機(jī)械外文文獻(xiàn)翻譯--電動下肢輔助外骨骼的開發(fā)與分析【中文4480字】【PDF+中文WORD】,中文4480字,PDF+中文WORD,機(jī)械,外文,文獻(xiàn),翻譯,電動,下肢,輔助,骨骼,開發(fā),分析,中文,4480,PDF,WORD 電動下肢輔助外骨骼的開發(fā)與分析 摘要 現(xiàn)已研發(fā)出一種電機(jī)驅(qū)動下肢外骨骼機(jī)器人，其中只有膝關(guān)節(jié)主動運動，被彈性元件連接的其他關(guān)節(jié)則被動地驅(qū)動。本文介紹了關(guān)鍵的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，也介紹了驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計和計算過程。設(shè)計并應(yīng)用了一種靈活的物理人機(jī)交互(pHRI)測量裝置，用于檢測人體運動，它包括兩個力傳感器和連接在連接袖口內(nèi)表面的兩個氣囊。提出并實現(xiàn)了一種在線自適應(yīng)pHRI最小化控制策略，以驅(qū)動機(jī)器人外骨骼系統(tǒng)跟蹤人類肢體的運動軌跡。通過方差加權(quán)平均值(VWA)法將測量的pHRI信息融合在一起。利用pHRI和控制扭矩的均方值（MSV）來評估外骨骼的性能。為了提高舒適性和降低能耗，設(shè)計控制律時會考慮重力補償。最后，對健康的用戶進(jìn)行了實驗。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效地幫助人們行走，并且概述的控制策略是有效和有效的。 關(guān)鍵詞：外骨骼，pHRI測量，數(shù)據(jù)融合，pHRI最小化，自適應(yīng)控制 1. 介紹 下肢外骨骼機(jī)器人是人類用戶為提高力量和耐力而穿戴的裝置。近幾十年來，可穿戴外骨骼機(jī)器人的發(fā)展取得了很大進(jìn)步。伯克利下肢外骨骼（BLEEX）的設(shè)計目的是幫助人們承受重負(fù)荷，在承載34公斤有效載荷時可以以0.9 m·s-1的速度行走[1]。機(jī)器人的一條腿有四個驅(qū)動器，導(dǎo)致整個系統(tǒng)的復(fù)雜性和沉重[2]。后者開發(fā)的外骨骼，即ExoHiker，ExoClimber和HULC，簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)并減少了活動自由度（DoFs）的數(shù)量。那些在步態(tài)周期中功耗最高的關(guān)節(jié)DoFs應(yīng)該被激活，而其余DoFs被動連接彈性元件以簡化系統(tǒng)[3]。通常，下肢外骨骼腿由串行或串行平行的腿段組成。在外骨骼的踝關(guān)節(jié)設(shè)計中實現(xiàn)了一個凸輪機(jī)構(gòu)[4]。一種新型的串并聯(lián)機(jī)構(gòu)被設(shè)計在下肢外骨骼中以增加步行時的負(fù)重[5,6]。然而，并行機(jī)制會增加機(jī)制的復(fù)雜性并降低其可移植性。緊湊型串行鏈接機(jī)制被用于許多先進(jìn)的外骨骼，例如Ekso [7]和ReWalk [8]。 制動系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)是外骨骼的一個重要方面。有幾種流行的驅(qū)動系統(tǒng)模式已應(yīng)用于下肢外骨骼，包括液壓執(zhí)行器、電機(jī)、串行彈性執(zhí)行器和氣動肌肉執(zhí)行器。在選擇外骨骼執(zhí)行器時，力矩質(zhì)量比、速度、運動范圍和控制能力都是很重要的[9]。液壓執(zhí)行器和電動馬達(dá)由于其高轉(zhuǎn)矩質(zhì)量率而被頻繁使用[10]。通常，電動馬達(dá)適用于外骨骼，因為其運動范圍廣泛，易于控制和維護(hù)，并且系統(tǒng)簡單。