外骨骼綜述(共11頁)

1、研究(ynji)意義隨著(su zhe)科學(xué)技術(shù)地不斷進(jìn)步和飛速發(fā)展，機(jī)器也隨之變得更具現(xiàn)代化、人性化、智能化。在人類工作生活(shnghu)中發(fā)揮出了越來越大的作用。外骨骼(Exoskeleton)的概念源自于生物學(xué)，指的是能為生物提供保護(hù)和支持的堅(jiān)硬的外部結(jié)構(gòu)，起著支撐身體，保護(hù)重要器官，運(yùn)動(dòng)輔助，感知環(huán)境等重要功能。而人體外骨骼是一種模仿生物界的外骨骼而開發(fā)出來的新型機(jī)電一體化裝置，可以穿戴在人體外部，為穿戴者提供更強(qiáng)的機(jī)體能力?？梢詾闅埣踩撕屠夏耆颂峁┥眢w支撐、運(yùn)動(dòng)輔助、信息融合的功能，使其可以獲得走路，起坐，上下樓梯等小范圍的生活自理能力，減輕家人的照顧負(fù)擔(dān)。研究現(xiàn)狀由于人體外骨骼能

2、夠極大的方便老年人和殘疾人的自主行動(dòng)，改善生活質(zhì)量，國內(nèi)外有諸多高校和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，其發(fā)展非常迅速。美國伯克利大學(xué)的BLEEX外骨骼機(jī)器人日本筑波大學(xué)的HAL外骨骼機(jī)器人中科院合肥智能機(jī)械所的外骨骼助力機(jī)器人。浙江大學(xué)的助力與康復(fù)外骨骼下肢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)人體外骨骼的機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)該充分考慮人機(jī)工程學(xué)的要求，做到可靠，輕便，可穿戴這幾個(gè)要求。在人體外骨骼的機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)該做到尺寸可以在一定范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，一適應(yīng)大多數(shù)穿戴者的使用要求，使其具有較廣的適用面，為此，分別在大腿外骨骼和小腿外骨骼分為兩段桿件，設(shè)置為可以通過伸縮的方式調(diào)節(jié)下肢外骨骼的長(zhǎng)度。初步設(shè)定為適應(yīng)150cm180cm身高的人群

3、使用。人體外骨骼系統(tǒng)每個(gè)下肢均具有4個(gè)自由度，分別為髖關(guān)節(jié)屈伸自由度（主動(dòng)），髖關(guān)節(jié)內(nèi)旋外旋自由度（被動(dòng)），膝關(guān)節(jié)屈伸自由度（主動(dòng)）和踝關(guān)節(jié)屈伸自由度（被動(dòng)）。而每個(gè)關(guān)節(jié)又保證有一定的柔性，可以適應(yīng)人體微調(diào)的需要?？刂破骱碗姵胤胖糜谌梭w的腰部，通過硬質(zhì)腰帶的形式固定于人體上。操作面板為觸摸式操作，位于腹部，采用翻蓋式設(shè)計(jì)，可以合上，保護(hù)人機(jī)交互的觸摸屏，方便操作?？煽啃裕喝梭w外骨骼作為人體輔助醫(yī)療器械，對(duì)可靠性有很高的要求，必須保證其連接的牢固可靠。人體關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍有角度(jiod)限制。在最大的角度處需要有機(jī)械的限位裝置，保證不會(huì)發(fā)生傷害使用人的事故的發(fā)生。髖關(guān)節(jié)：-30120，膝關(guān)節(jié)：0

