機械外文文獻翻譯--電動下肢輔助外骨骼的開發與分析【中文4480字】【PDF+中文WORD】

機械外文文獻翻譯--電動下肢輔助外骨骼的開發與分析【中文4480字】【PDF+中文WORD】,中文4480字,PDF+中文WORD,機械,外文,文獻,翻譯,電動,下肢,輔助,骨骼,開發,分析,中文,4480,PDF,WORD 電動下肢輔助外骨骼的開發與分析 摘要 現已研發出一種電機驅動下肢外骨骼機器人，其中只有膝關節主動運動，被彈性元件連接的其他關節則被動地驅動。本文介紹了關鍵的設計標準，也介紹了驅動系統的設計和計算過程。設計并應用了一種靈活的物理人機交互(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表面的兩個氣囊。提出并實現了一種在線自適應pHRI最小化控制策略，以驅動機器人外骨骼系統跟蹤人類肢體的運動軌跡。通過方差加權平均值(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，設計控制律時會考慮重力補償。最后，對健康的用戶進行了實驗。實驗結果表明，該系統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。 關鍵詞：外骨骼，pHRI測量，數據融合，pHRI最小化，自適應控制 1. 介紹 下肢外骨骼機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，可穿戴外骨骼機器人的發展取得了很大進步。伯克利下肢外骨骼（BLEEX）的設計目的是幫助人們承受重負荷，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]。機器人的一條腿有四個驅動器，導致整個系統的復雜性和沉重[2]。后者開發的外骨骼，即ExoHiker，ExoClimber和HULC，簡化了機械結構并減少了活動自由度（DoFs）的數量。那些在步態周期中功耗最高的關節DoFs應該被激活，而其余DoFs被動連接彈性元件以簡化系統[3]。通常，下肢外骨骼腿由串行或串行平行的腿段組成。在外骨骼的踝關節設計中實現了一個凸輪機構[4]。一種新型的串并聯機構被設計在下肢外骨骼中以增加步行時的負重[5,6]。然而，并行機制會增加機制的復雜性并降低其可移植性。緊湊型串行鏈接機制被用于許多先進的外骨骼，例如Ekso [7]和ReWalk [8]。 制動系統的設計和開發是外骨骼的一個重要方面。有幾種流行的驅動系統模式已應用于下肢外骨骼，包括液壓執行器、電機、串行彈性執行器和氣動肌肉執行器。在選擇外骨骼執行器時，力矩質量比、速度、運動范圍和控制能力都是很重要的[9]。液壓執行器和電動馬達由于其高轉矩質量率而被頻繁使用[10]。通常，電動馬達適用于外骨骼，因為其運動范圍廣泛，易于控制和維護，并且系統簡單。通常情況下，電動機與機械腿的接頭平行放置，導致結構復雜度增加。與傳統的電動執行機構不同，開發了一種由直流電機，齒輪副和滾珠絲杠組成的新型電動執行機構，與傳統的執行機構相比，它具有更緊湊的機械結構。 基于pHRI的人體運動意圖估計是外骨骼控制的關鍵步驟。準確測量機器人外骨骼控制的pHRI并評估輔助等級是至關重要的[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。靈活的連接袖口是與人類用戶進行交互的合適設備。靈活的傳感器技術被開發用于測量pHRI壓力，感應系統由多個光電傳感器組成[12]。該系統在袖帶表面至少有六個傳感器。 pHRI力可以通過應變計測量，其中使用圓形傳感器[13]。然而，相互作用袖帶的結構非常復雜并且有多個傳感器。在這項工作中，靈活的pHRI測量裝置被設計和應用在機器人外骨骼控制中，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。氣囊可以擴大相互作用區域并保證輕松測量pHRI。另外，氣囊的使用可以增加佩戴舒適度并適應不同的使用者。 控制策略設計是外骨骼的核心問題?？刂撇呗钥筛鶕烙嬋梭w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，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載任務[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模型。與其他輔助策略相比，混合控制策略成功應用于外骨骼承載載荷，并表現出提高的性能?；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神經網絡來補償動態不確定性，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。人類外骨骼協作的目標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策略來驅動機器人外骨骼。通過以上討論，我們突出了本文的貢獻：1）設計并實施了一種輕便且緊湊的電動機器人外骨骼系統，用于行走輔助。 2）設計了一個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pHRI最小化的控制策略，以驅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械設計和執行器的細節。 感官系統在第三部分中說明。 在第四部分中，提出了適應性pHRI最小化控制策略。 進行實驗并在第五部分中給出實驗結果。 討論和結論在最后一節中介紹。 2. 系統構架描述 2.1機械結構 外骨骼是與人體平行工作的擬人裝置。 在設計下肢外骨骼時，DoF的數量需要接近人體下肢的DoF數量才能達到舒適的步行[17]。 下肢輔助外骨骼具有兩個連接到人體肢體的機械部分，其中大腿，膝蓋和踝關節共有7個DoF。 圖1顯示了下肢外骨骼的結構，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。 膝關節由執行器激活，而髖關節是被動的。 膝關節執行器由一個直流電機和一個滾珠絲杠組成，當腿處于站立階段時，它可以幫助腿步行并支撐系統的重量。 腿部由鋁制成，重量約為4公斤。 腿段通過連接機構連接到外骨骼的腰部。 控制模塊的所有導線都通過連接到中央控制器的接線槽集成到機構中。 下肢外骨骼適用于身高在168cm-188cm范圍內的用戶，機器人大腿長度可在430mm-470mm范圍內調節，而機器人手柄可在 范圍470毫米-510毫米。 （2） 中繼線，作為集成控制系統，電源和有效載荷的平臺。 外骨骼的軀干由腿部連接器，腰寬調節機構，背包和將背包與機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構的重量。 