可穿戴型助力机器人研制

可穿戴型助力机器人研制一、国内外研究进展二、助力机器人构型及运动分析三、助力机器人动力学分析四、人-机交互系统设计与实现五、助力机器人操作系统的综合与实验六、总结和展望一、绪论通用电气公司的哈迪曼1麻省理工学院外骨骼机器人美军SARCOS研究公司的WEAR完全战斗外骨骼机器人美国加州大学伯克利分校研制的BLEEX美国Yobotics公司研制的RoboKnee日本神奈川工科大学研制的全身型外骨骼机器人―PowerAssistSuit日本筑波大学研制的混合辅助腿HAL日本东北大学WearableWalkingHelper-1英国索尔福德大学、新加坡南洋理工大学1.1研究状况1.1978年麻省理工学院外骨骼机器人2.美军WEAR完全战斗外骨骼机器人3.伯克利下肢末端外骨骼4.Roboknee图1图2图3图45.神奈川工科大学“动力辅助服”6.WearableWalkingHelper-17.HAL-18.HAL-3图5图6图7图89.南洋理工大学----LEE(lowerextremityexoskeleton)10.2005年，英国Salford（索尔福德）大学的研究人员开发的康复助行器。11.WalkingPowerAssistLeg--------WPAL图9图10图11可穿戴型助力机器人根据助力对象的不同，可分为两类：直接式：直接给使用者提供动力，如下肢助力、背部助力及上肢助力等，这种情况下，助力装置的运动需超前于人体相应的运动，如HAL、WearableWalkingHelper-1，RoboKnee，PowerAssistSuit,WPAL；间接式：分担使用者诸如背负的重物、搬运的货物等，从而达到减轻使用者劳动强度的目的，这种模式需要机器与使用者同步运动,如BLEEX,LEE。按照驱动方式：液压驱动,如BLEEX；气压驱动,如PowerAssistSuit，PoweredLowerLimbOrthosis；电机驱动，如HAL,WearableWalkingHelper-1，RoboKnee，LEE，WPAL。1.2助力机器人分类与归纳可穿戴型助力机器人系统与人组成了一个典型的人机一体化系统。在这个系统中，人、外骨骼机器都发挥着不可替代的作用。人起着智能决策的作用，外骨骼机器起着执行器的作用，人的智能的参与提高了系统的智能程度，而且对环境的适应能力得到了增强。所谓“人机一体化系统”就是采取以人为中心、人-机械一体化的技术路线，人与机器处在平等合作的地位上，人与机械共同组成一个系统，各自执行自已最擅长的工作，人与机器共同认识、共同感知、共同决策、共同工作。其核心内容是强调人在系统中的重要性，以人为中心构成新型的机械系统。计算机系统是人机一体化系统中的重要环节，它沟通人与常规机械，从而实现人机通信。研究目标，通过设计开发的可穿戴型助力机器人，给人行走提供一定的力补偿，降低人自身能量消耗，并同时保留人的灵活性和直接操作的感觉。将在医护、军事、福祉等多个领域有广泛的应用前景。难点：结构设计、感知与人-机控制二、助力机器人构型及运动分析为了设计、加工与人体下肢运动功能相似的硬件，需进行以下三方面的研究：1.研究能够实现下肢肌能的自由度分配，以及实现它们的机械机构；2.研究小型而高性能的传动系统和动力源；3.设计与开发必要的传感器设备。人体是一个非常复杂的生物体，人体所完成的各种动作的复杂性是任何机械都无法比拟的。人体的各种动作的完成，主要是肌肉收缩作用于骨骼的结果。即人体的运动是以骨为杠杆，骨关节为支点，再通过肌肉的收缩和舒张而形成的。为了实现人工步行，及进行复杂的协调动作，整个骨骼系统需要多个自由度，就需要极其复杂的动态系统，特别是控制问题尤为重要。据统计在下肢有62对肌肉。依靠这个庞大的肌肉群，产生出下肢的运动系统的活动。从目前的科学发展状况来看，要控制具有这么多个双作用式驱动单元的多变量系统是不可能的。因些，在设计机械系统时，只考虑如何实现步行的基本功能。2.1人体步行运动图2-1人体行走简图髋关节图髋关节运动形式屈伸外展内收旋内旋外膝关节屈/伸运动形式膝关节踝关节运动形式a.跖屈/背屈b.内收/外展c.内翻/外翻踝关节运动中的脚底平面拇趾跖趾关节2.3仿生助力机器人体系结构设计人体下肢各关节运动范围表关节活动度值关节名称髋关节膝关节踝关节拇趾跖趾关节活动种类屈由伸至屈外展内收旋内旋外由伸至屈背屈跖屈屈伸平均值(°)120104530454513520504570由于人体是个非常复杂但又非常灵巧的系统，要完全实现人体活动功能的机械结构设计并非易事。因此，针对人体某些特定运动形式进行抽象与简化，设计相应的机器人结构，确保人体基本步行功能的实现。设计的步行助力机器人是一个拟人下肢结构机器人，其有类似于人体功能的髋关节、膝关节和踝关节，但是又不完全符合人体相应的结构特征。这里，我们主要是从所要完成的运动功能上进行仿生。另外，步行助力机器人的构形是用关节连接连杆（下肢段）形成的开式运动链，连杆长度可根据使用者腿部各段长段作适当调节。旋内/旋外屈/伸外展/内收表步行助力机器人各关节自由度分配表对象自由度数完成的人体运动形式髋关节3屈/伸外展/内收旋内/旋外膝关节1屈/伸踝关节1跖屈/背屈拇趾跖趾关节1屈/伸步行助力机器人的每支助力机械腿拥有6个自由度，整个步行助力机器人共拥有12个自由度，如果对每个自由度都进行驱动控制，一方面增加能耗，另一主要原因是系统将会变的过于复杂。