基于气动人工肌腱的可穿着式机器人设计研究.pdf

2 0 0 6年第 l 2期 液压与气动 4 1 基于气动人工肌腱的可穿着式机器人设计研究 王忻 ，张国贤 th e de s i g n o f w e a r a b l e ro b o t ba s e d o n t h e pn e u ma t i c ar t i f i c i a l m u s c l e w ang xi nz hang gu o x i a n ( 上海大学 机电工程与自动化学院， 上海2 0 0 0 7 2 ) 摘 要 ： 为减轻 医护人 员的劳动强度， 满足人们对医疗护理需求的 日益增加， 更好地研究和使 用气动人 工肌腱为人们服务， 该文在介绍 f e s t o气动人工肌腱的基础上， 提出了一种适合装备于使用者上身使用的 可穿着式机器人装置， 说明了其机构的设计。 关键词： f e s t o气动人工肌腱； 可穿着式机器人； 设计研究 中图分类号 ： t h1 3 8 ； tp 2 4 2 文献标识码 ： b文章编号 ： 1 0 0 0 4 8 5 8 ( 2 0 0 6 ) 1 2 0 0 4 1 0 2 前言 众所周知 ， 在医院里抱抬术后病人 、 残疾人或老年 人是一项简单却又繁重的日常体力工作。由于目前医 院中， 大多数护士均为女性， 因此， 该工作通常由多名 护士、 医生协同完成或由专业男护工担当。这样一来 使得本就紧张的护理人员显得更为缺乏， 无形之中加 重了每位护理工作者的劳动强度； 另一方面， 对病人， 尤其是对某些特殊环境中的病家而言， 也给他们带来 了诸多的不便。更糟糕的是， 在有些场合中， 本该及时 得到此类护理服务的病人却由于护士无力完成而感到 不适 。随着我国社会老龄化进程的 日趋显现和人们对 医疗护理需求的f t 益增加， 临床护理的自动化已刻不 容缓。本文应用气动人工肌腱研究设计的可穿着式机 器人正是为了改变这种现状应运而生的。 1 f e s t o气动人工肌腱简介 f e s t o气动肌腱由一个收缩系统和合适的连接 社 4 1 - * 十 十 *- n- *一 一 4 t - *士 4 i - *- i 1 - 制器能够满足工程实际要求。表明这种将模糊控制与 传统 p i d结合起来的控制方法既具有模糊控制器灵 活和适应性强的特点， 又具有经典 p i d控制精度高、 可靠性好的特点。比单纯使用 p i d控制器有着更优 良的性能， 对非线性和不确定因素的系统控制性能更 为有益。 参考文献 ： 1 李永堂， 雷步芳液压系统建模与仿真 m 北京： 冶金 工业 出版社 ， 2 0 0 3 2 陶永华 新型 p i d控制及其应用 m 北京： 机械工业出 器组成 。这个收缩 系统主要 由内层橡胶层 、 中问纤 维 层和外层橡胶层 3 部分组成。中间纤维层是一段特殊 纤维或金属丝编织而成的栅格网， 栅格纤维形成了在 3 个方向上的菱形网状结构。内外包裹的橡胶层是具 有高弹性、 高吸收能力的密闭橡胶管。与普通气缸不 同的是， 当气动肌腱进行工作时， 随着内部气体压力的 增大， 管道在球面方向上扩张， 带动纤维层的晶格结构 发生变化， 由横向变为径向， 并在经度方向有收缩运 动， 从而产生对外界的拉伸力。而当压力被释放后， 高 弹性橡胶材料在复原过程中， 迫使特殊纤维栅格回复 到原始位置。 与普通气缸相比， f e s 1 1 ) 气动肌腱具有负载能力 收稿日期： 2 0 0 6 0 5 2 3 作者简介： 王忻( 1 9 8 0 一) ， 男， 上海市人 ， 硕士 ， 主要从事机械 电子方面的研究工作。 *斗 斗 * *一 _ 卜 *一 * 版社， 2 0 0 2 3 张化光， 何希勤模糊自适应控制理论及其应用 m 北 京： 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 2 4 刘金琨 先进 p i d控制及其 ma t l a b仿真 m ， 北京： 电子 工业出版社， 2 0 0 3 5 e r y i lma z ， b o r a i mp r o v e d n o n l i n e a r mo d e l i n g a n d c o n t r o l o f e l e c t mh y d r a u l i c s y s t e ms d b s t o n ：n o r t h e a s t e r n un i v e r s i t y ，2 0 0 0 6 s w a n d a ， a n t h o n y p a u 1 p i d c o n t r o l l e r p e r f o r ma n c e a s s e s 8 一 me n t b a s ed o n c l o s e d l o o p r e s p o n s e d a t a d s a n t a b a r b a r a - un i v e r s i t y o f c a l i如mi a 1 9 9 9 维普资讯 4 2 液压 与气动 2 0 0 6年第 1 2期 大， 耗气量小， 动态特性和适应能力强等优点， 非常适 合于随身携带和轻便使用。 