【摘 要】外骨骼機(jī)器人實質(zhì)上是一種可穿戴機(jī)器人，它將人的智能與外部機(jī)械動力裝置的機(jī)械能量結(jié)合在一起，它可以輔助人承受負(fù)載，可以給人提供額外的動力或能力，增強(qiáng)人體機(jī)能。無線控制型外骨骼機(jī)器人是外骨骼機(jī)器人一種，它以Arduino為控制核心，通過無線模塊來傳輸控制信號，從而將人的靈活控制能力傳遞給智能機(jī)器人，應(yīng)用于人類不能直接到達(dá)且控制極為復(fù)雜的機(jī)器人領(lǐng)域。

【關(guān)鍵詞】機(jī)器人；外骨骼；無線；控制型；勘察救災(zāi)；能量輔助；發(fā)展趨勢

0.引言

外骨骼技術(shù)是人類迫切希望提升個體能力的產(chǎn)物，它源于生物學(xué)中的外骨骼概念，如軟體動物的介殼，蝦、蟹等的甲殼等。人類受此啟發(fā)便開始了人體機(jī)械外骨骼的仿生學(xué)研究，并逐步研制出了外骨骼機(jī)器人。外骨骼機(jī)器人就是一種人工外骨骼，也是一種機(jī)械結(jié)構(gòu)，穿戴在操作者的身體外部，為操作者提供了諸如保護(hù)、身體支撐等功能，同時又融合了傳感、控制、驅(qū)動、信息融合等機(jī)器人技術(shù)，使得外骨骼能夠在操作者的控制下完成一定的功能和任務(wù)。外骨骼機(jī)器人的的研究最早始于20世紀(jì)60年代，1966年美國通用公司提出了哈德曼助力機(jī)器人的設(shè)想，該裝置主要采用電機(jī)驅(qū)動控制，可以輕而易舉的舉起幾十千克的重物。目前，外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)大致可以分為兩類，一類是控制型，一類是增力型。本文研究的是控制型外骨骼機(jī)器人，控制型外骨骼主要將人的靈活控制能力傳遞給智能機(jī)器人，應(yīng)用于人類不能直接到達(dá)且控制極為復(fù)雜的機(jī)器人控制領(lǐng)域，例如：對核反應(yīng)堆的操作，對空間機(jī)器人的人機(jī)耦合控制，對深海機(jī)器人的控制等極端環(huán)境下的控制等，具有很好的發(fā)展前景。

1.背景

外骨骼技術(shù)研制始于1960年的美國，最早的研究成果是美國通用公司研發(fā)的Hardiman外骨骼系統(tǒng)，其主要采用電機(jī)驅(qū)動控制，可以輕易舉起重物。雖然由于科技的限制，Hardiman的研究最終停止，但是它對后來外骨骼系統(tǒng)技術(shù)的研究與發(fā)展起到了重要的指導(dǎo)作用。

2.外骨骼機(jī)器人現(xiàn)狀

美國伯克利大學(xué)軍方合作項目-外骨骼助力機(jī)器人士兵服，該裝置名為伯克利低位肢體外骨骼，是高級防御研究工程機(jī)構(gòu)設(shè)計出來的，嘗試將自動機(jī)械支柱與人的雙腿相連，以降低負(fù)重，從而使步兵能夠在負(fù)載更重的情況下行進(jìn)更長的路程。這套設(shè)備主要由燃料供給及發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、控制及檢測系統(tǒng)、液壓傳動系統(tǒng)及外骨骼機(jī)構(gòu)，使用這種裝置的人要通過傳動帶將自身的腿與機(jī)械外骨骼的腿相連，背上要背一個裝有發(fā)動機(jī)、控制系統(tǒng)的大背包，背包中同時還留有承載有效載荷的空間。

日本外骨骼機(jī)器人HAL3它由筑波大學(xué)研發(fā)，功能為：幫助人行走、起立、坐下等下肢動作的動力輔助機(jī)器“機(jī)器人套裝”HAL（Habrid Assist Legs），該機(jī)器人主要由無線LAN（局域網(wǎng)）系統(tǒng)、電池組、電機(jī)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(jī)構(gòu)等組成，總重約17千克，設(shè)備較重，動力傳動采用電機(jī)-減速器-外骨骼機(jī)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。市場規(guī)劃：將主要面向高齡護(hù)理、殘疾人輔助、消防及警察等危險作業(yè)的用途，并且加強(qiáng)運動娛樂用途市場的開發(fā)力度，將針對各種用途進(jìn)行HAL的設(shè)計生產(chǎn)。

無線控制型外骨骼機(jī)器人包括一個外骨骼動作捕捉衣和一臺仿人機(jī)器人，是一種新型的外骨骼式主從機(jī)器人無線操作系統(tǒng)，主要應(yīng)用于極限環(huán)境下的場合作業(yè)，例如核能、海洋、空間、防災(zāi)、掃雷以及航空航天等。

