可穿戴型下肢助力機(jī)器人感知系統(tǒng)研究

1 引言

可穿戴型下肢助力機(jī)器人是輔助型康復(fù)機(jī)器人的一種，是一種幫助人們擴(kuò)展下肢運(yùn)動(dòng)能力的助力裝置，其基本原理是在基于人體運(yùn)動(dòng)行為意識(shí)信息的基礎(chǔ)上，由安裝在腿部關(guān)節(jié)(髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié))處的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，通過各關(guān)節(jié)角度、速度值的改變來達(dá)到與人體腿部的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)并提供助力，降低人在負(fù)重或長時(shí)間行走情況下的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，對那些有異樣運(yùn)動(dòng)行為的人提供治療和矯形，與人體組成了一個(gè)協(xié)調(diào)而且完美的整體。目前，世界上大約有10余家實(shí)驗(yàn)室從事可穿戴型人體助力機(jī)器人的研究，其中日本和美國走在前列，國內(nèi)尚未見相關(guān)報(bào)道。日本筑波大學(xué)(Tsukuba University)在2002年研制開發(fā)了機(jī)器人裝混合助力腿(hyhrid assis-tive limb，HAL)，機(jī)械外骨骼綁縛在人腿的兩側(cè)，利用貼在腿部皮膚上的EMG傳感器檢測肌肉的電流，控制電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)械外骨骼運(yùn)動(dòng)以輔助腿部的動(dòng)作。美國加州大學(xué)伯克利分校機(jī)器人和人體工程實(shí)驗(yàn)室研制出美軍“伯克利下肢外骨骼”(Berkeley lower extremity exoskeleton， BLE-EX)，由背包式外架、金屬腿及相應(yīng)的液壓驅(qū)動(dòng)設(shè)備組成，機(jī)械系統(tǒng)采用了與類人形結(jié)構(gòu)相似的設(shè)計(jì)，背包式外架能夠使操縱者攜帶一定載荷，其有效作用力不經(jīng)過穿戴者而直接經(jīng)由外骨骼傳至地面。下肢外骨骼能夠攜帶外部負(fù)載和自身的重量(包括操縱者的重量)在崎嶇路面遠(yuǎn)距離行走，能使帶有全副武裝的士兵增強(qiáng)負(fù)重能力和提高行軍速度。然而上述裝置存在著共同的缺點(diǎn)，由于肌電傳感器是根據(jù)肌肉活動(dòng)時(shí)皮膚表面?zhèn)魉偷奈⑷蹼娏餍盘?hào)或肌肉的軟硬程度來推斷人的行為意識(shí)，導(dǎo)致所采用的大部分傳感器要與人體肌膚直接接觸并粘貼在肌膚上，需要特別的固定裝置，這樣直接導(dǎo)致穿戴上的不便;人體分泌的汗液、傳感器安裝的好壞等將影響所獲取信息的穩(wěn)定與準(zhǔn)確性，而且信息量大而復(fù)雜，易受干擾，從而使控制難度加大。因此，本文設(shè)計(jì)一種新型的可穿戴型下肢助力機(jī)器人感知系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于獲取人體下肢和機(jī)器人外骨骼之間的接觸力，利用這些力信息和關(guān)節(jié)角度信息控制機(jī)器人外骨骼以實(shí)現(xiàn)對人體下肢運(yùn)動(dòng)的助力。

2 助力機(jī)器人系統(tǒng)

可穿戴型下肢助力機(jī)器人主要由機(jī)械、傳感和控制三大部分組成。機(jī)器人外骨架包含12個(gè)自由度，每只腿有6個(gè)自由度，髖關(guān)節(jié)包含3個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和腳底各包含1個(gè)自由度，該設(shè)計(jì)要求不僅符合以往的擬人機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，又達(dá)到與人體腿部運(yùn)動(dòng)相協(xié)調(diào)、互不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉的設(shè)計(jì)要求，如圖1所示。

執(zhí)行部分主要指直流伺服電機(jī)，該系統(tǒng)需要4個(gè)，它們分別固定在兩腿髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)上?？纱┐餍拖轮C(jī)器人控制系統(tǒng)主要采用PC104嵌入式控制系統(tǒng)板和PC104CAN卡，整個(gè)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)見圖2。

