動力助力機械的發(fā)展文獻翻譯

1、東 北 電 力 大 學(xué) 本 科 外 文 翻 譯動力助力機械的發(fā)展development of power assisting suit動力助力機械的發(fā)展Keijiro YAMAMOTO*,Mineo ISHII*,Kazuhito HYODO*,Toshihiro YOSHIMITSU*And Takash MATSUO*摘要：為了設(shè)計一個可穿戴的動力助力機械幫護士搬運病人,這個動力和控制系統(tǒng)必須都要小型化,并且他們一定要無線無管道.新的可穿戴機械由肩、手臂、后背、腰和腿等單元組成。這些部位要和護士的身體配合。手臂、腰和腿安裝有新的氣動旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器直接由便攜式鎳-鎘電池供電的微空氣泵驅(qū)動。肌肉的

2、力量通過一個新的使用傳感尖端力傳感膜設(shè)備的肌肉硬度傳感器檢測。一個嵌入式微機用于控制控制信號的計算。新的可穿戴機械被用在人體和一系列的運動試驗中，包括舉起和放下重物。每個單元都會直接傳送助力扭矩到每個關(guān)節(jié)以驗證它的實用性。關(guān)鍵詞： 人機界面、控制裝置、測量、動力協(xié)助機械、可穿戴、直接驅(qū)動氣動執(zhí)行機構(gòu)、微型空氣泵、嵌入式微機、主機及從機系統(tǒng)一體化、肌肉硬度傳感器1、引言福利機能夠滿足老年人的需求，它的發(fā)展對于中國人口老齡化是個很重要的工程。關(guān)于搬運病人的機器人的研究最早開始于1970年，MEL-Kong是個具有代表性的例子。一個基于主從機控制系統(tǒng)的行動機器人Nurcy被研發(fā)出來。然而機器人的效率

3、不高。近年來,致力于解決這個問題的研究已經(jīng)啟動.能夠支撐病人運動的裝置和能夠手動搬運病人的裝置結(jié)構(gòu)被提出.這種設(shè)備目的在于減少護理人員腰部的負(fù)擔(dān).我們用橡膠管執(zhí)行機構(gòu)做動力臂,然后做能夠被護士穿戴的腰部和腿部的機械裝置.接著,我們開發(fā)一個由同心圓框軌道組成的氣動旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器,這個使用旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的助力機械會高質(zhì)量的,流暢的,平穩(wěn)的完成搬運工作,但是,他有固體摩擦和重量較重的缺點.為了克服這些缺點,我們使用了利用壓力袖口的新的氣動旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器.為了實現(xiàn)一個助力機械讓護士在搬運病人上下時能夠順利的平穩(wěn)的進行手臂，腰部和腿部運動,需要能夠協(xié)調(diào)手臂、腰和腿的必要的協(xié)助檢測系統(tǒng)。一開始，為了檢測手臂、腰和腿的

4、運動，傳感器采用導(dǎo)電橡膠或者壓電裝置，放到單元和肌肉之間。然后，我們提出一個新的檢測肌肉力量的方式，通過觀察肌肉的硬度。由橡膠膜片上接觸投影組成的新型的肌肉硬度檢測傳感器被開發(fā)出來。但是，這個新的肌肉傳感器對肌肉的溫度比較敏感。為了克服這個缺點，我們用電橋似的肌肉硬度傳感器。為了實現(xiàn)這個可穿戴的助力機械，需要大量的小型化電源和控制系統(tǒng)。在本次研究中，電源和控制系統(tǒng)都是小型化的，即空氣源和管道被微型空氣泵代替，電源和電線被鎳-鎘電池取代，并且使用了嵌入式的微機。在這個論文中，我們給出了這個新的助力機械的設(shè)計和特點，并且證明了他被實際應(yīng)用的可能性。2、助力機械助力機械的基本設(shè)計概念由四點組成，如下

5、：1） 絕對安全系統(tǒng)。即，這個安全系統(tǒng)必須時刻為緊急情況做準(zhǔn)備。這通過護士身上的可控裝置來保證，助力系統(tǒng)由主從系統(tǒng)組成。除此之外，當(dāng)電源斷掉，空氣泵和排氣閥阻止氣體從執(zhí)行機構(gòu)排出，機械保持原態(tài)。2） 在裝置的前端沒有機械部件。這樣可以使護士在搬運病人的時候可以用手和胸直接和病人接觸，這樣可以增強病人和護士之間的熟悉感。3） 柔性接頭。通過使用壓力袖口氣動旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器來實現(xiàn)。在關(guān)節(jié)處使用氣動驅(qū)動器能夠給護士的手臂、腰和腿舒適的感覺。4） 助力和必要的力量結(jié)合起來，使關(guān)節(jié)能夠彎曲和伸展。這一項，通過檢測驅(qū)動關(guān)節(jié)施加在肌肉上的力來實現(xiàn)。通過這個感應(yīng)系統(tǒng)，手臂、腰和腿部的機械部件的流暢運動會成為可能。除

