無線控制型外骨骼機器人的發展趨勢研究

【摘 要】外骨骼機器人實質上是一種可穿戴機器人，它將人的智能與外部機械動力裝置的機械能量結合在一起，它可以輔助人承受負載，可以給人提供額外的動力或能力，增強人體機能。無線控制型外骨骼機器人是外骨骼機器人一種，它以Arduino為控制核心，通過無線模塊來傳輸控制信號，從而將人的靈活控制能力傳遞給智能機器人，應用于人類不能直接到達且控制極為復雜的機器人領域。

【關鍵詞】機器人；外骨骼；無線；控制型；勘察救災；能量輔助；發展趨勢

0.引言

外骨骼技術是人類迫切希望提升個體能力的產物，它源于生物學中的外骨骼概念，如軟體動物的介殼，蝦、蟹等的甲殼等。人類受此啟發便開始了人體機械外骨骼的仿生學研究，并逐步研制出了外骨骼機器人。外骨骼機器人就是一種人工外骨骼，也是一種機械結構，穿戴在操作者的身體外部，為操作者提供了諸如保護、身體支撐等功能，同時又融合了傳感、控制、驅動、信息融合等機器人技術，使得外骨骼能夠在操作者的控制下完成一定的功能和任務。外骨骼機器人的的研究最早始于20世紀60年代，1966年美國通用公司提出了哈德曼助力機器人的設想，該裝置主要采用電機驅動控制，可以輕而易舉的舉起幾十千克的重物。目前，外骨骼機器人系統大致可以分為兩類，一類是控制型，一類是增力型。本文研究的是控制型外骨骼機器人，控制型外骨骼主要將人的靈活控制能力傳遞給智能機器人，應用于人類不能直接到達且控制極為復雜的機器人控制領域，例如：對核反應堆的操作，對空間機器人的人機耦合控制，對深海機器人的控制等極端環境下的控制等，具有很好的發展前景。

1.背景

外骨骼技術研制始于1960年的美國，最早的研究成果是美國通用公司研發的Hardiman外骨骼系統，其主要采用電機驅動控制，可以輕易舉起重物。雖然由于科技的限制，Hardiman的研究最終停止，但是它對后來外骨骼系統技術的研究與發展起到了重要的指導作用。

2.外骨骼機器人現狀

美國伯克利大學軍方合作項目-外骨骼助力機器人士兵服，該裝置名為伯克利低位肢體外骨骼，是高級防御研究工程機構設計出來的，嘗試將自動機械支柱與人的雙腿相連，以降低負重，從而使步兵能夠在負載更重的情況下行進更長的路程。這套設備主要由燃料供給及發動機系統、控制及檢測系統、液壓傳動系統及外骨骼機構，使用這種裝置的人要通過傳動帶將自身的腿與機械外骨骼的腿相連，背上要背一個裝有發動機、控制系統的大背包，背包中同時還留有承載有效載荷的空間。

日本外骨骼機器人HAL3它由筑波大學研發，功能為：幫助人行走、起立、坐下等下肢動作的動力輔助機器“機器人套裝”HAL（Habrid Assist Legs），該機器人主要由無線LAN（局域網）系統、電池組、電機及減速器、傳感器（地板反應力傳感器、表面肌電傳感器、角度傳感器）、執行機構等組成，總重約17千克，設備較重，動力傳動采用電機-減速器-外骨骼機構的方法。能夠根據人體的動作意愿自動調整裝置的助力大小。市場規劃：將主要面向高齡護理、殘疾人輔助、消防及警察等危險作業的用途，并且加強運動娛樂用途市場的開發力度，將針對各種用途進行HAL的設計生產。

無線控制型外骨骼機器人包括一個外骨骼動作捕捉衣和一臺仿人機器人，是一種新型的外骨骼式主從機器人無線操作系統，主要應用于極限環境下的場合作業，例如核能、海洋、空間、防災、掃雷以及航空航天等。

