外骨骼機械手臂的運動分析及伺服控制

楊志龍

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

關鍵詞：外骨骼;機械手臂;運動分析;伺服控制

前言

在自動化與機械化程度不斷提高的今天，外骨骼機械手臂得到了社會生產生活等多方面的應用。研究外骨骼機械手臂的運動分析及伺服控制，能夠更好地優化外骨骼機械手臂的功能，從而更好地將其應用在實際生產生活的多方面。

1.外骨骼機械手臂概述

外骨骼機器人是近年來美國和日本軍方重點發展的研究項目。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器人并準備應用于步兵單兵軍事裝備中。這種外骨骼以結構取代骨骼，還有充當肌肉的制動器，系統里的制動器是液壓缸，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現外骨骼機械手臂的自由運動及控制。哈爾濱工業大學開展了外骨骼式上肢康復機器人的研究，浙江大學研制了一種可穿戴式的柔性外骨骼機械手，皆用于人體康復。

外骨骼機器人源于人體的骨骼結構仿真，將人體每個骨骼的受力方式用桿件的機械結構替代。將外骨骼機器人穿戴在人體上，桿件的機械結構用液壓傳動方式驅動。當人體在負重狀態下由機械骨骼替代人體骨骼受力，使負載能力成倍增加。此外，外骨骼機器人的操作完全由人體的思維而隨意進行，使外骨骼機器人的操作靈活性大大增加。

2.機械外骨骼的應用分析

2.1助動式機械外骨骼

絕大多數老年人和部分運動功能障礙患者肢體健全且能夠做出各種動作，但共同的問題是肢體軟弱無力，無法完成相應功能。對于此類人群，助動式機械外骨骼較為適用，可以通過在肢體關節位置安裝鎖緊機構，將關節轉過的角度固定，進而鎖定肢體所做出動作的姿態，完成運動功能之后，再通過相應的解鎖機構，使機械外骨骼又回到松弛狀態。

如何設計機械外骨骼的關節。從仿生學的角度看，關節通常有這樣幾類：肩膀的球形關節、腳踝的鉸鏈接形關節、手腕的旋轉關節以及手指的鞍狀關節。大多數假肢通常是根據所仿造的部位，制作出相應的仿生關節;但由于助動式機械外骨骼并非假肢那樣取代原有肢體，它的關節應當在相應被輔助關節的外側，并且與肢體同步轉動，這一要求在單自由度的關節處較易于實現，而在雙自由度的關節處，設計難度則顯而易見。

2.2主動式機械外骨骼

與助動式機械外骨骼不同，主動式的外骨骼因為含有動力源，其對肢體的作用不再是簡單的輔助，而是控制及強化肢體功能，例如前文所述的商業外骨骼HAL。這樣的機械外骨骼甚至可以使正常人的負載能力增至原來的數倍，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，主動式機械外骨骼同樣存在顯而易見的不足。

2.3機械外骨骼的應用前景

機械外骨骼及其相關技術從最開始的軍用研究到現在的生活輔具應用，已經發展了近十年，集成了傳感系統、動力驅動系統、測量系統、計算機、無線網絡等諸多復雜的系統、機構，而各方面的技術正在趨于成熟，特別是動力源和關節在外骨骼中不可替代的低位，其相關的仿生技術和能源技術將在很大程度上決定機械外骨骼的發展方向。

隨著研究的逐步深入，與機械手靈活性密切相關的控制技術也會更加成熟，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.外骨骼機械手臂運動分析模型

3.1傳感器

根據外骨骼機器人功能和應用場合的需求，采集系統需要以下四類傳感器：壓力傳感器，加速度傳感器，重力感應器和陀螺儀。壓力傳感器安裝在左側和右側腳的鞋底，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的加速度;陀螺儀安裝在腰部的中間部位，重力感應器安裝在髖關節，兩種傳感器相互結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。四種類型的傳感器之間的協調配合，能有效檢測人體的運動狀況和預測有意的人體運動，然后提供人體實時的援助。

3.2控制總線與驅動系統

下肢外骨骼通常使用的驅動方式有三種：液壓傳動，氣壓傳動與電機驅動。他們各有優點和缺點。液壓驅動單位質量輸出功率大，傳動平穩，主動性高，且易于控制。但也有在控制響應速度和精度方面的不足。氣動驅動器使用安全，維護簡單，但它的信號傳遞比較慢。電機驅動控制模式簡單，直接，易于保證控制精度，運動精度高，響應快，方便維護和使用等諸多優點，因此文章設計的外骨骼機器人采用推桿電機驅動。

CAN代表“控制器局域網絡”，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。CAN具有優異的特性和高可靠性，這使得它非常適合工業過程監控互連設備和智能機器人控制領域。鑒于在此，驅動系統采用CAN總線來控制電機驅動器。

3.3數據處理系統

所有傳感器采集到的數據信息如加速度、重心等均傳送至AtmegalCAN128單片機，單片機將信息整理后通過CAN總線傳輸至微處理器，微處理器充分發揮預處理能力將收到的數據提煉和加工，加工完成后把形成的新數據進一步傳送到總控制器，經C++編寫的應用算法程序來分析人的運動狀態和識別運動意圖，然后發出實時控制信號來控制電機，進而達到實時準確控制的目的。

4.結束語

通過對外骨骼機械手臂的運動分析及伺服控制的相關研究，我們可以發現，外骨骼機械手臂的運動控制涉及到其多方面，有關人員應該從外骨骼機械手臂的實際應用環境出發，密切結合其各項特點，對其進行最合理的運動及伺服控制。

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