guò)程中自身負(fù)荷最小；美國(guó)洛克希德-馬丁公司新型人類外骨骼負(fù)重系統(tǒng)“HULC可以使士兵負(fù)重91kg并以正常狀態(tài)前進(jìn)。類似的產(chǎn)品還有用于癱瘓病人康復(fù)訓(xùn)練的外骨骼系統(tǒng)uLocoma>“Hapticwalker等，'日本神奈川工科大學(xué)、韓國(guó)西江大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)等地高校也在進(jìn)行相關(guān)研究。目前該項(xiàng)目的國(guó)內(nèi)的研究狀況與國(guó)外相比差距較大，只有少數(shù)科研院所開(kāi)展過(guò)相關(guān)研究工作：如北京航空航天大學(xué)研制出用于外科手術(shù)的機(jī)器人遙操系統(tǒng)；中國(guó)科學(xué)院研制出一種下肢外骨骼機(jī)器人；浙江大學(xué)研制出一種氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)外骨骼機(jī)器人；哈爾

8、濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)等學(xué)校也進(jìn)行了外骨骼機(jī)器人的相關(guān)研究。目前外骨骼研制所要解決的主要內(nèi)容包括：建立基于生物力學(xué)的外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)使人體負(fù)重能通過(guò)骨架傳遞到地面并且適于使用者行動(dòng)；外骨骼軟硬件控制平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)，包括用于人體步態(tài)識(shí)別的采樣系統(tǒng)、實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)及人機(jī)交互的傳感器；針對(duì)人體步態(tài)特征設(shè)計(jì)高密度能量輸出、抗沖擊、低能耗的關(guān)節(jié)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；小型高密度能量供給系統(tǒng)的研制等。針對(duì)目前外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀我們選擇此題目為我們競(jìng)賽的對(duì)象。本項(xiàng)目的總體思路是：針對(duì)負(fù)重型的下肢外骨骼系統(tǒng)，設(shè)計(jì)仿人型機(jī)械腿與人體固聯(lián)，在使用時(shí)通過(guò)分布于外骨骼的足底力傳感器和膝部角度傳感器數(shù)據(jù)獲得人體步態(tài)參數(shù)，將數(shù)值通過(guò)A

9、/D轉(zhuǎn)換傳遞至控制系統(tǒng)PC104進(jìn)行處理，輸出控制信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)分別位于左右兩腿部的電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)機(jī)械腿的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)外骨骼對(duì)人體步態(tài)的跟隨。在本項(xiàng)目的具體技術(shù)方案設(shè)計(jì)中，主要進(jìn)行了如下四個(gè)方面的工作：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣部分設(shè)計(jì)、控制算法及控制部件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試與完善。本文作為該項(xiàng)目的項(xiàng)目研究論文，從這幾個(gè)方面比較詳細(xì)地闡述了此項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方法和制作過(guò)程。2外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外骨骼機(jī)器人的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖。為使人機(jī)在運(yùn)動(dòng)中始終保持緊密貼合，完成對(duì)人體步態(tài)的跟隨，我們選擇了仿人形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，各個(gè)部件形式和連接方式和人體腿部結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)類似，使其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中更貼合人體肢體運(yùn)動(dòng)形式。其承

10、重部件是機(jī)械大腿、機(jī)械小腿和機(jī)械腳掌。該結(jié)構(gòu)在末端（腰部與足部）進(jìn)行固聯(lián)，在大、小腿處采用柔性綁帶連接，實(shí)現(xiàn)人機(jī)間的協(xié)同。該方法可以允許人和外骨骼之間具有一定的運(yùn)動(dòng)位置誤差，避免在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于過(guò)度的剛性連接，導(dǎo)致較大的作用力施加在操作者的身上，保證在人與外骨骼運(yùn)動(dòng)自由度并不完全吻合的情況下，實(shí)現(xiàn)最佳接觸效果，維持了人機(jī)間合適的連接剛度。在大腿和小腿上都設(shè)置了可以調(diào)整長(zhǎng)度的孔，能通過(guò)銷釘伸縮；在背架部位設(shè)置了可以調(diào)節(jié)兩腿間距離的孔，這兩個(gè)機(jī)構(gòu)可以根據(jù)使用者的體型調(diào)節(jié)外骨骼使其適合人體運(yùn)動(dòng)。在每條腿的足部腳掌、膝關(guān)節(jié)設(shè)置機(jī)構(gòu)為安裝力傳感器和角度傳感器提供空間。大腿上方設(shè)計(jì)了相關(guān)機(jī)構(gòu)，使電機(jī)減速