4、150，踝關(guān)節(jié)：-4020度。輕便(qngbin)性：考慮(kol)外骨骼的輕便性，應(yīng)使用密度小剛度大的材料，如鋁合金，碳纖維，鈦合金等。電機(jī)使用maxon的扁平電機(jī)，減小尺寸和重量。電池使用放電電流大，質(zhì)能比高的鋰電池?？纱┐鳎和夤趋琅c身體的連接處使用彈性布料，保證和身體的柔性牢靠連接。分為內(nèi)外兩層，中間固定外骨骼，內(nèi)外層可以分離，方便換洗。腳部關(guān)節(jié)和腿部柔性連接，構(gòu)成整體。傳感器設(shè)計(jì)傳感器由以下幾種組成：腳底壓力傳感器：FlexPressure壓力傳感器，用來檢測(cè)腳底壓力，前腳掌，后腳掌各一個(gè)。040kg量程。該壓力傳感器在電路中等效為壓敏電阻，當(dāng)壓力傳感器無外界負(fù)載時(shí)，電路處于高阻狀態(tài)，

5、當(dāng)外界壓力施加到傳感器上時(shí)，電阻隨之減小。壓敏電阻的大小與外界壓力大小成反比關(guān)系。傳感器為柔性印刷電路，厚度僅0.1mm，可以非常方便的設(shè)計(jì)在鞋墊中，作為可穿戴式的腳底壓力檢測(cè)系統(tǒng)。腿部位姿傳感器：檢測(cè)腿部和地面所成的夾角，小腿和大腿各一個(gè)。采用MPU050芯片設(shè)計(jì)，集成了三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀，在模塊內(nèi)部集成了卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)融合算法，串口輸出RPY三個(gè)角度信息和三軸角速度信息。能夠在動(dòng)態(tài)情況下準(zhǔn)確輸出模塊姿態(tài)信息，測(cè)量精度達(dá)到0.01，數(shù)據(jù)輸出頻率高達(dá)100Hz，完全能夠滿足人體外骨骼測(cè)量腿部姿態(tài)的要求。編碼器：檢測(cè)(jin c)外骨骼關(guān)節(jié)之間的角度，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)各一個(gè)。因?yàn)?yn w

6、i)旋轉(zhuǎn)角度范圍較小，不超過360度，可以選用絕對(duì)式編碼器，從而省去校正零點(diǎn)(ln din)的過程，而且再斷電之后仍然能夠記錄角度的變化，方便使用。力傳感器：檢測(cè)外骨骼和人體下肢之間的相互作用力（可選，目前沒有做好選型）執(zhí)行器設(shè)計(jì)電機(jī)和減速器的選型。髖關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇：圖 行走過程中髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩和角速度圖（藍(lán)色為角速度）行走過程中最大轉(zhuǎn)矩是92.93Nm，髖關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)速為27.45r/m圖 行走(xngzu)過程中髖關(guān)節(jié)角度和功率圖（藍(lán)色為角度）圖 起蹲過程(guchng)中髖關(guān)節(jié)角度和功率圖（藍(lán)色為角度）由上可知(k zh)，髖關(guān)節(jié)的最大瞬時(shí)功率約為0.409kW，最大轉(zhuǎn)速為27.45r/m，最

7、大轉(zhuǎn)矩為92.93Nm?？蛇x擇maxon的ec-90 電機(jī)，參數(shù)如下：額定功率：90W額定電壓：24V額定轉(zhuǎn)矩：0.444Nm額定轉(zhuǎn)速：2590rpm堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：4.94Nm空轉(zhuǎn)(kngzhun)轉(zhuǎn)速：3190rmp直徑(zhjng)90mm圖 Maxon EC-90電機(jī)(dinj)實(shí)物圖（左）harmonic公司的CSD諧波減速器實(shí)物圖（右）當(dāng)配備1:100速比的減速器時(shí)，空載時(shí)轉(zhuǎn)速可以達(dá)到31.9rmp；按3倍過載來計(jì)算，轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到133Nm，如果考慮減速器的效率為0.7，仍然有93.1Nm，能夠滿足要求。由于過載時(shí)間較短，呈現(xiàn)周期性的變化，電機(jī)可以允許短時(shí)間的過載運(yùn)行，所選電機(jī)能夠滿足要