6、此之外，作為一個備份和故障安全系統(tǒng)，為了實現(xiàn)某個運動的必要的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩需要從靜態(tài)人體關(guān)節(jié)角度的力學(xué)方程推導(dǎo)出來。設(shè)計的可穿戴的助力機械的架構(gòu)如圖1.助力機械由動力臂、腰和腿組成。肘關(guān)節(jié)、腰和膝關(guān)節(jié)通過由鎳-鎘電池供電的微型氣泵驅(qū)動氣動旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。一個嵌入式的微機和PWM線路安裝在背面。手提的鎳鎘電池固定在腿部。這些單元都用鋁合金制作。當(dāng)護士直立時，機械的全部重量有腿部單元支撐，當(dāng)護士彎曲腰或者膝蓋時，腰和手臂單元的重量由驅(qū)動器支撐。助力機械的傳感器和控制系統(tǒng)如圖2.護士的手臂、腰和腿部發(fā)力時，會被安裝在護士上臂，大腿和背部的肌肉硬度傳感器檢測到。傳感器的輸出信號被輸入到嵌入式微機中。嵌

7、入式微機通過靜態(tài)人體力學(xué)方程計算出實現(xiàn)關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)角度的必須的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩，之后計算出的轉(zhuǎn)矩和肌肉傳感器輸出信號一起作為控制信號輸入到PWM驅(qū)動電路中。然后氣泵按照關(guān)節(jié)需要的力矩向袖口提供氣體。3、肌肉硬度傳感器我們開發(fā)了一種新型的肌肉傳感器感應(yīng)肌肉硬度，這相當(dāng)于在肌肉中產(chǎn)生的力量。如圖3。肌肉傳感器由在力傳感膜設(shè)備上形成的天然橡膠做成的接觸投影組成，并且這個投影是貼在肌肉上的，當(dāng)力傳感膜薄膜器件的電阻由于投影凹陷變化時，肌肉硬度就可以被測出來。4、氣動旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器在手肘，膝關(guān)節(jié)和腰部處的氣動旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器如圖4.這些旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器由在兩個薄片之間壓力氣囊組成，薄板腰部關(guān)節(jié)的一端連接在執(zhí)行機構(gòu)上，這些薄板延伸開

8、，產(chǎn)生扭矩，然后驅(qū)動器產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動。在這個情況中，手肘和膝關(guān)節(jié)的末端是蜿蜒地連接在一起的。當(dāng)向這些壓力袖口提供給氣壓時，這些薄片會向圓弧一樣延伸開，這樣驅(qū)動器就產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)運動。膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動器有許多的袖口，這樣，當(dāng)護士伸腿事腿部單元的氣體就會不足。為了彌補這個缺點，在薄板之間安裝鋼板彈簧，這樣彈簧中的儲存的能量就會釋放幫助伸展腿部。這些壓力袖口直接由微型空氣泵驅(qū)動，氣體通過微型電磁閥排出。在這個部分用到了兩個手提鎳鎘電池（12v，直徑30mm，長300mm）。5、助力手部單元手部結(jié)構(gòu)如圖5.肩部有兩個關(guān)節(jié)，一個前后擺動，一個左右擺動。和假肢相像，肘單元有兩個旋轉(zhuǎn)軸，這樣這部分就能隨著手臂的彎曲進

9、行彎曲了。肌肉傳感器安裝于護士的上臂，當(dāng)護士舉起他的手臂時候，他的上臂的肌肉硬度增加，傳感器的輸出信號增加。輸出信號的增加轉(zhuǎn)化成為空氣泵的電壓的增加，通過計算機和PWM驅(qū)動電路的出氣閥流量減少，這樣，供氣量就增加了。接著，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器產(chǎn)生額外的扭矩驅(qū)動手肘關(guān)節(jié)并且?guī)椭嵘o士的手臂。6、助力腰部單元腰部單元的機構(gòu)如圖6.旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器產(chǎn)生的力被傳送到對應(yīng)的軀體上。一個肌肉傳感器放在護士的背部。當(dāng)護士直立時候，背部肌肉硬度增加，并且傳感器輸出的信號增加。輸出信號的增加轉(zhuǎn)化為空氣泵的電壓增加，并且流經(jīng)計算機和PWM驅(qū)動電路的排氣閥的流量減少，這樣，供應(yīng)的氣體增加。然后，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器產(chǎn)生的額外扭矩驅(qū)動這部分