11、器可以和大腿固連。背架后方設(shè)置一個(gè)箱體，內(nèi)置PC104及其附屬控制電路。具體實(shí)物照片如下。整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)采用鋁制造并打了減輕孔，以減輕機(jī)械重量。本套外骨骼機(jī)器人，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由本小組成員親自完成，機(jī)械結(jié)構(gòu)預(yù)想圖和最終實(shí)物如圖所示。整體上，本套外骨骼機(jī)器人的接卸結(jié)構(gòu)可以分為如下幾個(gè)部分：大腿（左右），小腿（左右），足底，背架。整體機(jī)械結(jié)構(gòu)采用鋁合金制造，需要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分（小腿）重量為498克，整體結(jié)構(gòu)（不包含控制箱）總重量約為5千克。在各個(gè)部分的設(shè)計(jì)中，為了人機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終能保持緊密貼合，同時(shí)外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)良好、無(wú)干涉的隨動(dòng)運(yùn)動(dòng)效果，故此我們選擇了仿人形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。對(duì)于主要關(guān)節(jié)、彎曲

12、點(diǎn)的選擇和設(shè)計(jì)，都參照著人體真實(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)；最終的組裝和實(shí)體穿戴、無(wú)干涉的運(yùn)動(dòng)效果證實(shí)了本套機(jī)械結(jié)構(gòu)具有一定的合理性。對(duì)于結(jié)構(gòu)各個(gè)部件的功能和連接方式，做如下介紹：背架背架的主要起到放置控制箱，固定背帶的作用。背架下端設(shè)計(jì)有嵌入式的伸長(zhǎng)軸，同大腿結(jié)構(gòu)以鍵連接的方式連接，并且并排的鍵孔保證了高度的調(diào)節(jié)和靈活。腿部結(jié)構(gòu)腿部結(jié)構(gòu)由大腿和小腿構(gòu)成，并且承擔(dān)著負(fù)重和傳導(dǎo)力的功能。大腿同背架以可插拔鍵的形式連接；大腿同小腿在保證轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)干涉的情況下，用螺栓聯(lián)結(jié)；同時(shí)考慮到人和外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)之間存在有一定的運(yùn)動(dòng)位置誤差，并且盡量避免在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于過(guò)度的剛性聯(lián)結(jié)而到導(dǎo)致的過(guò)大的作用力，大腿、小腿分別安裝有彈性繃

13、帶，穿戴方便，并且同人體綁緊后，實(shí)現(xiàn)了人體和外骨骼運(yùn)動(dòng)自由度并不完全吻合的情況下，達(dá)到最佳接觸的效果，維持了人機(jī)間合適的連接剛度，也滿足了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的人體姿態(tài)動(dòng)態(tài)變化的要求。在小腿下方同足底連接的設(shè)計(jì)中，為了便于不同身高的穿戴者進(jìn)行調(diào)整，采用了附加伸長(zhǎng)軸的機(jī)構(gòu)方式。該伸長(zhǎng)軸上設(shè)計(jì)有不同高度的定位孔，通過(guò)可插拔的銷釘同小腿連接，實(shí)現(xiàn)高度的調(diào)整，以增加穿戴的舒適度。3外骨骼電氣控制部分設(shè)計(jì)3. 1傳感器由于負(fù)重類下肢外骨骼的應(yīng)用主要是針對(duì)戶外環(huán)境條件下的減輕負(fù)重和長(zhǎng)距離行走，針對(duì)不同的穿戴者和不同步態(tài)都要求有一定的適應(yīng)性，所以本項(xiàng)目中通過(guò)設(shè)置若干傳感器來(lái)采集人體行走過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，據(jù)此來(lái)判斷人體