通常情況下，電動機(jī)與機(jī)械腿的接頭平行放置，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜度增加。與傳統(tǒng)的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同，開發(fā)了一種由直流電機(jī)，齒輪副和滾珠絲杠組成的新型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，與傳統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)相比，它具有更緊湊的機(jī)械結(jié)構(gòu)。 基于pHRI的人體運動意圖估計是外骨骼控制的關(guān)鍵步驟。準(zhǔn)確測量機(jī)器人外骨骼控制的pHRI并評估輔助等級是至關(guān)重要的[11]。連接袖口是將人的肢體緊固到外骨骼的廣泛使用的裝置，其影響穿著舒適性和行走表現(xiàn)。靈活的連接袖口是與人類用戶進(jìn)行交互的合適設(shè)備。靈活的傳感器技術(shù)被開發(fā)用于測量pHRI壓力，感應(yīng)系統(tǒng)由多個光電傳感器組成[12]。該系統(tǒng)在袖帶表面至少有六個傳感器。 pHRI力可以通過應(yīng)變計測量，其中使用圓形傳感器[13]。然而，相互作用袖帶的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜并且有多個傳感器。在這項工作中，靈活的pHRI測量裝置被設(shè)計和應(yīng)用在機(jī)器人外骨骼控制中，該控制器由兩個氣囊和一個連接到每個氣囊的力傳感器組成。氣囊可以擴(kuò)大相互作用區(qū)域并保證輕松測量pHRI。另外，氣囊的使用可以增加佩戴舒適度并適應(yīng)不同的使用者。 控制策略設(shè)計是外骨骼的核心問題?？刂撇呗钥筛鶕?jù)估計人體運動意圖的方法分為三類，即基于人體測量信號的方法，基于測量間作用力的方法和基于外骨骼測量信號的方法[14]。為了保證用戶的自然步態(tài)，靈敏度放大控制，基于模型的控制和混合輔助策略適用于負(fù)載任務(wù)[15]。然而，靈敏度放大控制對外部干擾敏感，基于模型的控制是依賴于精確的動力學(xué)模型。與其他輔助策略相比，混合控制策略成功應(yīng)用于外骨骼承載載荷，并表現(xiàn)出提高的性能?；趐HRI的控制策略是外骨骼的有效方法。為了使pHRI力最小化，提出了一種RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來補償動態(tài)不確定性，在相互作用袖套中沒有力傳感器[16]。但是，人體四肢上有一些傳感器。人類外骨骼協(xié)作的目標(biāo)是減少或消除人類用戶與外骨骼之間的錯位。在這項工作中，我們提出了一種在線自適應(yīng)策略來驅(qū)動機(jī)器人外骨骼。通過以上討論，我們突出了本文的貢獻(xiàn)：1）設(shè)計并實施了一種輕便且緊湊的電動機(jī)器人外骨骼系統(tǒng)，用于行走輔助。 2）設(shè)計了一個pHRI測量裝置，該裝置由一個力傳感器和一個嵌入連接套囊的氣囊組成.3）提出了一種稱為無模型自適應(yīng)pHRI最小化的控制策略，以驅(qū)動外骨骼跟隨人體肢體。 本文的其余部分安排如下。 第二部分給出了外骨骼的具體機(jī)械設(shè)計和執(zhí)行器的細(xì)節(jié)。 感官系統(tǒng)在第三部分中說明。 在第四部分中，提出了適應(yīng)性pHRI最小化控制策略。 進(jìn)行實驗并在第五部分中給出實驗結(jié)果。 討論和結(jié)論在最后一節(jié)中介紹。 2. 系統(tǒng)構(gòu)架描述 2.1機(jī)械結(jié)構(gòu) 外骨骼是與人體平行工作的擬人裝置。 在設(shè)計下肢外骨骼時，DoF的數(shù)量需要接近人體下肢的DoF數(shù)量才能達(dá)到舒適的步行[17]。 下肢輔助外骨骼具有兩個連接到人體肢體的機(jī)械部分，其中大腿，膝蓋和踝關(guān)節(jié)共有7個DoF。 