10、幫助護士直立。7、助力機械腿部單元助力機械腿部單元結(jié)構(gòu)如圖7.驅(qū)動器的鋼板彈簧彌補了在伸腿是空氣不足導(dǎo)致乏力的缺點。肌肉傳感器安裝在護士大腿部分。當(dāng)護士伸腿時，腿部肌肉硬度增加，這樣輸出信號增加。增加的信號被放大并且使空氣閥的電壓增大，排氣閥流量減少，從而增加空氣供應(yīng)。增加的空氣流量產(chǎn)生的額外扭矩幫助伸腿。8、實驗結(jié)果8.1肌肉硬度傳感器肌肉硬度傳感器在手臂、腰和腿部的肌肉屈伸運動中的特性如圖8.肌肉傳感器的輸出電壓是力-電轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。零度對應(yīng)的手臂、腰和腿部完全伸展時的狀態(tài)。負(fù)載由兩個手部的杠鈴提供。用在護士肱二頭肌上的肌肉傳感器的輸出信號與肘關(guān)節(jié)彎曲的角度成比例。通過對輕重負(fù)載的滯后

11、性比較得出了對重負(fù)載有的足夠的敏感度的結(jié)論。另一方面，用在護士腰部的豎脊肌上的傳感器輸出的信號顯示了與腰部彎曲角度的線性關(guān)系，并且?guī)в忻黠@的盲區(qū)和對輕負(fù)載的滯后性。輸出信號顯示出了對重負(fù)載的明顯的敏感度。用在護士大腿部的肌肉傳感器輸出的信號顯示與膝關(guān)節(jié)彎曲角度呈現(xiàn)線性關(guān)系。輸出信號對重負(fù)載敏感度高。這些特點顯示了肌肉傳感器的可用性，因為在重負(fù)載時滯后性較小并且可以被計算機軟件線性平衡掉。8.2旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器圖表9顯示了在這些傳感器被安裝在各自單元里的手肘、手腕和膝蓋驅(qū)動器的輸出轉(zhuǎn)矩和壓力特點。輸出扭矩通過在于各單位的運動成直角作為力臂的彈簧秤測出。零度的關(guān)節(jié)角度對應(yīng)的是袖口崩潰的狀況。相互的關(guān)系為

12、帶有滯后性的線性關(guān)系。肘關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器有同樣的特征。驅(qū)動器的轉(zhuǎn)化率主要依靠關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角。這是由于驅(qū)動器本身的結(jié)構(gòu)特點，即這些薄板在尾部蜿蜒地連接方式，所以這些薄片延伸成為一個弧。然而，另一方面，由于腰部的驅(qū)動器結(jié)構(gòu)，薄片在一端被連成一體，所以看起來很有趣。8.3運行特點運行特點大部分都是通過應(yīng)用助力機械穿戴在人身上，將30公斤的物體舉起放下來測量的，即模擬搬運病人。每個單元所需要的助力轉(zhuǎn)矩被設(shè)定為舉重物時的計算關(guān)節(jié)扭矩的一半加上與肌肉硬度傳感器輸出相對應(yīng)的額外扭矩。額外轉(zhuǎn)矩被限制在按照靜態(tài)學(xué)人體力學(xué)計算扭矩的正負(fù)20%內(nèi)。PID控制被用于控制袖口的壓力。8.3.1助力機械手臂單元手臂單

13、元的操作特性如圖10.在這個圖表中，驅(qū)動器的供給壓力，肌肉傳感器的輸出電壓和肘關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系能夠表示出來。零度對應(yīng)的是肘關(guān)節(jié)的完全展開。正如圖表所展示的那樣，手臂肌肉的硬度可以被傳感器檢測出來，這樣，驅(qū)動器的供給壓力可以根據(jù)必要的轉(zhuǎn)矩改變，并且手臂單元的肘關(guān)節(jié)可以平滑的跟隨人手臂的上下運動。談到手肘執(zhí)行機構(gòu)的特點，據(jù)估計，手臂單元產(chǎn)生的最大的扭矩在10牛頓*米左右。這個數(shù)值大約是通過人體力學(xué)估算出的必要轉(zhuǎn)矩22牛頓*米的一半。8.3.2助力機械腰部單元助力機械的腰部單元的操作特性如圖11.零度對應(yīng)腰部完全展開。驅(qū)動腰部的背肌的硬度可以被肌肉傳感器檢測出來。然后根據(jù)必要的扭矩，支撐動力