機器人腰部的長度可以在340 mm - 360 mm的范圍內調整。 背包將連接到與人體軀干連接的人體工程學機構，以攜帶控制箱，動力裝置和其他設備。 （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柔韌性。 薄鞋幫由螺栓固定。 三個壓力傳感器或腳踏開關放置在鞋底中，所有導線都集成在一起。 耐磨鞋通過腳踝關節連接腿段，該腳踝關節設計成具有三個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）放置在踝關節和鞋之間的連接部分中。 3 傳感系統 傳感器系統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節角度位置的編碼器。 3.1耐磨鞋中的壓力傳感器 兩個數字壓力傳感器（腳踏開關）放置在耐磨鞋中以測量外骨骼系統和地面之間的相互作用力。 如圖4所示，在連接區域放置一個傳感器來測量外骨骼系統的重量。 所選數字傳感器輸出二進制值，即0和1，當人類用戶按壓傳感器時輸出1。 連接區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機械接頭上的編碼器 光學編碼器收集外骨骼關節的角位置。 該傳感器是一種增量編碼器（HEDSS，德語），其旋轉分辨率為1024線。 收集角位置以說明當前的機械位置。 光學編碼器的值被記錄并傳送到中央控制器。 所有應用傳感器的具體參數如表1所示。 4 結論 本文介紹了電動下肢外骨骼的開發和分析。 與以前的可穿戴式機器人相比，發達的下肢外骨骼具有以下特點： （1）提出了一種由直流電機，齒輪傳動結構和滾珠絲杠組成的集成驅動系統。與那些執行器直接與機械接頭并聯的機器人相比，這種結構更加緊湊，美觀。在電動外骨骼中，電動機直接與接頭平行安裝的傳統結構大大降低了整個系統的緊湊性。相比之下，這種類似四邊形的放置可以使機器人腿的結構變得纖細而緊湊。 （2）在可穿戴式外骨骼中設計并實現了一種靈活的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測量設備相比，例如參考文獻[12]和[13]，氣囊的使用有助于擴大pHRI測量區域并減少傳感器數量。在這項工作中，兩個氣囊幾乎填充在連接套囊中，并且相應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pHRI最小化方法，以驅動機器人外骨骼跟隨人體運動。基于模型的機器人外骨骼控制策略的性能，例如參考文獻。 [1]很大程度上取決于系統動態模型的準確性?；谀Ｊ降目刂撇呗院軓碗s，需要大量復雜的實際測試來識別機器人模型。該方法簡單易行。機器人外骨骼的控制目標是盡量減少pHRI以實現人體外骨骼的協調。 pHRI可以作為評估指標來說明穿著舒適度。如果pHRI較小，用戶會感覺更舒適。此外，重力補償的使用能夠提高佩戴舒適度并降低能耗。 穿著外骨骼的實驗是在健康男性身上進行的，實驗結果表明，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，我們設想幾項改進措施可以提高發達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能力。 感言 作者感謝匿名審稿人提出的改進本文的建設性意見和建議。 參考文獻 1] Kazerooni H，Steger R，黃L.伯克利下肢外骨骼混合控制（BLEEX）。 國際機器人學期刊，2006,25,561-573。 2] Zoss A，Kazerooni H，Chu A.關于伯克利下肢外骨骼（BLEEX）的機械設計。 IEEE / RSJ國際智能機器人和系統會議的演講，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械設計，以增強行走時的負重。 國際先進機器人系統雜志，2013,10,502-512。 4] Copilusi C，Ceccarelli M，Carbone G.設計和運動輔助新型腿外骨骼的數值表征。 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合擺建模及共振頻率分析。 Journal of Bionic Engineering，2015,12,372-381。 7] Joanne P. Pransky采訪：Russ Angold，Ekso?實驗室的聯合創始人兼總裁。 工業機器人，2014年，41,329-334。 8] Talaty M，Esquenazi A，Briceno J E. ReWalk（TM）動力外骨骼用戶的差異化能力：行走運動學分析。 Proceedings of IEEE In-ternational Conference on Rehabilitation Robotics，Seattle，USA，2013，1-5。 9] Onen U，Botsali F M，Kalyoncu M，Tinkir M，Yilmaz N，Sahin Y.下肢外骨骼的設計和致動器選擇。 IEEE / ASME Transactions on Mechatronics，2014,19,623-632。 10] Hollerbach J M，Hunter I W，Ballantyne J.A comparative analysis of actuator technologies for robotics。 Robotics Re-view，1991，2，299-342。 11] Santis A D，Siciliano B，Luca A D，Bicchi A.物理人機交互圖集。 機制與機器理論，2008,43,253-270。 12] Donati M，Vitiello N，De Rossi S M M，Lenzi T，Crea S，Persichetti A，Carrozza M C.一種用于分布式測量相互作用壓力的靈活傳感器技術。 Sensors，2013,13，1021-1045。 13] Del-Ama A J，Moreno J C，Gil-Agudo A，De-los-Reyes A，Pons J L.在線評估混合控制步行的人機互動。 傳感器，2012,12,215-225。 14] Huo W，Mohammed S，Moreno J C，Amirat Y.幫助和康復的下肢可穿戴機器人：最先進的技術。 IEEE Systems Journal，2014,10,1068-1081。 15] Anam K，Al-Jumaily A.主動外骨骼控制系統：最先進的技術。 程序工程，2012,41,988-994。 附錄C 圖紙 圖A 腿部零件圖 圖B腰部零件圖 圖C 總體裝配 7