可穿戴型下肢助力機器人感知系統(tǒng)研究

1 引言

可穿戴型下肢助力機器人是輔助型康復(fù)機器人的一種，是一種幫助人們擴展下肢運動能力的助力裝置，其基本原理是在基于人體運動行為意識信息的基礎(chǔ)上，由安裝在腿部關(guān)節(jié)(髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié))處的伺服電機驅(qū)動關(guān)節(jié)運動，通過各關(guān)節(jié)角度、速度值的改變來達到與人體腿部的協(xié)調(diào)運動并提供助力，降低人在負重或長時間行走情況下的運動強度，對那些有異樣運動行為的人提供治療和矯形，與人體組成了一個協(xié)調(diào)而且完美的整體。目前，世界上大約有10余家實驗室從事可穿戴型人體助力機器人的研究，其中日本和美國走在前列，國內(nèi)尚未見相關(guān)報道。日本筑波大學(xué)(Tsukuba University)在2002年研制開發(fā)了機器人裝混合助力腿(hyhrid assis-tive limb，HAL)，機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，控制電動馬達驅(qū)動機械外骨骼運動以輔助腿部的動作。美國加州大學(xué)伯克利分校機器人和人體工程實驗室研制出美軍“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)動設(shè)備組成，機械系統(tǒng)采用了與類人形結(jié)構(gòu)相似的設(shè)計，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載和自身的重量(包括操縱者的重量)在崎嶇路面遠距離行走，能使帶有全副武裝的士兵增強負重能力和提高行軍速度。然而上述裝置存在著共同的缺點，由于肌電傳感器是根據(jù)肌肉活動時皮膚表面?zhèn)魉偷奈⑷蹼娏餍盘柣蚣∪獾能浻渤潭葋硗茢嗳说男袨橐庾R，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)計一種新型的可穿戴型下肢助力機器人感知系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于獲取人體下肢和機器人外骨骼之間的接觸力，利用這些力信息和關(guān)節(jié)角度信息控制機器人外骨骼以實現(xiàn)對人體下肢運動的助力。

2 助力機器人系統(tǒng)

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

執(zhí)行部分主要指直流伺服電機，該系統(tǒng)需要4個，它們分別固定在兩腿髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)上。可穿戴型下肢助力機器人控制系統(tǒng)主要采用PC104嵌入式控制系統(tǒng)板和PC104CAN卡，整個系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)見圖2。

3 機器人感知模塊

3.1 人機系統(tǒng)接觸信息

可穿戴型下肢助力機器人主要利用人體下肢運動信息提供助力，這些運動信息主要包括人體與外骨骼機器人的腿部接觸力信號、腳底力信號，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的角度信號等。為了獲取這些運動信息，設(shè)計一套基于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)點單一和實時性差等問題。該系統(tǒng)由電機碼盤、安裝在腿部的2個二維力傳感器和安裝在腳底的6個一維力傳感器組成。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;電機碼盤用于測量髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度，如圖1所示。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計

腿部二維力傳感器是用于測量機器人外骨骼和人體之間的接觸力大小的傳感器，其測量的準確性和穩(wěn)定性對助力機器人的控制有重要的意義。腿部力傳感器主要是由2個二維力傳感器組成，用于測量人體大、小腿與機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)。在下肢助力機器人的控制中，除了要知道人體腿部與機器人的作用力之外，還需要知道人體腳底對機器人的作用力，而腳部力傳感器是測量地面對人機系統(tǒng)的作用反力。人體落腳對地面的著力點可以用三個支撐點表示，這三個支撐點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，人體靠這三點間產(chǎn)生的足弓支撐身體，而身體的重量經(jīng)由這三點傳遞到地面。為了準確獲取行走時腳底的力信息，腳底力傳感器的安裝位置就定在這三點的位置上，每只腳需要安裝3個一維力傳感器，共需要6個一維力傳感器，具體安裝位置見圖3。由于腳底機械部分的限制，傳感器彈性體體積比較小，其本體機械尺寸φ40 mm(直徑)×8 mm(厚度)，量程為1000 N。

3.3 傳感器設(shè)計

彈性體的設(shè)計是多維傳感器設(shè)計中的關(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)和動態(tài)特性仿真分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種基于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、容易標定的特點。整個彈性體主要由彈性膜片、應(yīng)變計和受力轉(zhuǎn)接體三個部分組成，彈性體由兩層E型膜片構(gòu)成，實現(xiàn)X和Y兩個方向應(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)變片電阻組成一個惠斯登全橋電路(如圖5所示)，實現(xiàn)輸出信號的自動解耦。當力作用于傳感器時，由于力大小、方向的不同，各個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方向為例，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