14、改變，腰部單元關(guān)節(jié)隨著人體腰部的運動平滑的轉(zhuǎn)動。據(jù)估計,腰部單元能夠產(chǎn)生的最大扭矩在30牛頓*米左右.這個數(shù)值大約在由通過人體力學(xué)估算出來的必要轉(zhuǎn)矩65牛頓*米的一半左右.8.3.3助力機械腿部單元腿部單元的運動特性如圖12.零度與膝蓋完全伸展相對應(yīng).腿部肌肉的硬度可以被安裝在腿前部的肌肉傳感器檢測出來.盡管提供的壓力不能在伸腿時隨著肌肉傳感器的輸出電壓改變,但是腿部單元的關(guān)節(jié)可以隨著護士的腿彎曲和伸展平滑的轉(zhuǎn)動.這是由于彈簧鋼板有儲存的能量.因為空氣泵不能彌補由于在伸展腿部時壓力袖口膨脹導(dǎo)致的吸附效應(yīng)造成的空氣供應(yīng)不足的缺點,所以在膝關(guān)節(jié)伸展開時,會導(dǎo)致提供的氣壓不足.相關(guān)的腿部驅(qū)動器的特點

15、,據(jù)估計,能夠提供的最大扭矩是大約45牛頓*米.這個數(shù)值大約是由身體力學(xué)估計出的必要扭矩80牛頓*米的一半.9.結(jié)語一款新的可穿戴助力機械通過使動力供應(yīng)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的小型化被開發(fā)出來了.其中,動力供應(yīng)系統(tǒng)通過開發(fā)一種以由可攜帶式鎳-鎘電池供電的微型空氣泵驅(qū)動的一個新型的氣動旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器實現(xiàn)了小型化.控制系統(tǒng)通過使用嵌入式微機實現(xiàn)了小型化.新開發(fā)出來的可穿戴助力機械幾乎都是通過安裝在人體上,并且做了一系列的實驗得到的,實驗的內(nèi)容是在手臂上搬運30公斤的重物,做舉起和放下的動作.可穿戴機械的每個單元都可以直接傳遞助力扭矩到任何一個關(guān)節(jié),以此來驗證它的實用性.現(xiàn)在,我們還需要改善的有以下幾個問題:1

16、) 減低由許多具有足夠強度的零件組成的機械結(jié)構(gòu)的重量.2) 被用來填充薄板和袖口之間空間用來提高線性度的驅(qū)動器.3) 用來彌補腿部單元供氣不足缺點的高功率空氣泵.4) 能夠使機械轉(zhuǎn)彎和跪下來的移動機制.5) 能夠給肩部關(guān)節(jié)提供動力扭矩的肩部動力協(xié)助單元.參考文獻略.假肢,外骨骼和康復(fù)摘要：在不久的將來,對輔助機器人設(shè)備的需求會增加.在20世紀(jì)50年代,只有世界4.9%的人口年齡在65歲以上.現(xiàn)在,幾乎有20%人口超過了65歲,并且這個數(shù)據(jù)到2050年預(yù)計會超過35%.世界人口的機構(gòu)變化對將來的身體健康伴隨著年齡問題會產(chǎn)生很大的負(fù)擔(dān).機器人方案將會幫助解決這些問題,并且使老年人重拾他們獨立生活和

17、實現(xiàn)豐富和充滿意義的生活方式.機器人工程的意義不僅僅局限于人體健康方面.應(yīng)用這些技術(shù)在軍事方面,可以使戰(zhàn)士們搬運更多的物資并且走的更遠.然而,現(xiàn)在戰(zhàn)爭的方式對機器人又提出除了額外的需要:當(dāng)死亡人數(shù)顯著減少,6%的受傷戰(zhàn)士需要截肢,20%的受傷戰(zhàn)士在他們的余生里需要永久的照顧.機器人系統(tǒng)在援助和復(fù)原方面注重于提供失去的運動部分,感覺,創(chuàng)造更安全的環(huán)境,并且提供更簡單更快速的回復(fù)運動的能力.假肢和外骨骼將提供靈活的運動和截肢或癱瘓肢體的觸覺.個別承受髖關(guān)節(jié)或者膝關(guān)節(jié)痛苦的人可以使用智能助行器或者輪椅以幫助他們避免滑到這樣的一般的事故.最后,機械復(fù)原治療不僅僅提供連貫并且有效地治療,而且他還有超越醫(yī)生能力的提高治愈機會的可能性.當(dāng)這一領(lǐng)域發(fā)展到頂峰的時候,對社會的幫助將會是巨大的.我們將有可能用假肢完全的代替肢體,并且精確地復(fù)制人體的生物功能,投射出自然地外觀并且需要最小的維護.在一個安全和智