根据使用负载的大小和 f e s t o气动肌腱产品的 特性 ， 本文选 用 ma s - i o n aa - mof k 型 f e s t o气 动人工肌腱， 该型号气动人工肌腱主要技术参数 3 如 表 1所示 表 1 ma s - 1 0 n a a - mof k型 nl s 1 气动肌腱主要技术参数 工作介质 干燥压缩空气 ， 润滑或未润滑 工作压力 0 8 m p a ( 最高) 温度范围 +5 +6 0 额定长度 4 0 m m( 最小) 4 5 0 0 m m( 最大) 提升力 4 0 0 n( 最大) 有用负载， 自由悬挂 3 0 k g ( 最大) 收缩( 行程) 额定长度的 2 0 ( 最大) 重复精度 3 ( 额定长度) 预拉伸 额定长度的 3 ( 最大) 直径扩张 0 8 mp a 时约为2 5 i n l n 角度误差 + 一1 o ( 最大) 最小长度时的重量 0 0 8 6 l【 g 肌腱重量 0 0 9 l 【 g m 当达到有效的最大许用 自由悬挂负载时， 相应地也得 到了最大的预拉伸。 2 可穿着式机器人机构设计 可穿着式机器人是基于f e s t o气动人工肌腱设 计开发的。整个系统集机、 气、 电于一体， 通过机械臂 和人的协同工作， 实现对病人的抱提和移位等功能。 在对实际应用场合进行分析、 研究使用者人体比 例， 尤其是在对我国护士体形讨论的基础上， 提出了人 和机械臂协同动作的设计思路。该设计方案主体采用 机械臂套的结构形式， 配以气动人工肌腱、 气动肌腱连 接关节和后轴连接关节( 后轴起支撑和固定的作用， 通 过支撑板与皮带固联) ， 并通过皮带佩带于使用者上 身。工作时， 护理人员将手臂置于机械臂套内， 用手同 病人接触， 抬起力由人和气动肌腱合力提供。为了达 到减轻护理人员劳动强度的目的， 大部分承载力由气 动肌腱供给， 护理人员只需辅之以很少的臂力。装置 的结构外形如图 1 a 、 图1 b 所示， 装备于使用者上身后 的示意图由图 1 c 给出。 若与单纯的机械手臂结构相比， 显然这样的设计 更具人性化。由于采用人手直接去同病人接触， 故而 使用时亲切感倍增， 病人将感到自然、 舒心。 a 1正面 b ) 俯视 c ) 示意效果 图 l 可穿着式机器人结构外型与示意效果 泵 3 结束语 由于目前国内采用气动人工肌腱应用于康复医疗 领域的研究与国外相比还处于起步阶段， 希望本文讨 论的可穿着式机器人的应用研究能够降低医疗护理人 员的日常劳动强度， 同时给病人带来福音。 参考文献 ： 1 s h u n i i mo r c r a u g i “ f a n s k d e t o n s u i t f o r h u m a n r mt o n a s s i s t a n c e ”d i s t a t i o nf o rt h e d e g r e e o f d o c t o r o f p h i lh yi nd v i l e n n e e r i n g m ， un i v e r s i t y o f c a l i f o r n i a ： i r v i n e ， 2 0 0 3 2 c y n t h i a ed u n n i n g “ d e v e l o p me n t o f a mo t i o n - c o n t r o l l e d t e s t i n g a p p a r a t u s a n d k i n e ma t i c t e c h n i q u es t o s i mu l a t e a n d d e s c r i b e db o w mo t i o n f de v e l o p me n t o f t o o l s t o s i mu l a t e& d e s c r i b e d b o w mo t i o n ) ”d i s s e r t a t i