外骨骼驱动辅助装置设计

外骨骼驱动辅助装置设计

胡松华,字正仙,毕琳

云南电网有限责任公司保山供电局 

摘要：基于泵控驱动单元提出了一种站立相主动柔顺助力、摆动被动跟随的外骨骼机器人行走协同控制策略，降低了外骨骼机器人人机交互控制的难度，减少了机器人摆动过程的能量消耗。针对行走站立相过程的协同控制，基于关节运动学和动力学模型建立了泵控外骨骼机器人关节运动轨迹与泵控驱动单元输出力之间的动力学关系。本文对外骨骼驱动辅助装置设计进行分析，以供参考。

关键词：外骨骼驱动;辅助装置;设计分析

引言

运动障碍的老年患者对外骨骼康复机器人需求迫切，为协助患者康复，本文提出一种外骨骼驱动辅助康复装置，辅助运动障碍肢体康复训练。为获取肢体运动数据，用IMU对人体运动进行数据采集和预处理。对数据进行Mahony姿态解算，使数据波形平滑，特征突出，实现动作捕捉。

1概述

主动式外骨骼机器人能够大幅提升穿戴者的负重与机动等能力，在工厂作业、医疗康复和抢险救援等领域具有巨大应用潜力与广阔发展前景。在关于外骨骼机器人的各项技术研究中，驱动单元研制、功能设计、人机交互和控制等关键技术一直是研究的热点与难点。驱动单元是主动式外骨骼机器人的核心部件之一，目前常见的驱动单元有两种：电机与高比率传动装置(如滚珠丝杠或谐波减速器等)组合驱动单元和阀控液压驱动单元。两种驱动单元主要通过高比率传动装置和液压高功率密度特性输出外骨骼运动所需的力/力矩，具有高扭矩、高执行刚度等优势。随着实际应用场景对外骨骼机器人能量效率、舒适性和灵活性需求的提升，需要驱动单元具备良好的低阻抗特性，即反驱特性。然而，实际应用中高比率传动装置和阀控液压驱动单元都具有很高的机械阻抗，导致穿戴者在没有外骨骼助力的情况下无法依靠人体自身反向驱动关节，灵活性较低。电机准直驱驱动单元和泵控液压驱动单元由于自身具备的反驱特性逐渐被机器人领域的研究者们关注。已有采用电机准直驱动单元在足式机器人中实现了高动态低阻抗控制。然而，电机准直驱动单元适合应用于低负载、高灵活度需求的场景，无法满足具有大负载需求的外骨骼机器人。因此，需要研制一种同时具备大负载能力和良好反驱特性的外骨骼驱动单元。泵控液压驱动单元具有高效、高功率密度、优良反驱特性等优点，具备在主动式外骨骼机器人上应用的潜力。

2动作捕捉子系统

2.1系统设计

系统采用模块化设计，包括I2C初始化、IMU初始化、数据读取、姿态解算4个模块。系统上电后首先对I2C初始化操作，依次进行MPU9250的使能、初始化、数据校正、数据采集、滤波、四元数解算、数据融合，最终输出欧拉角传输给上位机。

2.2四元数姿态解算

四元数姿态解算步骤分为：1）初始化四元数，通过将载体初始姿态角求出四元数初值并按比例缩小积分误差。2）为了减少噪声干扰，获取滤波后的角速度及加速度测量值。3）完成归一化，将加速度测量值转化为单位向量，然后获取重力向量。4）通过错误的领域和方向传感器测量参考方向之间的交叉乘积的误差总和。5）将误差补偿到陀螺仪上，即补偿零点漂移。通过调整比例参数，可以控制加速度计的速度来修正陀螺仪的综合姿态。6）使用Runge⁃Kutta求解微分方程，利用修正的陀螺仪数值更新四元数。7）将更新后的四元数归一化并转换成欧拉角。至此即可得出姿态融合后的三轴姿态角。为观察MPU9250数据，采用WiFi通信，通过串行接口将计算出的姿态角传输给上位机，通过Matlab绘图显示，将姿态曲线与载体当前姿态进行比较观测载体的姿态信息.

