外骨骼机械手臂的运动分析及伺服控制

杨志龙

摘要：隨着外骨骼机械手臂应用面的不断推广，研究其运动分析及伺服控制凸显出重要意义。本文首先对外骨骼机械手臂做了概述，分析了机械外骨骼的应用。在探讨外骨骼机械手臂运动分析模型的基础上，对外骨骼机械手臂伺服控制做了展望。

关键词：外骨骼;机械手臂;运动分析;伺服控制

前言

在自动化与机械化程度不断提高的今天，外骨骼机械手臂得到了社会生产生活等多方面的应用。研究外骨骼机械手臂的运动分析及伺服控制，能够更好地优化外骨骼机械手臂的功能，从而更好地将其应用在实际生产生活的多方面。

1.外骨骼机械手臂概述

外骨骼机器人是近年来美国和日本军方重点发展的研究项目。美国工程师史蒂芬杰克森已研制出一种可穿戴式的外骨骼机器人并准备应用于步兵单兵军事装备中。这种外骨骼以结构取代骨骼，还有充当肌肉的制动器，系统里的制动器是液压缸，液压缸由活门控制，活门则由电脑控制，通过活门和电脑的控制实现外骨骼机械手臂的自由运动及控制。哈尔滨工业大学开展了外骨骼式上肢康复机器人的研究，浙江大学研制了一种可穿戴式的柔性外骨骼机械手，皆用于人体康复。

外骨骼机器人源于人体的骨骼结构仿真，将人体每个骨骼的受力方式用杆件的机械结构替代。将外骨骼机器人穿戴在人体上，杆件的机械结构用液压传动方式驱动。当人体在负重状态下由机械骨骼替代人体骨骼受力，使负载能力成倍增加。此外，外骨骼机器人的操作完全由人体的思维而随意进行，使外骨骼机器人的操作灵活性大大增加。

2.机械外骨骼的应用分析

2.1助动式机械外骨骼

绝大多数老年人和部分运动功能障碍患者肢体健全且能够做出各种动作，但共同的问题是肢体软弱无力，无法完成相应功能。对于此类人群，助动式机械外骨骼较为适用，可以通过在肢体关节位置安装锁紧机构，将关节转过的角度固定，进而锁定肢体所做出动作的姿态，完成运动功能之后，再通过相应的解锁机构，使机械外骨骼又回到松弛状态。

如何设计机械外骨骼的关节。从仿生学的角度看，关节通常有这样几类：肩膀的球形关节、脚踝的铰链接形关节、手腕的旋转关节以及手指的鞍状关节。大多数假肢通常是根据所仿造的部位，制作出相应的仿生关节;但由于助动式机械外骨骼并非假肢那样取代原有肢体，它的关节应当在相应被辅助关节的外侧，并且与肢体同步转动，这一要求在单自由度的关节处较易于实现，而在双自由度的关节处，设计难度则显而易见。

2.2主动式机械外骨骼

与助动式机械外骨骼不同，主动式的外骨骼因为含有动力源，其对肢体的作用不再是简单的辅助，而是控制及强化肢体功能，例如前文所述的商业外骨骼HAL。这样的机械外骨骼甚至可以使正常人的负载能力增至原来的数倍，而且不仅残疾人、老年人可以使用，正常人也能使用;另一方面，主动式机械外骨骼同样存在显而易见的不足。

2.3机械外骨骼的应用前景

机械外骨骼及其相关技术从最开始的军用研究到现在的生活辅具应用，已经发展了近十年，集成了传感系统、动力驱动系统、测量系统、计算机、无线网络等诸多复杂的系统、机构，而各方面的技术正在趋于成熟，特别是动力源和关节在外骨骼中不可替代的低位，其相关的仿生技术和能源技术将在很大程度上决定机械外骨骼的发展方向。

随着研究的逐步深入，与机械手灵活性密切相关的控制技术也会更加成熟，而最有可能的控制控制方式则是通过肌电信号来控制外骨骼。

3.外骨骼机械手臂运动分析模型

3.1传感器

根据外骨骼机器人功能和应用场合的需求，采集系统需要以下四类传感器：压力传感器，加速度传感器，重力感应器和陀螺仪。压力传感器安装在左侧和右侧脚的鞋底，作用是用来测量足底压力;加速度传感器安装在两腿中间，用于测量人体抬步时的加速度;陀螺仪安装在腰部的中间部位，重力感应器安装在髋关节，两种传感器相互结合被用来确定人体的中心重心位置和判断身体是否处于平衡状态。四种类型的传感器之间的协调配合，能有效检测人体的运动状况和预测有意的人体运动，然后提供人体实时的援助。

3.2控制总线与驱动系统

下肢外骨骼通常使用的驱动方式有三种：液压传动，气压传动与电机驱动。他们各有优点和缺点。液压驱动单位质量输出功率大，传动平稳，主动性高，且易于控制。但也有在控制响应速度和精度方面的不足。气动驱动器使用安全，维护简单，但它的信号传递比较慢。电机驱动控制模式简单，直接，易于保证控制精度，运动精度高，响应快，方便维护和使用等诸多优点，因此文章设计的外骨骼机器人采用推杆电机驱动。

CAN代表“控制器局域网络”，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN具有优异的特性和高可靠性，这使得它非常适合工业过程监控互连设备和智能机器人控制领域。鉴于在此，驱动系统采用CAN总线来控制电机驱动器。

3.3数据处理系统

所有传感器采集到的数据信息如加速度、重心等均传送至AtmegalCAN128单片机，单片机将信息整理后通过CAN总线传输至微处理器，微处理器充分发挥预处理能力将收到的数据提炼和加工，加工完成后把形成的新数据进一步传送到总控制器，经C++编写的应用算法程序来分析人的运动状态和识别运动意图，然后发出实时控制信号来控制电机，进而达到实时准确控制的目的。

4.结束语

通过对外骨骼机械手臂的运动分析及伺服控制的相关研究，我们可以发现，外骨骼机械手臂的运动控制涉及到其多方面，有关人员应该从外骨骼机械手臂的实际应用环境出发，密切结合其各项特点，对其进行最合理的运动及伺服控制。

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