圖1顯示了下肢外骨骼的結(jié)構(gòu)，其包括三個主要部分如下[18]： （1） 包括小腿和大腿的腿部部分通過相互套箍附接到人體使用者腿部。 膝關(guān)節(jié)由執(zhí)行器激活，而髖關(guān)節(jié)是被動的。 膝關(guān)節(jié)執(zhí)行器由一個直流電機(jī)和一個滾珠絲杠組成，當(dāng)腿處于站立階段時，它可以幫助腿步行并支撐系統(tǒng)的重量。 腿部由鋁制成，重量約為4公斤。 腿段通過連接機(jī)構(gòu)連接到外骨骼的腰部。 控制模塊的所有導(dǎo)線都通過連接到中央控制器的接線槽集成到機(jī)構(gòu)中。 下肢外骨骼適用于身高在168cm-188cm范圍內(nèi)的用戶，機(jī)器人大腿長度可在430mm-470mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，而機(jī)器人手柄可在 范圍470毫米-510毫米。 （2） 中繼線，作為集成控制系統(tǒng)，電源和有效載荷的平臺。 外骨骼的軀干由腿部連接器，腰寬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，背包和將背包與機(jī)器人腰部連接起來的彈性元件組成。 利用具有足夠剛度的彈性元件來支撐機(jī)構(gòu)的重量。 機(jī)器人腰部的長度可以在340 mm - 360 mm的范圍內(nèi)調(diào)整。 背包將連接到與人體軀干連接的人體工程學(xué)機(jī)構(gòu)，以攜帶控制箱，動力裝置和其他設(shè)備。 （3） 與鞋身連接的耐磨鞋，每個鞋都包含三個壓力傳感器以收集地面反作用力。 耐磨鞋由橡膠制成以增強(qiáng)柔韌性。 薄鞋幫由螺栓固定。 三個壓力傳感器或腳踏開關(guān)放置在鞋底中，所有導(dǎo)線都集成在一起。 耐磨鞋通過腳踝關(guān)節(jié)連接腿段，該腳踝關(guān)節(jié)設(shè)計成具有三個DoF的彎曲球軸承。 為了用柔性支撐物制造重物，將一些彈性元件（例如柔性橡膠板）放置在踝關(guān)節(jié)和鞋之間的連接部分中。 3 傳感系統(tǒng) 傳感器系統(tǒng)是控制原型的最外層，由三種傳感器組成，即嵌入鞋墊中的數(shù)字和模擬壓力傳感器，用于pHRI測量的帶氣囊的力傳感器和用于獲得關(guān)節(jié)角度位置的編碼器。 3.1耐磨鞋中的壓力傳感器 兩個數(shù)字壓力傳感器（腳踏開關(guān)）放置在耐磨鞋中以測量外骨骼系統(tǒng)和地面之間的相互作用力。 如圖4所示，在連接區(qū)域放置一個傳感器來測量外骨骼系統(tǒng)的重量。 所選數(shù)字傳感器輸出二進(jìn)制值，即0和1，當(dāng)人類用戶按壓傳感器時輸出1。 連接區(qū)域中使用的壓力傳感器，可輸出與施加的力成比例的電壓信號。 這種傳感器具有足夠的分辨率來記錄立場期間的GRF變化。 此外，這種傳感器足夠小而且足夠薄，以便嵌入耐磨鞋中并確保佩戴舒適性。 使用過的壓力傳感器的感應(yīng)面積為4.52平方厘米，測量范圍從0公斤到100公斤。 3.2帶氣囊的力傳感器 物理HRI測量是外骨骼控制的關(guān)鍵問題。 基于pHRI，可以獲得人體運動意圖。 力傳感器的測量范圍為0 kPa至1 kPa耐磨鞋氣囊傳感器光電編碼器軟管的直徑為7.5毫米。 空氣管道連接到氣囊，力傳感器隨氣壓變化而變化，信號輸出線連接到收集部件。 可采集力傳感器信號，輸出電壓范圍為0 V?10 V，靈敏度為2.0 mv·V 1.力傳感器方便測量人體肢體與機(jī)械肢體之間的相互作用信號。 兩個氣囊連接到相互作用袖帶上，每個氣囊的面積為100毫米乘70毫米。 3.3機(jī)械接頭上的編碼器 光學(xué)編碼器收集外骨骼關(guān)節(jié)的角位置。 該傳感器是一種增量編碼器（HEDSS，德語），其旋轉(zhuǎn)分辨率為1024線。 收集角位置以說明當(dāng)前的機(jī)械位置。 光學(xué)編碼器的值被記錄并傳送到中央控制器。 