另外，从能量消耗的角度考虑，人在行走时，髋关节的屈/伸运动和膝关节的屈/伸运动所消耗的能量最多，踝关节的屈/伸运动对于行走的实现也很重要。但是，由于踝关节处于助力机械腿的末端，其对能量消耗相对较少。因此，在踝关节处不考虑外加驱动装置。另外，髋关节的外展/内收有调整平衡功能、旋内/旋外有改变行进方向之功能，两者对能量消耗相对较弱，因此，髋关节的外展/内收和旋内/旋外运动也不考虑使用外驱动装置来实现。2.4驱动关节（自由度）的确定通过推导相邻两连杆坐标系之间的变换矩阵，然后将这些变换依次相乘便得到操作臂的运动方程。它表示末端连杆相对于基座的位姿关系，是各关节变量的函数。运动学是研究其运动的几何关系。我们关注的是机器腿相对于固定参考系的空间描述。根据对人体运动的观察和分析，人在行走时，主要是通过髋关节及膝关节的屈/伸来实现其行走功能，即人的双腿的摆动多分布于矢状面内。助力机器腿可以看成一个开式运动链，它是由多个连杆通过转动关节串连而成。开链的一端固定在腰带上，另一端是自由的，末端安装有特别制作的金属鞋底。其中髋关节及膝关节由伺服电动机驱动，关节的相对运动导致连杆的运动，使助力下肢完成类人的摆动动作。为了便于分析，我们把人体大腿与小腿分别看作是质量均匀分布的棍状体，并与助力装置的连杆紧密结合，即各连杆与相应的人体下肢段重新构成一新的连杆系。2.5运动学分析相邻连杆i对连杆i-1相对位置可由四个齐次变换来描述，用矩阵Ai表示。X0X1X2O0O2O1θ1θ2d1l2Y0Y1图下肢与机器人的连杆结构Y2l1l3θ3因此，第i坐标系相对于机座坐标系的位姿齐次矩阵是各坐标系变换矩阵Ai的连乘积。即),()0,0,(),0,0(),(iiiiixRaTransdTranszRA10001210iiiiiijiipaonAAAAT各杆D-H参数和关节变量表位姿齐次变换矩阵变换矩阵校验表机器人的雅可比矩阵J通常是指从关节空间向操作空间运动速度传递的广义传动比。即雅可比矩阵nmmnTqxqxqxqxqqxJ11110001231231211212312312312112123332123332123332112322212312111clclclclclclslslslslslslxxxxxxxxxJWPAL雅可比矩阵三、助力机器人动力学分析研究机器人动力学问题有利于解决机器人的控制问题及机器人设计。动力学是研究物体的运动和作用力之间的关系。助力机器人是由多个关节和多个连杆组成，具有多个输入和多个输出，存在严重的非线性，它们之间存在着错综复杂的耦合关系。因此，要分析研究机器人的动力学特性，必须采用非常系统的方法，现在机器人动力学分析中常用的分析方法主要采用以下两种1)矢量力学方法，牛顿-欧拉（Newton-Euler）方法；2)分析力学方法，二阶拉格朗日（Lagrange）方法。此外，还有应用高斯（Gauss）方法、阿偑尔（Appel）方法、凯恩（Kane）方法、旋量（对偶数）方法和罗伯逊-魏登堡（Roberson-Wittenburg）方法等来分析动力学问题的。对于任何机械系统，拉格朗日函数L定义为系统的动能Ek和势能Ep之差pkEEL1)机械人的动能将机器人中每一杆件看作为一般运动的刚体，则第i杆的动能iiTiciTciikiwIwvvmE2121nikikEE12)机器人的势能设基础坐标系原点为势能的相对零点，重力加速度为一3×1列向量，机器人的总势能是各杆质心微量向量的函数。niciTiprgmE1,0系统的动力学方程，即第二类拉格朗日方程如下：iiiqLqLdtdF广义力Fi的量纲是力的量纲N还是力矩的量纲N·m要由qi为直线坐标还是转角坐标来决定，如果qi是直线坐标，则相应的Fi是力；反之，如果qi是角度坐标，则相应的Fi是力矩在最理想情况下，步行助力机器人根据对穿戴者的运动意图的正确“预测”，实时地改变电机的运动状态，为使用者提供助力。当步行助力机器人为使用者提供100%助力时，这意味着使用者将完全由该系统支持，对于助力机器人来说，人的下肢就是负载。步行助力机器人与通常的关节型操作机器人有所不同，即通常关节型操作机器人的负载位于操作臂的末端，而步行助力机器人的负载（人的下肢）是主要分布在大腿和小腿连杆之上；为了便于分析，我们把机器人中每一杆件和人体下肢各段看作为一般运动的刚体，通过束带把人体下肢与步行助力机器人连在一起，使二者“融”为一体。即各连杆与相应的人体下肢段重新构成一新的连杆系002121211221122122121212111222121212111222212221222211122111222211122111212122211211222112112121llrrllrrrrllllrrrrllllrrllrrrrllllrrllrrrrllllrrllDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDTTTT单腿支撑图5-13单腿支撑左腿右腿Fθ1lθ2lθ3lθ2rθ1r图5-12步态图rrllrrllrrrrllllrrrrllllrrllrrrrllllrrllrrrrllllrrllDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDTTTT21212121