外骨骼机器人驱动及控制策略研究魏小华

外骨骼机器人驱动及控制策略研究魏小华

魏小华

（衢州职业技术学院浙江衢州324000）

摘要：外骨骼机器人又称可穿戴机器人，是一种结合了人的智能和机械动力装置的机械能量的机器人。外骨骼机器人融合了传感、控制、驱动、信息融合、移动计算等综合技术为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构；本文对外骨骼机器人的关键技术（驱动单元，控制策略）进行了简要阐述，分析了其技术难点最后对其发展前景进行了说明。

关键词：外骨骼机器人；驱动控制；设计

1、引言

20世纪末期美国和日本开始研究外骨骼机器人，但依然有许多问题需克服。首先，需要更轻巧且高强度的材料与精简安全的机构，因为外骨骼机器人为了举起机器人和人体本身的重量就已经耗费大量的能量，而麻省理工学院在设计上便从人走路的姿态去设计，思考如何减少外骨骼机器人致动器的数量，以减少机构的重量和大小。其次，电源供给不足，目前范德堡大学的外骨骼机器人充完电后，只能使用约一个小时，如果要增加电池的电量则会增加整体的重量。得思考如何设计出更轻巧且电量密度更高的电池，或是设计节省浪费能量的走路模式，以增加外骨骼机器人的应用层面。再则，机器人操控原理，外骨骼机器人不同于车辆等系统，外骨骼机器人类似人类骨架，且穿戴之后将会和人体紧密结合，如何在身体无法移动的情况下，给予正确的讯号来控制外骨骼机器人成为重大议题。对使用者而言，学习使用新的工具也需要时间，考虑到如何让人们以本能便能操作外骨骼机器人，减少学习训练与穿戴的时间。

（1）机械结构设计：除了得考虑使用者穿戴舒适方便外，机械结构得具备相当程度的强度来支撑人体。BLEEX外骨骼机器人设计小型液压杆模块，减少体积和提高维修性，并为了符合人体移动的自由度，在被动自由度的部分安装弹簧来避免过度伸展弯曲。

（2）能源问题：机器人由于得负担人体重量外，还得帮助使用者增强力量，会耗费相当程度的能量，若没有经过特殊设计的电池，将无法持续一整天使用。MIT的外骨骼机器人利用走路过程中所产生的负功来取得能量，连带减少耗电的问题。

（3）安全机制：因为机器人将会提供超出一般使用者力量范围的扭力，若动作错误或是机器故障将会导致使用者受伤，因此得设计周全的安全机制。携带型电池与人体的距离相近，除了考虑体积轻巧和供电效率外，还得避免意外发生。在电源供应机制异常时，该如何从机器人身上离开，并尽量避免人还在驾驶舱内发生停机状况。

（4）人机接口设计：外骨骼机器人的操作方式不同于汽车和飞机，由于机器人平台与人体相互连动，如何让机器人和使用者动作同步，可分成三种情况来讨论，机器人自主移动、人指挥机器人和人与机器人互相配合来达成操作。

2、外骨骼机器人驱动单元设计

外骨骼机器人的驱动系统和驱动器必须质量轻体积小，并且能提供足够大的驱动力矩或扭矩，同时要具有良好的散热性能。当前国际上的外骨骼设备常用的驱动系统主要有电动机驱动系统气压驱动系统液压驱动系统3种。目前日本的HAL机器人采用电机驱动方案，美国的HULC以及XOS-2机器人采用液压驱动方案，日本神奈川工科大学成功研制的全身型外骨骼机器人采用的气压传动装置可将使用者的力量增加0.5~l.0倍。三者各有优缺点。电机驱动方案的控制模式简单、直接，控制精度较高，响应快，维护和使用方便，驱动效率高，不污染环境等诸多优点。但能输出较大扭矩的电机体积却较大，不宜布置，影响系统的灵活性；液压驱动方式虽然具有可控性强、传动平稳、驱动力矩大等特点，适用于高速重载的搬运和零件加工机器人。但是在控制响应速度和精度上有先天的不足，且成本高、结构复杂、能量使用率低、密封困难等问题；气压驱动容易达到高速、介质无污染、使用安全、工作压力低，制造要求比液压元件低、管理维护比较容易，但是气动装置的信号传递速度较慢，其稳定性较差，难以控制，噪声较大。

