外骨骼機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)分析及伺服控制

楊志龍

摘要：隨著外骨骼機(jī)械手臂應(yīng)用面的不斷推廣，研究其運(yùn)動(dòng)分析及伺服控制凸顯出重要意義。本文首先對外骨骼機(jī)械手臂做了概述，分析了機(jī)械外骨骼的應(yīng)用。在探討外骨骼機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)分析模型的基礎(chǔ)上，對外骨骼機(jī)械手臂伺服控制做了展望。

關(guān)鍵詞：外骨骼;機(jī)械手臂;運(yùn)動(dòng)分析;伺服控制

前言

在自動(dòng)化與機(jī)械化程度不斷提高的今天，外骨骼機(jī)械手臂得到了社會(huì)生產(chǎn)生活等多方面的應(yīng)用。研究外骨骼機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)分析及伺服控制，能夠更好地優(yōu)化外骨骼機(jī)械手臂的功能，從而更好地將其應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)生活的多方面。

1.外骨骼機(jī)械手臂概述

外骨骼機(jī)器人是近年來美國和日本軍方重點(diǎn)發(fā)展的研究項(xiàng)目。美國工程師史蒂芬杰克森已研制出一種可穿戴式的外骨骼機(jī)器人并準(zhǔn)備應(yīng)用于步兵單兵軍事裝備中。這種外骨骼以結(jié)構(gòu)取代骨骼，還有充當(dāng)肌肉的制動(dòng)器，系統(tǒng)里的制動(dòng)器是液壓缸，液壓缸由活門控制，活門則由電腦控制，通過活門和電腦的控制實(shí)現(xiàn)外骨骼機(jī)械手臂的自由運(yùn)動(dòng)及控制。哈爾濱工業(yè)大學(xué)開展了外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人的研究，浙江大學(xué)研制了一種可穿戴式的柔性外骨骼機(jī)械手，皆用于人體康復(fù)。

外骨骼機(jī)器人源于人體的骨骼結(jié)構(gòu)仿真，將人體每個(gè)骨骼的受力方式用桿件的機(jī)械結(jié)構(gòu)替代。將外骨骼機(jī)器人穿戴在人體上，桿件的機(jī)械結(jié)構(gòu)用液壓傳動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)。當(dāng)人體在負(fù)重狀態(tài)下由機(jī)械骨骼替代人體骨骼受力，使負(fù)載能力成倍增加。此外，外骨骼機(jī)器人的操作完全由人體的思維而隨意進(jìn)行，使外骨骼機(jī)器人的操作靈活性大大增加。

2.機(jī)械外骨骼的應(yīng)用分析

2.1助動(dòng)式機(jī)械外骨骼

絕大多數(shù)老年人和部分運(yùn)動(dòng)功能障礙患者肢體健全且能夠做出各種動(dòng)作，但共同的問題是肢體軟弱無力，無法完成相應(yīng)功能。對于此類人群，助動(dòng)式機(jī)械外骨骼較為適用，可以通過在肢體關(guān)節(jié)位置安裝鎖緊機(jī)構(gòu)，將關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過的角度固定，進(jìn)而鎖定肢體所做出動(dòng)作的姿態(tài)，完成運(yùn)動(dòng)功能之后，再通過相應(yīng)的解鎖機(jī)構(gòu)，使機(jī)械外骨骼又回到松弛狀態(tài)。

如何設(shè)計(jì)機(jī)械外骨骼的關(guān)節(jié)。從仿生學(xué)的角度看，關(guān)節(jié)通常有這樣幾類：肩膀的球形關(guān)節(jié)、腳踝的鉸鏈接形關(guān)節(jié)、手腕的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以及手指的鞍狀關(guān)節(jié)。大多數(shù)假肢通常是根據(jù)所仿造的部位，制作出相應(yīng)的仿生關(guān)節(jié);但由于助動(dòng)式機(jī)械外骨骼并非假肢那樣取代原有肢體，它的關(guān)節(jié)應(yīng)當(dāng)在相應(yīng)被輔助關(guān)節(jié)的外側(cè)，并且與肢體同步轉(zhuǎn)動(dòng)，這一要求在單自由度的關(guān)節(jié)處較易于實(shí)現(xiàn)，而在雙自由度的關(guān)節(jié)處，設(shè)計(jì)難度則顯而易見。

