外骨骼机器人设计、控制机理研究

1、一届冯如杯”学生课外学术科技作品竞赛项目论文外骨骼机器人设计、控制机理研究院（系）名称专业名称学生姓名自动化科学与电气工程学院自动化刘旭郑博文徐健伟刘旭38030410郑博文38030423徐健伟38030518指导教师刘正华副教授2011年4月1日摘要外骨骼，类似某些动物的外壳，是一种能穿在人身上，提供额外的动力的机械装备，能够实现行动障碍人士的康复训练以及负重行走等功能。它主要分为三个部分：机械部分，软件部分，电气部分。其中机械部分的主要作用是承担负重，保证系统能实现运动的功能；软件部分主要用于整个系统的数据采集、控制信号的发出；电气部分主要用于给系统供电、完成信号采集、发送和运动的功能。

2、我们设计制作了一种外骨骼机器人。本文针对此项作品主要介绍了当前外骨骼机器人的研究现状和本作品的制作背景，阐述了一种负重型外骨骼机器人的设计过程及相关结构。本文是对“外骨骼机器人设计、控制机理研究”作品的比较全面的介绍。关键词外骨骼，机器人，PID控制，电机控制，虚拟样机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外骨骼机械结构设计外骨骼电气控制部分设计2. 1传感器2.2 动力部件2.3 能源软件部分设计结论5参考文献1绪论外骨骼机器人是一种可以穿戴的助力型机器人，主要结构是用于承重的仿人型四肢，通过其特殊结构可以使穿戴它的使用者完成一些仅靠人体自身无法完成的任务，在搬运、救灾、士兵负重行军、医疗等领域都具有广泛的应用前景。通常包括负重型外骨骼机器人和医疗康复型外骨骼机器人。前者用于辅助人的负重，比如在救灾和战争条件下辅助使用者携带重负

6、荷装备以正常速度行进，后者用于医疗，比如卒中及瘫痪病人的标准步态康复训练和辅助残疾人的正常行走。按结构可分为上肢外骨骼系统、下肢外骨骼系统或者两者兼有。20世纪60年代美国通用电气公司曾经开发出一种名为“Hardiman的机器手臂，可以使戴上它的使用者轻易举起100千克以上的重物。之后对外骨骼机器人的研制取得了一些进展。近几年，随着相关技术的发展，外骨骼在军事、医疗等方面的应用越来越广泛。日本筑波大学开发出一种能辅助残疾人以4km/h速度自如行走和上下楼梯的商业外骨骼机器人HybridAssistiveLimb；美”国"国防远景研究计划署”在加州大学伯克利分校研制出能通过计算将士兵的

7、载荷分配到一对金属钢架仿生腿上的外骨骼机器人"BLEEX，使穿戴者在行动过程中自身负荷最小；美国洛克希德-马丁公司新型人类外骨骼负重系统“HULC可以使士兵负重91kg并以正常状态前进。类似的产品还有用于瘫痪病人康复训练的外骨骼系统uLocoma>“Hapticwalker等，'日本神奈川工科大学、韩国西江大学、新加坡南洋理工大学等地高校也在进行相关研究。目前该项目的国内的研究状况与国外相比差距较大，只有少数科研院所开展过相关研究工作：如北京航空航天大学研制出用于外科手术的机器人遥操系统；中国科学院研制出一种下肢外骨骼机器人；浙江大学研制出一种气动驱动外骨骼机器人；哈尔

8、滨工业大学、上海交通大学等学校也进行了外骨骼机器人的相关研究。目前外骨骼研制所要解决的主要内容包括：建立基于生物力学的外骨骼机械结构使人体负重能通过骨架传递到地面并且适于使用者行动；外骨骼软硬件控制平台的实现，包括用于人体步态识别的采样系统、实时控制系统及人机交互的传感器；针对人体步态特征设计高密度能量输出、抗冲击、低能耗的关节力驱动系统；小型高密度能量供给系统的研制等。针对目前外骨骼机器人的研究现状我们选择此题目为我们竞赛的对象。本项目的总体思路是：针对负重型的下肢外骨骼系统，设计仿人型机械腿与人体固联，在使用时通过分布于外骨骼的足底力传感器和膝部角度传感器数据获得人体步态参数，将数值通过A

9、/D转换传递至控制系统PC104进行处理，输出控制信号经过D/A转换，驱动两个分别位于左右两腿部的电动机，带动机械腿的运动，从而实现外骨骼对人体步态的跟随。在本项目的具体技术方案设计中，主要进行了如下四个方面的工作：机械结构设计、电气部分设计、控制算法及控制部件设计、系统调试与完善。本文作为该项目的项目研究论文，从这几个方面比较详细地阐述了此项目的设计方法和制作过程。2外骨骼机械结构设计外骨骼机器人的整体机械结构如图。为使人机在运动中始终保持紧密贴合，完成对人体步态的跟随，我们选择了仿人形结构设计方法，各个部件形式和连接方式和人体腿部结构和关节类似，使其在运动过程中更贴合人体肢体运动形式。其承

10、重部件是机械大腿、机械小腿和机械脚掌。该结构在末端（腰部与足部）进行固联，在大、小腿处采用柔性绑带连接，实现人机间的协同。该方法可以允许人和外骨骼之间具有一定的运动位置误差，避免在运动过程中，由于过度的刚性连接，导致较大的作用力施加在操作者的身上，保证在人与外骨骼运动自由度并不完全吻合的情况下，实现最佳接触效果，维持了人机间合适的连接刚度。在大腿和小腿上都设置了可以调整长度的孔，能通过销钉伸缩；在背架部位设置了可以调节两腿间距离的孔，这两个机构可以根据使用者的体型调节外骨骼使其适合人体运动。在每条腿的足部脚掌、膝关节设置机构为安装力传感器和角度传感器提供空间。大腿上方设计了相关机构，使电机减速