3、外骨骼机器人的控制策略

外骨骼机器人和其他机器人的最大区别在于它的操作者是人，而不是机器，操作者处于回路中，即“人在回路中”，操作者与外骨骼具有实实在在的物理接触，形成了一个人机耦合的一体化系统。人机耦合系统的控制目的就是要使人和机器能够协调地工作，完成任务。

（1）预编程控制：外骨骼中有很多是基于康复目的的有外部能源驱动的步态矫正装置。这些装置主要是下肢外骨骼，用于支撑重量，对操作者进行下肢康复训练。这些外骨骼装置通过预先编好的程序来运行，装置的运动轨迹是预先编程设计好的，设计时根据正常人的运动步态来设计并有所改动以适应于矫正装置，但操作者只能进行有限的干预。基于程序控制的康复矫正装置都需要患者使用手杖或者额外的辅助框架来保持操作者行走的稳定，而且实现的运动形式也十分有限。

（2）基于人体脑电信号(EEG)的外骨骼控制策略：EEG是人的大脑皮层产生的一种电脑波，能够直接反映人体运动意图。随着脑机接口技术的发展，EEG在智能假肢和仪器控制上有了较大发展，但是脑电信号微弱，噪声大，研制成本高，提取困难，数据处理程序较为复杂。该方式常用于肢体瘫痪患者的助力装置设计，但操作者使用该类型装置时必须集中思想，不能分散，否则会影响装置运转，不适用于操作者同一时刻执行多重脑部指令任务。为巴西世界杯开出的第一個球的瘫痪少年身穿一款被命名为“Bra-SantosDumont”的“外骨骼”，这套装置就是通过患者大脑意识活动进行控制的。

（3）基于人体表面肌电信号(sEMG)的外骨骼控制策略：sEMG是一种复杂的表皮下肌肉电活动在皮肤表面处的时间和空间上的综合结果，可以直接反映人肢体的动作信号，广泛地应用于肌肉运动、肌肉损伤诊断、康复医学及体育运动等方面的研究，尤其是在智能假手方面已经有了成熟的技术；日本筑波大学山海嘉之研制的HAL-5外骨骼机器人就是使用贴附在人体皮肤上的电极检测微弱的生物电流，但是肢体的EMG信号和关节运动力矩之间的关系并不是完全确定的，并且还要考虑肌力力臂和不同个体生理状况的影响，因此使用EMG信号的控制器一般适用于特定操作者的个体设备。另外测量肌电所采用的大部分的电极或传感器必须和人体表面皮肤紧密接触，而在大幅度运动下，此类型传感器容易脱落、易位，并且长时间运动后，人体出汗会影响传感器的测量；EMG信号中往往包含很强烈的噪声，必须经过额外的处理才能应用于系统中；传感器每次都要贴到人体表面，使用不便。

（4）基于运动力学信号的外骨骼控制策略：人体穿上外骨骼行动时，人体动作、人和外骨骼之间、外骨骼和地面之间都会产生运动力学信号，根据这些信号可以采用诸如主从控制、直接力反馈控制、地面反作用力控制、ZMP控制等控制策略。这些信号较为稳定、有规律，不易受干扰且易于采集，但为保证信号采集的快速性和准确性，必须在外骨骼和人体上使用大量不同类型传感器装置，并且传感器在外骨骼上的合理配置对于运动信息采集的快速性和精确性有很大的影响，故其结构和硬件设计较为复杂。

4、结论

随着社会现代化进程的到来，外骨骼机器人技术的应用将会涉及到人类生产生活的各个方面，可以预见，外骨骼机器人技术的发展前景是十分广阔的。但这项技术还面临着一些难题要解决，比如外骨骼机器人的机械系统、控制系统、人体舒适度、运行安全性等的优化设计。但随着能源技术、材料科学技术和控制工程技术的不断发展，这些难题一定会被逐步解决。

参考文献

[1]李宏伟.外骨骼下肢康复机器人在脑卒中康复中的应用进展[J].中国康复理论与实践,2017,23(7):788-791.

[2]张向刚.人体外骨骼服技术综述[J].计算机科学,2015,42(8):1-6.

基金项目

浙江省教育厅一般项目(Y201839845)；衢州市科技计划项目(2017G12)。