基本信息
- 項目名稱：
- 外骨骼機器人設(shè)計、控制機理研究
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 外骨骼機器人是一種可以進行穿戴的助力型機器人。其在結(jié)構(gòu)上通過對人體的仿生，并加以特定的控制，以達到同人體隨動、負重的目的。其在救災(zāi)、負重、行軍、醫(yī)療等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。 國際上，已有像美國、日本等國家從事該項目的研究并有定型型號投入使用，但國內(nèi)距離實際應(yīng)用還有一定的差距。故此，我們小組研制了這套簡易的外骨骼機器人，預(yù)期目標實現(xiàn)負重行走和牽引行走這兩項基本功能。
- 詳細介紹：
- 1、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。本套外骨骼機器人機械結(jié)構(gòu)完全有我們小組自行開發(fā)，大腿采用弧線型結(jié)構(gòu)，以更好的同人體貼合。小腿部分設(shè)計有伸長軸結(jié)構(gòu)，可以按照穿戴者的身高進行調(diào)節(jié)。背架上放有全套的電控系統(tǒng)控制箱。鋼索滑輪的傳動結(jié)構(gòu)對電機的旋轉(zhuǎn)運動進行了轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了小腿在鋼絲繩牽動下進行伸屈運動。整體機械結(jié)構(gòu)總重量在6公斤左右。 2、 電氣系統(tǒng)。電氣系統(tǒng)分為4個部分，分別是：控制卡，數(shù)據(jù)采集卡，傳動系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)。 控制卡我們選用PC104板卡，搭載DOS和WINXP系統(tǒng)，配有ART2000數(shù)據(jù)采集卡，可以實現(xiàn)16路AD的數(shù)據(jù)采集和4路DA的數(shù)據(jù)發(fā)送。傳動系統(tǒng)選用了直流電機，易于調(diào)速。反饋方面，由埋放在雙腳鞋底的壓力傳感器和配合直流電機的角度傳感器實現(xiàn)，從而達到實時的數(shù)據(jù)采集和步態(tài)的判斷控制。 3、軟件系統(tǒng)。在控制方面，我們采用閾值判斷的方式。首先我們根據(jù)鞋底采集的壓力數(shù)值，判斷人體所處的姿態(tài)，是正常站立還是抬腿行走這兩個階段。如果是正常站立，電機不工作；如若是處在行走狀態(tài)，系統(tǒng)再根據(jù)角度傳感器的變化，判斷人體是在收腿還是邁腿，進而決定電機所牽引鋼絲繩的收放。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 本作品設(shè)計的基本思路是通過外骨骼機器人特殊的機械結(jié)構(gòu)承受人體重量及負重，通過電氣部分驅(qū)動外骨骼大小腿的運動從而實現(xiàn)對人體運動的跟隨，通過軟件部分實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、對直流電動機運動速度和方向的控制以及對緊急情況的處理。 本作品的創(chuàng)新點在于: 1. 采用直流電機作為動力元件，同目前廣泛使用的液壓傳動相比，在實現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上，大大降低了成本。 2. 電機的轉(zhuǎn)動，通過滑輪和鋼索的牽引結(jié)構(gòu)，帶動小腿的運動。對于鋼索的選取，是由于其具有柔性傳動的特性。避免了可能出現(xiàn)的剛性過度引起穿戴著運動不適的情況。 3. 基于人體仿生的原理，根據(jù)人體運動時的特征位置設(shè)計機械結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了較為舒適的穿戴效果和力學性能，使負載重量通過機械腿傳到地面，結(jié)構(gòu)簡單，整體重量較輕。 4. 為減少人體與外骨骼的接觸，本項目使用了4個傳感器以獲得人體運動時的參數(shù)，相比于其他一些產(chǎn)品減少了傳感器數(shù)量（如BLEEX具有40多個傳感器），降低了復(fù)雜程度。 技術(shù)關(guān)鍵：仿人型外骨骼機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，旋轉(zhuǎn)運動與直線運動之間的轉(zhuǎn)換，角度傳感器及力傳感器合理安裝，軟件算法編程實現(xiàn)，電路合理布線。 主要技術(shù)指標:1、重量<=6公斤 2、電機輸出扭矩2n.m 機械結(jié)構(gòu)尺寸：小腿<=450克 跟隨誤差：最大彎曲時角度誤差在4度以內(nèi)。
科學性、先進性