14、運(yùn)動(dòng)步態(tài)。這些傳感器分別是：位于每條腿的足部腳掌的力傳感器，通過(guò)傳感器測(cè)得的力的大小數(shù)據(jù)分析當(dāng)前步態(tài)；分別位于兩個(gè)膝關(guān)節(jié)的角度傳感器，測(cè)量當(dāng)前擺動(dòng)期間運(yùn)動(dòng)狀況。這4個(gè)傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)是控制計(jì)算的數(shù)據(jù)來(lái)源。3. 2動(dòng)力部件本項(xiàng)目外骨骼機(jī)器人采取直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。此種方式成本較低，并且可以獲得較好的控制精度以及較好的維護(hù)性能和可靠性。動(dòng)力部件是2個(gè)帶變速箱的直流電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器減速后帶動(dòng)一個(gè)滑輪，滑輪上纏繞有金屬絲，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)金屬絲伸縮，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，滑輪金屬絲的伸縮可以驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)中膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)外骨骼對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的跟隨。2.3能源下肢外骨骼機(jī)器人能源的可選方法，主要有燃

15、料電池，鋰電池，小型內(nèi)燃機(jī)等。本項(xiàng)目采用鋰電池。鋰電池具有持續(xù)供電時(shí)間比較長(zhǎng)，成本比較低，體積較小的特點(diǎn)。該電池給PC104、電機(jī)、力傳感器、角度傳感器供電。4軟件部分設(shè)計(jì)此項(xiàng)目中的PC104中安裝了/町力dowsXP系統(tǒng)，在該系統(tǒng)下利用VisualC+編寫程序，上位機(jī)為一個(gè)綜合界面，可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并可以顯示從角度傳感器和足底力傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示，下位機(jī)即為PC104控制的兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。兩者之間通過(guò)A/D和D/A進(jìn)行通信，PC104已經(jīng)裝好A/D和D/A的驅(qū)動(dòng)程序，控制信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換為能控制驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)的信號(hào)，而系統(tǒng)的運(yùn)行情況通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為PC104能夠識(shí)別的信

16、號(hào)。系統(tǒng)定時(shí)采集角度傳感器的輸出角度和足底力傳感器顯示的壓力大小。在實(shí)際控制過(guò)程中，需將腳底壓力的模擬量轉(zhuǎn)換為判斷接觸與否的開(kāi)關(guān)量，要設(shè)置閾值進(jìn)行判斷。由于實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在一些擾動(dòng)，為避免電機(jī)的錯(cuò)誤動(dòng)作只有當(dāng)壓力大小大于一個(gè)數(shù)值才能認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了步態(tài)的轉(zhuǎn)換。控制方法上通過(guò)狀態(tài)預(yù)判，提前設(shè)定控制參數(shù)和控制算法，快速實(shí)現(xiàn)控制預(yù)期目標(biāo)。人體步態(tài)可分為單腳支撐、雙腳支撐、雙腳支撐一腳冗余四個(gè)狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的數(shù)據(jù)。下圖對(duì)于其中一條腿的電機(jī)控制方法：采集1壓力2電機(jī)旋轉(zhuǎn)延時(shí)>2電機(jī)反轉(zhuǎn)其中壓力傳感器和角度傳感器的數(shù)據(jù)通過(guò)在在PC104中的程序里設(shè)置一個(gè)OnTime函數(shù)，定時(shí)采集數(shù)據(jù)，4路數(shù)據(jù)通過(guò)4路A/D輸入到PC104進(jìn)行閾值判斷；如果達(dá)到閾值，則計(jì)算出相應(yīng)的的角度輸出，角度輸出的數(shù)字量再通過(guò)2路A/D轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模擬量，分別驅(qū)動(dòng)位于兩側(cè)的直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)外骨骼機(jī)器人跟隨人體運(yùn)動(dòng)并承擔(dān)負(fù)載。在人勻速行走時(shí)電機(jī)輸出地角位移為一有間隙的梯形波，圖示如下:此即為兩腿在此情況下相互協(xié)調(diào)時(shí)的電機(jī)角度輸出信號(hào)波形。由于負(fù)重類下針對(duì)不同肢外骨骼的應(yīng)用主要是針對(duì)戶外環(huán)境條件下的減輕負(fù)重和長(zhǎng)距離行走，的穿戴者和不同步態(tài)都要求有一定的適應(yīng)性，所以本項(xiàng)目中波