3驱动方式

3.1液压驱动

液压驱动是外骨骼机器人的驱动方式之一，具有结构简单、惯性小、可靠性高、功率密度大等优点。2017年，浙江大学研发了一款可穿戴式下肢康复外骨骼机器人，由液压驱动提供动力。自重5.355kg，其中髋、膝关节为主动关节，踝关节为被动关节，同时患者在使用该外骨骼机器人进行康复训练时不需要额外的辅助支撑。该外骨骼机器人在机械腿的设计上贴合人体骨骼结构，搭配上液压驱动方式，可以更好地模拟出人体肌肉收缩运动，为患者提供舒适的康复环境。为了在速度恒定的情况下保证末端速度和方向相同，设计者解决了人机交互系统中病态雅可比矩阵问题，并借助CAD辅助设计软件、Matlab仿真软件以及兰维设计软件Solid⁃Works对液压驱动进行优化，完成了对下肢外骨骼平台的搭建。

3.2气压驱动

气压驱动是将空气进行压缩从而获得动力的一种驱动方式，分为气缸驱动和前文提到的Rupert机器人所使用的人工肌肉驱动（气动肌肉致动器），在结构设计方面具有仿生肌肉的特点，易于操作且具有柔顺性，能够给予患者高效、低成本、低能耗的运动康复训练。Moromugi等研制了一种由气缸驱动，运用人体肌肉刚度信息来传递信号的手部康复外骨骼机器人，其主要功能为辅助患者康复手部握力。该装置由肌肉刚度传感器来获得患者运动趋势，通过气缸驱动带动连接在手指的3个连杆，在关节处产生同步运动，以此完成康复训练动作。加州大学欧文分校的Wilmington推出的康复外骨骼机器人WREX，采用的是气动执行机构，同时搭配非线性力控制和被动平衡技术，但是，WREX对人体形态所具备的包容性不强，提供的重力平衡不足，使得患者难以恢复完全的自主运动。WREX将驱动方式更改为气缸驱动并更名Pneu-WREX，搭配自动力平衡的能力，利用弹簧支撑重力的同时，充分减小了重力因素对机器人运动的影响。还可以进一步应用于患者主动康复训练，实现肩屈曲/伸展、旋内/外，肘屈曲/伸展，前臂伸缩运动。通过临床对比试验表明，使用Pneu-WREX辅助锻炼后患者的运动质量得分、握力和方块抓取得分全部显著提高。

3.3机械系统的具体实现

连杆受力大，采用强度高、密度低的Ｔ６０６１铝合金材料加工而成。考虑到接触柔性、减重等需求，足底、人机接触面和电机座等部件使用更轻、更软的树脂３Ｄ打印加工。研究表明，７０ｋｇ的成年人以０．９ｍ／ｓ的速度步行时，髋关节的最大角速度约为３．４ｒａｄ／ｓ，最大关节力矩约为３５Ｎ·ｍ；膝关节的最大角速度约为５．６ｒａｄ／ｓ，最大关节力矩为２１Ｎ·ｍ。综合考虑驱动的功重比和人正常行走时关节速度和力矩的变化范围，本文选择无刷电机谐波减速器模组作为驱动方案，４个主动自由度的驱动均采用Ｍａｘｏｎ公司生产的直流无刷盘式电机ＥＣｆｌａｔ９０与绿的谐波公司生产的谐波减速器ＬＨＤ２０５０ＣＩ。谐波减速器采用柔轮固定，刚轮输出的安装方式，分别通过特制的法兰、轴连接器与电机的本体、转轴紧固连接，形成驱动模块后用于关节的驱动，可以提供约３７Ｎ·ｍ的转矩，且输出端的额定转速为５．２ｒａｄ／ｓ，可以满足助力的需求。装配后１个关节模组的总质量为１．３ｋｇ，总厚度为５８．７ｍｍ，结构紧凑，不会与上肢运动或者环境发生明显的干涉。

结束语

综上所述，提出可穿戴机器人外骨骼动力辅助装置的结构设计，通过结构设计与建模，并运用拉格朗日法进行动力学分析，融合动作捕捉构建子系统。经过实验分析，该装置能够由康复师引导患者手臂进行动作跟随，完成肘关节弯曲和伸展，主动对上肢进行相关康复训练。

参考文献

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[2]黄冠.面向日常出行的助老柔性外骨骼系统设计[D].哈尔滨工业大学,2019.

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