目前，國內外現有的搜救機器人、掃雷機器人和太空機器人等應用于極限環境作業的機器人大多都存在通用性差和操作復雜等問題。增加機器人的自由度，是解決通用性問題的有效途徑，但僅僅采用現有的搖桿和按鍵的控制方式已經無法滿足多自由度機器人的控制要求。因此，無線控制型外骨骼機器人將是解決以上兩個問題的最佳選擇，它是一種可以實時跟隨人體肢體運動的多自由度仿人機器人系統。無線控制型外骨骼式主從機器人系統，利用一套束縛在人的身體上的連桿式的外骨骼動作捕風衣，可以使穿戴者的肢體動作在多自由度機器人身上實時再現出來。這種控制方式具有同步性強，操作者更接近于直接作業形態和操控簡便等優點，是一種可行的解決當前問題的有效方案。

無線控制型外骨骼機器人是包括單元和從控單元兩個部分。操控者需穿戴外骨骼動作捕捉衣，即主控單元，能實現實時主控采集人體肢體多個關節運動信息的功能。仿人機器人，即從控單元，具有多個自由度，裝有人體姿態采集系統，能實現實時跟隨主控單元運動的功能。主控單元與從控單元通過無線Arduino控制技術相互通信。操作者穿戴外骨骼動作捕捉衣后，采集人體動作信息，并傳遞給機器人。機器人接收到信息后，執行還原人體動作操作，并將動作通過視覺系統進行反饋。操作者得到反饋信息后，進行相應的動作修正操作。實驗表明，無線控制型外骨骼主從式機器人系統可以成功的跟隨人體肢體運動，延遲時間在300ms以內。同時該系統的機器人和操作者之間的運動動作相似度較高，在舞刀、拿東西、傳遞物品和拆彈等實際操作實驗中，系統展現出了較高的精準度和靈活性。

3.發展趨勢分析

無線控制型外骨骼機器人技術涉及到機械、電子、控制、計算機、傳感器等學科領域，是多種高薪科技的集成。隨著科技的不斷創新與進步，無線控制型外骨骼系統的智能化、人機耦合、模塊化和微機化的程度也越來越高，功能也越來越強大。

無線控制型外骨骼機器人的智能化，它是一種和人緊密聯系的人機結合的機械動力系統，其中運用了大量的各種傳感器。隨著傳感器技術的不斷創新，外骨骼系統對外界環境的感知判斷能力和對操作者動作意識的判斷將會更加快速、準確，使其智能化水平進一步提供。

無線控制型外骨骼機器人的人機耦合技術，人機耦合技術是實現人機智能系統的關鍵技術之一。人機耦合技術的發展，將會使人機配合更加準確密切，有利于操作者順利方便地完成動作。

無線控制型外骨骼機器人的模塊化，目前幾乎所有外骨骼系統都采取模塊化設計理念，通過采用這種方法，設計者可以在各個不同時代，運用當時最新的科技針對某個功能模塊而不是整體進行重新設計和升級。

無線控制型外骨骼機器人的微型化，現在正在研制和開發的外骨骼系統都比較龐大笨重，不利于操作和攜帶。借助于計算機和傳感器等技術越來越小型化，未來的外骨骼系統也會趨向微型化。

4.結論

無線控制型外骨骼機器人是一個復雜的人機耦合的一體化系統。有著很廣泛的應用范圍：勘察救災、航空航天、掃雷等等。無線控制型外骨骼技術在國際上發展迅速，而在我國還處于起步階段，急需開展先期的基礎研究工作，解決一批關鍵技術，以迅速開發成熟的產品，跟上國際發展步伐。本文對已有的無線控制型外骨骼機器人的發展趨勢和控制技術進行了分析，為廣大研究者提供參考。

【參考文獻】

[1]蔡兆云，肖湘江等.外骨骼機器人技術研究綜述國防科技尖端科技，2007.12.

[2]張佳帆等.基于柔性外骨骼人機智能系統基礎理論及應用技術研究[D].杭州，浙江大學，2009.

[3]楊智勇等.外骨骼機器人控制方法綜述[J].海軍航空工程學院學報，2009.

[4]歸麗華，李曉明等.可穿戴型助力機器人技術研究[D].合肥：中國科學技術大學，2007.

[5]張令瑜，王嵐，等.基于多傳感器的實時步態檢測研究[J].哈爾濱工程大學學報，2007（02）.