2.2主動(dòng)式機(jī)械外骨骼

與助動(dòng)式機(jī)械外骨骼不同，主動(dòng)式的外骨骼因?yàn)楹袆?dòng)力源，其對肢體的作用不再是簡單的輔助，而是控制及強(qiáng)化肢體功能，例如前文所述的商業(yè)外骨骼HAL。這樣的機(jī)械外骨骼甚至可以使正常人的負(fù)載能力增至原來的數(shù)倍，而且不僅殘疾人、老年人可以使用，正常人也能使用;另一方面，主動(dòng)式機(jī)械外骨骼同樣存在顯而易見的不足。

2.3機(jī)械外骨骼的應(yīng)用前景

機(jī)械外骨骼及其相關(guān)技術(shù)從最開始的軍用研究到現(xiàn)在的生活輔具應(yīng)用，已經(jīng)發(fā)展了近十年，集成了傳感系統(tǒng)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、無線網(wǎng)絡(luò)等諸多復(fù)雜的系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)，而各方面的技術(shù)正在趨于成熟，特別是動(dòng)力源和關(guān)節(jié)在外骨骼中不可替代的低位，其相關(guān)的仿生技術(shù)和能源技術(shù)將在很大程度上決定機(jī)械外骨骼的發(fā)展方向。

隨著研究的逐步深入，與機(jī)械手靈活性密切相關(guān)的控制技術(shù)也會(huì)更加成熟，而最有可能的控制控制方式則是通過肌電信號來控制外骨骼。

3.外骨骼機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)分析模型

3.1傳感器

根據(jù)外骨骼機(jī)器人功能和應(yīng)用場合的需求，采集系統(tǒng)需要以下四類傳感器：壓力傳感器，加速度傳感器，重力感應(yīng)器和陀螺儀。壓力傳感器安裝在左側(cè)和右側(cè)腳的鞋底，作用是用來測量足底壓力;加速度傳感器安裝在兩腿中間，用于測量人體抬步時(shí)的加速度;陀螺儀安裝在腰部的中間部位，重力感應(yīng)器安裝在髖關(guān)節(jié)，兩種傳感器相互結(jié)合被用來確定人體的中心重心位置和判斷身體是否處于平衡狀態(tài)。四種類型的傳感器之間的協(xié)調(diào)配合，能有效檢測人體的運(yùn)動(dòng)狀況和預(yù)測有意的人體運(yùn)動(dòng)，然后提供人體實(shí)時(shí)的援助。

3.2控制總線與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

下肢外骨骼通常使用的驅(qū)動(dòng)方式有三種：液壓傳動(dòng)，氣壓傳動(dòng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)。他們各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。液壓驅(qū)動(dòng)單位質(zhì)量輸出功率大，傳動(dòng)平穩(wěn)，主動(dòng)性高，且易于控制。但也有在控制響應(yīng)速度和精度方面的不足。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器使用安全，維護(hù)簡單，但它的信號傳遞比較慢。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模式簡單，直接，易于保證控制精度，運(yùn)動(dòng)精度高，響應(yīng)快，方便維護(hù)和使用等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此文章設(shè)計(jì)的外骨骼機(jī)器人采用推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

CAN代表“控制器局域網(wǎng)絡(luò)”，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN具有優(yōu)異的特性和高可靠性，這使得它非常適合工業(yè)過程監(jiān)控互連設(shè)備和智能機(jī)器人控制領(lǐng)域。鑒于在此，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用CAN總線來控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

3.3數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

所有傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息如加速度、重心等均傳送至AtmegalCAN128單片機(jī)，單片機(jī)將信息整理后通過CAN總線傳輸至微處理器，微處理器充分發(fā)揮預(yù)處理能力將收到的數(shù)據(jù)提煉和加工，加工完成后把形成的新數(shù)據(jù)進(jìn)一步傳送到總控制器，經(jīng)C++編寫的應(yīng)用算法程序來分析人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和識別運(yùn)動(dòng)意圖，然后發(fā)出實(shí)時(shí)控制信號來控制電機(jī)，進(jìn)而達(dá)到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確控制的目的。

4.結(jié)束語

通過對外骨骼機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)分析及伺服控制的相關(guān)研究，我們可以發(fā)現(xiàn)，外骨骼機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)控制涉及到其多方面，有關(guān)人員應(yīng)該從外骨骼機(jī)械手臂的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，密切結(jié)合其各項(xiàng)特點(diǎn)，對其進(jìn)行最合理的運(yùn)動(dòng)及伺服控制。

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