8、求。根據(jù)所需的驅(qū)動(dòng)力矩和速比，選擇減速器?？梢赃x擇harmonic公司的CSD諧波減速器，這種減速器呈扁平狀，方便安裝。具體型號(hào)為CSD20-100。轉(zhuǎn)速比為100，最大瞬時(shí)允許轉(zhuǎn)矩為95Nm，可以滿足要求。允許平均輸入轉(zhuǎn)速為3500rmp，滿足所選電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。膝關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇：圖 行走狀態(tài)下膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩、角速度圖（藍(lán)色為角速度）圖 行走(xngzu)過程中膝關(guān)節(jié)角度和功率圖（藍(lán)色為角度）圖 起蹲過程(guchng)中髖關(guān)節(jié)角度和功率圖（藍(lán)色為角度）由上可知膝關(guān)節(jié)在行走過程中功率較小，其在起蹲過程中功率較大(jio d)，如果考慮起蹲的情況，應(yīng)該按照最大功率為0.1847kW來計(jì)算。最大轉(zhuǎn)速

9、為70.61r/m，最大轉(zhuǎn)矩為30.38Nm。如果以3倍過載來計(jì)算，可以選擇70W的電機(jī)。選用maxon的ec-45的電機(jī)。參數(shù)如下：額定功率：70W額定電壓：24V額定轉(zhuǎn)矩：0.128Nm額定轉(zhuǎn)速：4860rpm堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：1.46Nm空轉(zhuǎn)(kngzhun)轉(zhuǎn)速：6110rmp直徑(zhjng)45mm相應(yīng)的諧波減速器的減速比也應(yīng)該(ynggi)減小，可以選擇減速比為1:50的諧波減速器。于是在額定轉(zhuǎn)速下的輸出轉(zhuǎn)速為97.2rpm，大于最大轉(zhuǎn)速70.6rpm，可以滿足要求。再計(jì)算最大輸出扭矩，為1.46*50=73?？紤]減速器是損耗，則輸出最大扭矩為73*0.7=51.1Nm，大于最大轉(zhuǎn)矩30

10、.38Nm，可以滿足要求?？刂扑惴ㄔO(shè)計(jì)圖 外骨骼控制框圖控制算法是外骨骼系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理，基于采集到的數(shù)據(jù)做出數(shù)據(jù)融合，綜合分析，從而決定步態(tài)的規(guī)劃，控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的助力功能。整個(gè)控制系統(tǒng)采用分層控制的思想，共有兩層層，分別為行走規(guī)劃層數(shù)據(jù)融合，分析預(yù)測(cè)，生成控制指令關(guān)節(jié)控制層采集數(shù)據(jù)，控制執(zhí)行電機(jī)。選用STM32F103C8T6作為關(guān)節(jié)控制層的處理器。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M內(nèi)核，適用于人體外骨骼嵌入式控制的需要。STM32F103C8T6主頻達(dá)到72MHz，37個(gè)GPIO端口，20

11、K的SRAM和64K的FLASH，12位精度的內(nèi)置AD轉(zhuǎn)換器，包含SPI，I2C，UART，USB等常用的通信總線，最重要的它具有3個(gè)獨(dú)立的UART串行控制器，方便了與諸多傳感器的通信。此外，STM32還支持包括USCOII在內(nèi)的多種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，為程序的開發(fā)、移植帶來便利。現(xiàn)在(xinzi)國內(nèi)外常見的外骨骼控制算法有：手動(dòng)控制(kngzh)參考步態(tài)(b ti)曲線控制生物電控制主從跟隨控制力反饋控制基于動(dòng)力學(xué)模型的控制在本設(shè)計(jì)中采用參考步態(tài)曲線控制、主從跟隨控制和基于動(dòng)力學(xué)模型控制相結(jié)合的方法。通過采集人體腳底壓力的情況作為輸入，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練獲得參考步態(tài)曲線。當(dāng)人體腿部力量較弱時(shí)，參

