【《某外骨骼康复机器人主要涉及工程复杂问题及解决方案分析》2800字】

PAGEPAGE1某外骨骼康复机器人主要涉及工程复杂问题及解决方案分析1.1驱动方式的选择以何种驱动方式才能更好的使机构实现助力/康复功能，更好的贴合人体运动，同时满足灵活、便携、承载能力强的要求对外骨骼机器人设计至关重要。现将目前存在的上肢外骨骼机器人进行总结，见下表2.1上肢外骨骼机器人优缺点对照表。表2.1上肢外骨骼机器人优缺点对照表Table2.1Comparisontableofadvantagesanddisadvantagesofupperexoskeletonrobot驱动方式优点缺点备注电力驱动电机直接驱动结构简单、精度高、控制简单各关节沉重，需要着重考虑重力补偿及平衡，且前端重量对肩关节电机负载影响大，需较大扭矩电机（尤其串联结构）创新性低电机-绳缆驱动具有一定柔性、前端重量对肩关节电机影响小体积大、活动范围可能受限制、传动精度低具有一定创新性扭绳驱动体积小、精度较高、有一定承载能力力学参量具有明显非线性，制难度高、材料对性能有决定性影响、可能出现爬行创新性高气压驱动气缸直接驱动精度较高、性能稳定、承载能力强基于传统铝材气缸，该类外骨骼机器人显著缺点是体积大创新性低气动-人造肌肉模仿人体肌腱工作机理、具有一定柔性、承载能力较高、体积小、重量轻工作能力受材料影响创新空间很大（主要为材料方面）液压驱动液压缸直接驱动精度高，承载能力强体积大、重量大创新性低液压-绳缆驱动重量适中、体积适中、承载能力强性能受液压传动方式自身限制具有一定创新性记忆合金驱动体积小、重量轻承载能力小、容易出现自由度退化现象、机构难以实现旋转运动创新性高由于气压传动需要稳定气源、液压传动体积及重量过大且有环境污染故暂不考虑，电机-齿轮传动属于刚性传动，电机-套索、电机-履带、电机-鲍登线则属于柔性传动。电机-套索、电机-履带、电机-鲍登线方式实现了关节与驱动装置的分离，可更加合理的安排空间布局，故最终选定为电机-绳驱方式。1.2并联和串联机构选择串联形式的缺陷：肩关节上的负载扭矩最大，与肩关节相比，肘关节上的扭矩较小，设备的最大负载能力受到肩关节驱动扭矩的限制。针对串联结构固有的不平衡，在电机驱动能力不能显著提高的情况下，将外骨骼装置的配置改为并联式，能够削弱载荷在不同驱动关节上分布的不均衡，能够对系统整体的驱动能力的提升有积极的影响。但现存的并联机构体积较大，必须有相应的固定平台，没有远距离移动作业能力，最大的缺点是并联活动区域与人体不符。故采用串联机构。1.3关节设计问题已有研究上肢外骨骼机器人存在的普遍问题：1)助力外骨骼的工作空间比较小，不能满足人体上肢大部分的工作需求；2)助力外骨骼连杆与人肢体容易发生碰撞且外骨骼各连杆间会发生干涉现象，可能会对人体造成伤害[6]。齐鲁工业大学外骨骼机器人肩关节设计当中，虽然通过计算使用了三个不相互垂直的关节轴的设计，但仍不能很好的解决上述问题，在后期逐步研究中发现以三轴代替球关节（其中一轴与背板固定）的设计本就不是很合理，故本设计采用四个自由度来代替肩部的窝球关节。1.4背板设计问题设计背板的合理设计可以减轻人体腰部负担，同时应尽量轻量化和贴合人体。解决方案一：可调固定背板，无多节腰椎设计。刚度大，安全可靠，但不能与人体完全贴合，见下图2.1。图2.1固定背板Figure2.1Fixedbackplane解决方案二：可调背板，无源多节腰椎设计。可以与人体完全贴合，但承载能力弱，见下图2.2。图2.2无源有腰椎设计背板Fig.2.2Passivelumbardesignbackplane解决方案三：可以调节的背板，有多节的腰椎设计，进行有源驱动。可以与人体完全贴合，承载能力强，但结构复杂，会增加机构整体重量。解决方法：为简化结构，且从安全性角度考虑，优先方案一。1.5人体工程学-尺寸设计不同人群的人体尺寸具有明显不同，根据有关调查，其受性别、年龄、职业以及健康状态等因素的影响，如何进行机构尺寸设计，使其更加贴合人体，符合人体工程学设计？解决方案一：针对个体提供定制化设计服务。此方案非常贴合人体，但造价高，推广难。解决方案二：不分性别、职业和年龄，根据人口普查结果针对人数最多的正常健康人体的平均尺寸进行机构尺寸设计，且尺寸具有一定可调性。此方案能适应大部分人群，但适应范围的广度仍不如方案三。解决方案三：根据性别、年龄、职业和健康状况进行分组，再在组内进行调查，折中确定尺寸，设计多套面向不同人群的装备，且尺寸具有一定可调性。可以满足相应要求，但调查的工作量大。解决方法：优选方案三，但样机根据方案二来做。1.6触觉意图识别——跟随控制系统设计问题根据外骨骼机器人和人体的相对运动速度，需要着重考虑机构相对人体的跟随问题，否则容易出现当机构速度过低于人体时，原本的助力就变成了阻力；当机构速度过高于人体时，容易出现安全性问题。解决方案一：被动跟随，借助棘轮等单向运动机构当人体速度高于机构运动速度时，机构不阻碍人体运动；当人体与机构的相对运动速度较低时，机构可以起到一定的助力效果。解决方案二：主动跟随，电机运动速度及扭矩完全依靠触觉传感实现，即检测肌肉硬度，根据接触部位的不同控制相应关节的运动与否，根据接触力的大小控制电机运转的速度和相应力矩。解决方法：为突出触觉传感器的优势，提高人机交互度，优先考虑主动跟随设计。1.7触觉意图识别——控制系统实时性问题现有意图识别方式主要：神经信号（如脑电信号）、生理信号（如肌电信号）、生物力信号（如足压信号）等形式。基于生物力信号的识别方式相对其他运动意图识别方式而言更简单更可靠信号更稳定，因此应用也最广泛。但是由于生物力信号产生于人体运动之后，因此有一定的延时性，对识别实时性与控制协调性有一定影响。解决方案一：选用高性能芯片。解决方案二：采用高速通信协议。解决方案三：选用并行处理的FPGA芯片。解决方法：三种方案逐一进行试验，最终观察实时性进行比较，确定方案。2.3总体方案确定机械结构部分：肩关节有四个主动的自由度；肘关节为一个主动的自由度；腕关节为三个被动的自由度组成。驱动方式为采用电机-鲍登线传动，不采用重力平衡法。背板为可调固定背板，无多节腰椎设计。八个自由度分按照仿照人体的部位分为三部分组成，肩部的四个自由度具体为：内收/外展、旋内/旋外（内置和外置）、屈/伸，肘部的一个自由度为屈/伸，腕部的三个自由度分别为：内收/外展、旋内/旋外、屈/伸，由于腕部为被动自由度，故不进行复杂设计，其引导机构运动借由小臂套筒实现。传感器部分：对比触觉传感器各类型的优缺点，选用合适的触觉传感器，将上肢划分为几个区域，小臂的内、外、前、后四个部分，大臂的内、外、前、后四个部分，触觉传感器实时反应人体与机构的接触状态，完成对步进电机的闭环控制。控制部分：对压力信息进行采集，对采集到的触觉信息进行模数转换，再进行机构相应动作的控制