- 本作品首先實現(xiàn)了機械結(jié)構(gòu)對人體運動的跟隨，經(jīng)過理論計算和實際檢驗，具備一定的輸出扭矩，通過設(shè)計的程序控制電機轉(zhuǎn)速使之能跟隨人體大小腿運動，具備輔助病人康復(fù)的功能。 在負重方面，主要通過人體大小腿直立輸出較小的力維持機械腿直立狀態(tài)，負重通過直立的機械腿傳到地面，實現(xiàn)了人體用很小的力承受較大的負重。這種設(shè)計思路和之前出現(xiàn)過的產(chǎn)品相比，結(jié)構(gòu)簡單，成本降低，可靠性高。結(jié)構(gòu)總體設(shè)計上，外骨骼和人體貼合合理，傳感器數(shù)目少，對人體本身的運動限制很小，人體基本上能夠無阻礙地行走。傳動方式上，由于傳動采用的是滑輪結(jié)構(gòu)，是一種柔性連接，也減小了剛性沖擊，穿戴舒適性較好。另外采取了一些保障措施，緊急情況下能夠急停，安全可靠。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 于2011年4月-5月期間，參加北京航空航天大學第21屆“馮如杯”學生學術(shù)科技作品競賽，并榮獲校級一等獎。
作品所處階段
- 機械定型生產(chǎn)，電氣調(diào)試完畢，實現(xiàn)外骨骼隨動行走和牽引行走兩項功能。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 待查
作品可展示的形式
- 脫離工控機，實現(xiàn)獨立的外骨骼穿戴，進行人體隨動行走和牽引行走演示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 本套外骨骼機器人，僅需通過套小腿的繃帶和肩部背帶同人體連接，即可實現(xiàn)機械的穿戴。單人即可完成，較為方便。設(shè)計對象主要針對于醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練和負重行走兩項基本功能。 機械系統(tǒng)中，本套外骨骼機器人整體質(zhì)量在6公斤左右，穿戴容易。傳動方面，直流電機控制簡單，調(diào)速靈敏，并可更具不同的需求改變電機型號的選取，從而實現(xiàn)大扭矩的輸出。傳動方式以鋼索牽引的形式，實現(xiàn)了柔性連接，相比于液壓傳動方式成本低廉，同時也避免剛性過強引起的運動者穿戴的不適和行走時的干涉。 電氣系統(tǒng)中，采用的PC104控制卡性能穩(wěn)定，10Ah的鋰電池為PC104板卡和電機供電，持續(xù)工作時間在2小時左右。 目前該成品處于實驗室完善階段，作為國際上熱點研制項目之一，外骨骼機器人也被列入了我國重點實驗項目。其針對對象主要為軍隊系統(tǒng)內(nèi)單兵使用，具有一定的開發(fā)潛質(zhì)和使用價值。
同類課題研究水平概述
- 目前在國際上，已有諸多成型的外骨骼機器人問世，但總體講，自1966年的哈德曼助力機器人的研發(fā)設(shè)想的提出到今天的發(fā)展程度，還是處于研發(fā)階段，距離實際應(yīng)用還是具有一定的差距。對于同類課題研究水平，參考如下： 1、美軍事合作項目，代表助力外骨骼機器人最新水平的Raytheon Sarcos XOS機動外骨骼?！癤OS”外骨骼是為了創(chuàng)造出超人的士兵，由美國國防部高等研究計劃局（DARPA）提供了1000萬美元的軍事研究預(yù)算，經(jīng)過7年秘密研發(fā)出來的，代表了機械外骨骼領(lǐng)域最尖端的技術(shù)。它的控制思想同早期的BLEEX一樣，控制系統(tǒng)通過檢測系統(tǒng)和微機系統(tǒng)判斷人的下個動作，從而決定加給人體多大的助力及速度，并且也是通過液壓系統(tǒng)將力傳給外骨骼機構(gòu)，但它是全身武裝的外骨骼，而BLEEX是下肢外骨骼機器人?！癤OS”動作較從前的外骨骼設(shè)備動作要敏捷的多并且強有力。利用附在身體上的傳感器，可以毫不延遲地反應(yīng)身體的動作，輸出強大的力量。當穿上“XOS”時，能舉起90.7kg的重物而人體感覺只有9千克，能連續(xù)舉50-500次。但目前“XOS”收到能源能量密度的影響，其自帶的電池只能使用40分鐘，大大限制了投入實際使用的可能。 2、以色列“ReWalk”外骨骼機器人。其通過一副拐杖幫助維持身體平衡，由電動腿部支架、身體感應(yīng)器和一個背包組成，背包內(nèi)有一個計算機控制盒以及可再充電的蓄電池。使用者可以用遙控腰帶選定某種設(shè)置，如站、坐、走、爬等，然后向前傾，激活身體感應(yīng)器，使機械腿處于運動之中。動力傳動采用電機-減速器-外骨骼機構(gòu)的方法，運動模式主要是裝置帶動人體動作。 “ReWalk”外骨骼機器人主要目的是用來助癱瘓者恢復(fù)行走能力。但其裝置的助力大小由控制系統(tǒng)設(shè)定，不能跟隨人的動作意愿而隨時改變。 3、由日本筑波大學研發(fā)的“HAL3”(Habrid Assist Legs)外骨骼機器，其功能是幫助人完成行走、起立、坐下等下肢動作?！癏AL3”機器人主要由無線LAN系統(tǒng)、電池組、電機及減速器、傳感器(地板反應(yīng)力傳感器、表面肌電傳感器、角度傳感器)、執(zhí)行機構(gòu)組成,總重約17千克,設(shè)備較重.動力傳動采用電機-減速器-外骨骼機構(gòu)的方法。能夠根據(jù)人體的動作意愿自動調(diào)整裝置的助力大小。其市場規(guī)劃將主要面向高齡護理、殘疾人輔助、消防及警察等危險作業(yè)的用途。