12、考步態(tài)曲線控制能夠起到較好的作用，幫助使用者獲得較大的助力。而當(dāng)人體腿部力量較強(qiáng)時(shí)，宜采用主從跟隨控制來獲得更好的舒適感。主從跟隨控制通過跟蹤人體腿部的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，比較人體和外骨骼運(yùn)動(dòng)的角度，角速度之差，用PD控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)外骨骼的控制，使外骨骼跟隨人腿部的運(yùn)動(dòng)。相較于以上兩種控制方法，基于動(dòng)力學(xué)模型的控制較為復(fù)雜，通過對(duì)人體外骨骼的建模，用機(jī)器人逆動(dòng)力學(xué)的方法動(dòng)態(tài)的分析出外骨骼在運(yùn)動(dòng)中受到的力和力矩的變化，實(shí)時(shí)調(diào)整力的大小，保證使用的舒適和響應(yīng)的快速。因此對(duì)外骨骼建模的精確程度直接關(guān)系到最后的使用體驗(yàn)。三者所占比重的大小應(yīng)該根據(jù)使用者的身體情況作出動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)，使之能夠適應(yīng)更多的人群。三種控制策

13、略最后通過模糊控制器完成數(shù)據(jù)融合處理，生成對(duì)電機(jī)控制的指令。圖 控制系統(tǒng)(kn zh x tn)組成圖基于動(dòng)力學(xué)模型控制中最重要的部分是人體外骨骼動(dòng)力學(xué)模型的建立。通過逆動(dòng)力學(xué)求解，可以得出(d ch)控制所需的力矩。其中動(dòng)力學(xué)模型的精確程度很大程度上決定了外骨骼的控制性能。逆動(dòng)力學(xué)是給出了各個(gè)關(guān)節(jié)(gunji)的位移、速度和加速度，求解關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力，可表示為F=gq,q,q人體外骨骼可以簡(jiǎn)化為一個(gè)頂端固定的二連桿模型。L1為關(guān)節(jié)1的長(zhǎng)度，L2為關(guān)節(jié)2的長(zhǎng)度。桿件1和2的質(zhì)量分別為m1和m2，其質(zhì)心均假設(shè)位于桿件的中心。1表示關(guān)節(jié)1偏離Y軸的角度，2表示關(guān)節(jié)2偏離關(guān)節(jié)1的角度。關(guān)節(jié)(gunji)

14、1的動(dòng)能(dngnng)可表示為E1=12m1v12=12m1d1212關(guān)節(jié)(gunji)1的勢(shì)能可表示為 P1=-m1gd1cos對(duì)于關(guān)節(jié)2，要結(jié)合關(guān)節(jié)1的速度等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。先計(jì)算關(guān)節(jié)1末端的位置。x1=L1sin1，y1=-L1cos1再計(jì)算關(guān)節(jié)2的重心的位置x2=L1sin1+d2sin(1+2)，y2=-L1cos1-d2cos(1+2)可得關(guān)節(jié)2質(zhì)心處的速度為x2=dx2dt=L1cos11+d2cos1+2(1+2)y2=dy2dt=L1sin11+d2sin1+2(1+2)v22=x22+y22=L1212+d22(1+2)2+2L1d2cos2(12+12)關(guān)節(jié)2的動(dòng)能可

15、表示為E2=12m2v22=12m2L1212+12m2d22(1+2)2+m2L1d2cos2(12+12)關(guān)節(jié)2的勢(shì)能可表示為P2=-m2gL1cos1-m2gd2cos(1+2)接下來，可以使用拉格朗日法來進(jìn)行(jnxng)動(dòng)力學(xué)分析。先求得拉格朗日函數(shù)(hnsh)，L=E1+E2-P1-P2=12m1d12+m2L1212+12m2d22(1+2)2+m2L1d2cos212+12+m1d1+m2L1gcos1+m2gd2cos(1+2)對(duì)拉格朗日函數(shù)進(jìn)行求微分(wi fn)，則得到了相應(yīng)的拉格朗日方程L1=-m1d1+m2L1gsin1-m2gd2sin(1+2)L2=m1d12+m2L121+m2d221+2+2m2L1d2cos21+m2L1d2cos22通過拉格朗日方程的計(jì)算可以把關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)信息轉(zhuǎn)化為所需的驅(qū)動(dòng)力。1=ddtL1-L1=m1d12+m2L12+m2d22+2m2L1d2cos21+(m2d22