3 機(jī)器人感知模塊

3.1 人機(jī)系統(tǒng)接觸信息

可穿戴型下肢助力機(jī)器人主要利用人體下肢運(yùn)動(dòng)信息提供助力，這些運(yùn)動(dòng)信息主要包括人體與外骨骼機(jī)器人的腿部接觸力信號(hào)、腳底力信號(hào)，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的角度信號(hào)等。為了獲取這些運(yùn)動(dòng)信息，設(shè)計(jì)一套基于CAN總線的多傳感器感知系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)的傳感器通信方式(主要是指RS-232和RS-485)中主節(jié)點(diǎn)單一和實(shí)時(shí)性差等問題。該系統(tǒng)由電機(jī)碼盤、安裝在腿部的2個(gè)二維力傳感器和安裝在腳底的6個(gè)一維力傳感器組成。腿部力傳感器固定在人腿膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)上部，用于測量人體與外骨骼之間的接觸力;腳底力傳感器安裝在腳尖和腳跟，用于測量地面反力;電機(jī)碼盤用于測量髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，如圖1所示。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

腿部二維力傳感器是用于測量機(jī)器人外骨骼和人體之間的接觸力大小的傳感器，其測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性對助力機(jī)器人的控制有重要的意義。腿部力傳感器主要是由2個(gè)二維力傳感器組成，用于測量人體大、小腿與機(jī)器人外骨骼之間的接觸力，該接觸力包括沿人體腿部的力(X方向)和垂直腿部的力(Y方向)。在下肢助力機(jī)器人的控制中，除了要知道人體腿部與機(jī)器人的作用力之外，還需要知道人體腳底對機(jī)器人的作用力，而腳部力傳感器是測量地面對人機(jī)系統(tǒng)的作用反力。人體落腳對地面的著力點(diǎn)可以用三個(gè)支撐點(diǎn)表示，這三個(gè)支撐點(diǎn)的位置分別位于第一跖骨根部和第五跖骨根部以及后腳跟，人體靠這三點(diǎn)間產(chǎn)生的足弓支撐身體，而身體的重量經(jīng)由這三點(diǎn)傳遞到地面。為了準(zhǔn)確獲取行走時(shí)腳底的力信息，腳底力傳感器的安裝位置就定在這三點(diǎn)的位置上，每只腳需要安裝3個(gè)一維力傳感器，共需要6個(gè)一維力傳感器，具體安裝位置見圖3。由于腳底機(jī)械部分的限制，傳感器彈性體體積比較小，其本體機(jī)械尺寸φ40 mm(直徑)×8 mm(厚度)，量程為1000 N。

3.3 傳感器設(shè)計(jì)

彈性體的設(shè)計(jì)是多維傳感器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。本文在利用有限元分析方法對傳感器彈性體的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性仿真分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種基于E型膜片的彈性體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、維間耦合小、容易標(biāo)定的特點(diǎn)。整個(gè)彈性體主要由彈性膜片、應(yīng)變計(jì)和受力轉(zhuǎn)接體三個(gè)部分組成，彈性體由兩層E型膜片構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)X和Y兩個(gè)方向應(yīng)變力的測量。彈性膜片為圓形結(jié)構(gòu)，其直徑和厚度分別為φ15 mm和2 mm，厚度方向和測量方向一致。敏感元件采用箔式電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片粘貼在E型膜片上。傳感器的輸出是E型膜片的應(yīng)力，應(yīng)力的測量方式很多，本研究采用箔式電阻應(yīng)變片，應(yīng)變片粘貼在E型膜片上，用于測量彈性體上應(yīng)力的大小。應(yīng)變計(jì)貼片位置如圖4所示，X和Y方向應(yīng)變片安裝在E型膜片的下端，四片應(yīng)變片電阻組成一個(gè)惠斯登全橋電路(如圖5所示)，實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的自動(dòng)解耦。當(dāng)力作用于傳感器時(shí)，由于力大小、方向的不同，各個(gè)方向的敏感電阻受到的應(yīng)力不同，從而得到力與應(yīng)變之間的關(guān)系。以X方向?yàn)槔?，E型膜片敏感彈性部分的圓環(huán)平膜片屬于薄板結(jié)構(gòu)，在X向力的作用下，邊界條件比較簡單，可以等效為外圓周固定，集中應(yīng)力作用在硬中心的圓形薄板。根據(jù)薄板理論可知，周邊固支具有硬中心的膜片在半徑r處的徑向應(yīng)力εr和切向應(yīng)力εθ為