所有應(yīng)用傳感器的具體參數(shù)如表1所示。 4 結(jié)論 本文介紹了電動下肢外骨骼的開發(fā)和分析。 與以前的可穿戴式機(jī)器人相比，發(fā)達(dá)的下肢外骨骼具有以下特點： （1）提出了一種由直流電機(jī)，齒輪傳動結(jié)構(gòu)和滾珠絲杠組成的集成驅(qū)動系統(tǒng)。與那些執(zhí)行器直接與機(jī)械接頭并聯(lián)的機(jī)器人相比，這種結(jié)構(gòu)更加緊湊，美觀。在電動外骨骼中，電動機(jī)直接與接頭平行安裝的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大降低了整個系統(tǒng)的緊湊性。相比之下，這種類似四邊形的放置可以使機(jī)器人腿的結(jié)構(gòu)變得纖細(xì)而緊湊。 （2）在可穿戴式外骨骼中設(shè)計并實現(xiàn)了一種靈活的pHRI測量裝置。這種連接套可以保證使用者的穿著舒適性。與HRI測量設(shè)備相比，例如參考文獻(xiàn)[12]和[13]，氣囊的使用有助于擴(kuò)大pHRI測量區(qū)域并減少傳感器數(shù)量。在這項工作中，兩個氣囊?guī)缀跆畛湓谶B接套囊中，并且相應(yīng)地兩個力傳感器與這兩個氣囊連接。 （3）提出了一種無模型自適應(yīng)pHRI最小化方法，以驅(qū)動機(jī)器人外骨骼跟隨人體運動?；谀Ｐ偷臋C(jī)器人外骨骼控制策略的性能，例如參考文獻(xiàn)。 [1]很大程度上取決于系統(tǒng)動態(tài)模型的準(zhǔn)確性?；谀Ｊ降目刂撇呗院軓?fù)雜，需要大量復(fù)雜的實際測試來識別機(jī)器人模型。該方法簡單易行。機(jī)器人外骨骼的控制目標(biāo)是盡量減少pHRI以實現(xiàn)人體外骨骼的協(xié)調(diào)。 pHRI可以作為評估指標(biāo)來說明穿著舒適度。如果pHRI較小，用戶會感覺更舒適。此外，重力補償?shù)氖褂媚軌蛱岣吲宕魇孢m度并降低能耗。 穿著外骨骼的實驗是在健康男性身上進(jìn)行的，實驗結(jié)果表明，所提出的方法可將pHRI和控制電流分別降低95.7±0.4％和61.7±6.4％。 提出的控制策略對下肢外骨骼有效且有效。 展望未來，我們設(shè)想幾項改進(jìn)措施可以提高發(fā)達(dá)的下肢外骨骼的性能。 未來的工作之一是提高對不同用戶的適應(yīng)能力。 感言 作者感謝匿名審稿人提出的改進(jìn)本文的建設(shè)性意見和建議。 參考文獻(xiàn) 1] Kazerooni H，Steger R，黃L.伯克利下肢外骨骼混合控制（BLEEX）。 國際機(jī)器人學(xué)期刊，2006,25,561-573。 2] Zoss A，Kazerooni H，Chu A.關(guān)于伯克利下肢外骨骼（BLEEX）的機(jī)械設(shè)計。 IEEE / RSJ國際智能機(jī)器人和系統(tǒng)會議的演講，加拿大艾伯塔，2005年，3465-3472。 3] 苗高峰，潘D.。一種混合式腿部外骨骼的機(jī)械設(shè)計，以增強(qiáng)行走時的負(fù)重。 國際先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)雜志，2013,10,502-512。 4] Copilusi C，Ceccarelli M，Carbone G.設(shè)計和運動輔助新型腿外骨骼的數(shù)值表征。 Robotica，2014年，33，1-16。 5] 苗高峰，潘D.。下肢外骨骼SJTU-EX的狀態(tài)分類和運動描述。 Journal of Bionic Engineering，2014，11，249-258。 6] 苗高峰，潘D.。穿戴者和外骨骼下肢復(fù)合擺建模及共振頻率分析。 Journal of Bionic Engineering，2015,12,372-381。 7] Joanne P. 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