11、器可以和大腿固连。背架后方设置一个箱体，内置PC104及其附属控制电路。具体实物照片如下。整个机械结构采用铝制造并打了减轻孔，以减轻机械重量。本套外骨骼机器人，机械结构设计由本小组成员亲自完成，机械结构预想图和最终实物如图所示。整体上，本套外骨骼机器人的接卸结构可以分为如下几个部分：大腿（左右），小腿（左右），足底，背架。整体机械结构采用铝合金制造，需要由电机驱动部分（小腿）重量为498克，整体结构（不包含控制箱）总重量约为5千克。在各个部分的设计中，为了人机在运动过程中始终能保持紧密贴合，同时外骨骼机械结构能实现良好、无干涉的随动运动效果，故此我们选择了仿人形结构设计方法。对于主要关节、弯曲

12、点的选择和设计，都参照着人体真实测量数据；最终的组装和实体穿戴、无干涉的运动效果证实了本套机械结构具有一定的合理性。对于结构各个部件的功能和连接方式，做如下介绍：背架背架的主要起到放置控制箱，固定背带的作用。背架下端设计有嵌入式的伸长轴，同大腿结构以键连接的方式连接，并且并排的键孔保证了高度的调节和灵活。腿部结构腿部结构由大腿和小腿构成，并且承担着负重和传导力的功能。大腿同背架以可插拔键的形式连接；大腿同小腿在保证转动无干涉的情况下，用螺栓联结；同时考虑到人和外骨骼机械结构之间存在有一定的运动位置误差，并且尽量避免在运动过程中由于过度的刚性联结而到导致的过大的作用力，大腿、小腿分别安装有弹性绷

13、带，穿戴方便，并且同人体绑紧后，实现了人体和外骨骼运动自由度并不完全吻合的情况下，达到最佳接触的效果，维持了人机间合适的连接刚度，也满足了运动过程中的人体姿态动态变化的要求。在小腿下方同足底连接的设计中，为了便于不同身高的穿戴者进行调整，采用了附加伸长轴的机构方式。该伸长轴上设计有不同高度的定位孔，通过可插拔的销钉同小腿连接，实现高度的调整，以增加穿戴的舒适度。3外骨骼电气控制部分设计3. 1传感器由于负重类下肢外骨骼的应用主要是针对户外环境条件下的减轻负重和长距离行走，针对不同的穿戴者和不同步态都要求有一定的适应性，所以本项目中通过设置若干传感器来采集人体行走过程中的相关数据，据此来判断人体

14、运动步态。这些传感器分别是：位于每条腿的足部脚掌的力传感器，通过传感器测得的力的大小数据分析当前步态；分别位于两个膝关节的角度传感器，测量当前摆动期间运动状况。这4个传感器测得的数据是控制计算的数据来源。3. 2动力部件本项目外骨骼机器人采取直流电动机驱动方式。此种方式成本较低，并且可以获得较好的控制精度以及较好的维护性能和可靠性。动力部件是2个带变速箱的直流电动机。电动机经减速器减速后带动一个滑轮，滑轮上缠绕有金属丝，电动机旋转带动金属丝伸缩，将旋转运动变为直线运动，滑轮金属丝的伸缩可以驱动机械结构中膝关节的旋转，实现外骨骼对人体运动的跟随。2.3能源下肢外骨骼机器人能源的可选方法，主要有燃

15、料电池，锂电池，小型内燃机等。本项目采用锂电池。锂电池具有持续供电时间比较长，成本比较低，体积较小的特点。该电池给PC104、电机、力传感器、角度传感器供电。4软件部分设计此项目中的PC104中安装了/町力dowsXP系统，在该系统下利用VisualC+编写程序，上位机为一个综合界面，可进行数据处理并可以显示从角度传感器和足底力传感器传来的数据并实时显示，下位机即为PC104控制的两个直流电动机驱动器。两者之间通过A/D和D/A进行通信，PC104已经装好A/D和D/A的驱动程序，控制信号通过D/A转换为能控制驱动器驱动直流伺服电机的信号，而系统的运行情况通过A/D转换为PC104能够识别的信

16、号。系统定时采集角度传感器的输出角度和足底力传感器显示的压力大小。在实际控制过程中，需将脚底压力的模拟量转换为判断接触与否的开关量，要设置阈值进行判断。由于实际运动过程中存在一些扰动，为避免电机的错误动作只有当压力大小大于一个数值才能认为实现了步态的转换。控制方法上通过状态预判，提前设定控制参数和控制算法，快速实现控制预期目标。人体步态可分为单脚支撑、双脚支撑、双脚支撑一脚冗余四个状态，每个状态对应不同的数据。下图对于其中一条腿的电机控制方法：采集1压力2电机旋转延时>2电机反转其中压力传感器和角度传感器的数据通过在在PC104中的程序里设置一个OnTime函数，定时采集数据，4路数据通过4路A/D输入到PC104进行阈值判断；如果达到阈值，则计算出相应的的角度输出，角度输出的数字量再通过2路A/D转化为相应的模拟量，分别驱动位于两侧的直流电机旋转，从而带动外骨骼机器人跟随人体运动并承担负载。在人匀速行走时电机输出地角位移为一有间隙的梯形波，图示如下:此即为两腿在此情况下相互协调时的电机角度输出信号波形。由于负重类下针对不同肢外骨骼的应用主要是针对户外环境条件下的减轻负重和长距离行走，的穿戴者和不同步态都要求有一定的适应性，所以本项目中波