目前，國內(nèi)外現(xiàn)有的搜救機(jī)器人、掃雷機(jī)器人和太空機(jī)器人等應(yīng)用于極限環(huán)境作業(yè)的機(jī)器人大多都存在通用性差和操作復(fù)雜等問題。增加機(jī)器人的自由度，是解決通用性問題的有效途徑，但僅僅采用現(xiàn)有的搖桿和按鍵的控制方式已經(jīng)無法滿足多自由度機(jī)器人的控制要求。因此，無線控制型外骨骼機(jī)器人將是解決以上兩個問題的最佳選擇，它是一種可以實時跟隨人體肢體運動的多自由度仿人機(jī)器人系統(tǒng)。無線控制型外骨骼式主從機(jī)器人系統(tǒng)，利用一套束縛在人的身體上的連桿式的外骨骼動作捕風(fēng)衣，可以使穿戴者的肢體動作在多自由度機(jī)器人身上實時再現(xiàn)出來。這種控制方式具有同步性強(qiáng)，操作者更接近于直接作業(yè)形態(tài)和操控簡便等優(yōu)點，是一種可行的解決當(dāng)前問題的有效方案。

無線控制型外骨骼機(jī)器人是包括單元和從控單元兩個部分。操控者需穿戴外骨骼動作捕捉衣，即主控單元，能實現(xiàn)實時主控采集人體肢體多個關(guān)節(jié)運動信息的功能。仿人機(jī)器人，即從控單元，具有多個自由度，裝有人體姿態(tài)采集系統(tǒng)，能實現(xiàn)實時跟隨主控單元運動的功能。主控單元與從控單元通過無線Arduino控制技術(shù)相互通信。操作者穿戴外骨骼動作捕捉衣后，采集人體動作信息，并傳遞給機(jī)器人。機(jī)器人接收到信息后，執(zhí)行還原人體動作操作，并將動作通過視覺系統(tǒng)進(jìn)行反饋。操作者得到反饋信息后，進(jìn)行相應(yīng)的動作修正操作。實驗表明，無線控制型外骨骼主從式機(jī)器人系統(tǒng)可以成功的跟隨人體肢體運動，延遲時間在300ms以內(nèi)。同時該系統(tǒng)的機(jī)器人和操作者之間的運動動作相似度較高，在舞刀、拿東西、傳遞物品和拆彈等實際操作實驗中，系統(tǒng)展現(xiàn)出了較高的精準(zhǔn)度和靈活性。

3.發(fā)展趨勢分析

無線控制型外骨骼機(jī)器人技術(shù)涉及到機(jī)械、電子、控制、計算機(jī)、傳感器等學(xué)科領(lǐng)域，是多種高薪科技的集成。隨著科技的不斷創(chuàng)新與進(jìn)步，無線控制型外骨骼系統(tǒng)的智能化、人機(jī)耦合、模塊化和微機(jī)化的程度也越來越高，功能也越來越強(qiáng)大。

無線控制型外骨骼機(jī)器人的智能化，它是一種和人緊密聯(lián)系的人機(jī)結(jié)合的機(jī)械動力系統(tǒng)，其中運用了大量的各種傳感器。隨著傳感器技術(shù)的不斷創(chuàng)新，外骨骼系統(tǒng)對外界環(huán)境的感知判斷能力和對操作者動作意識的判斷將會更加快速、準(zhǔn)確，使其智能化水平進(jìn)一步提供。

無線控制型外骨骼機(jī)器人的人機(jī)耦合技術(shù)，人機(jī)耦合技術(shù)是實現(xiàn)人機(jī)智能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。人機(jī)耦合技術(shù)的發(fā)展，將會使人機(jī)配合更加準(zhǔn)確密切，有利于操作者順利方便地完成動作。

無線控制型外骨骼機(jī)器人的模塊化，目前幾乎所有外骨骼系統(tǒng)都采取模塊化設(shè)計理念，通過采用這種方法，設(shè)計者可以在各個不同時代，運用當(dāng)時最新的科技針對某個功能模塊而不是整體進(jìn)行重新設(shè)計和升級。

無線控制型外骨骼機(jī)器人的微型化，現(xiàn)在正在研制和開發(fā)的外骨骼系統(tǒng)都比較龐大笨重，不利于操作和攜帶。借助于計算機(jī)和傳感器等技術(shù)越來越小型化，未來的外骨骼系統(tǒng)也會趨向微型化。

4.結(jié)論

無線控制型外骨骼機(jī)器人是一個復(fù)雜的人機(jī)耦合的一體化系統(tǒng)。有著很廣泛的應(yīng)用范圍：勘察救災(zāi)、航空航天、掃雷等等。無線控制型外骨骼技術(shù)在國際上發(fā)展迅速，而在我國還處于起步階段，急需開展先期的基礎(chǔ)研究工作，解決一批關(guān)鍵技術(shù)，以迅速開發(fā)成熟的產(chǎn)品，跟上國際發(fā)展步伐。本文對已有的無線控制型外骨骼機(jī)器人的發(fā)展趨勢和控制技術(shù)進(jìn)行了分析，為廣大研究者提供參考。

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