楊錚芃 張忠松 楊樹慶 許壯壯 王博

摘 要：外骨骼機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，在增強(qiáng)人類肌肉力量并持久地進(jìn)行繁重負(fù)載任務(wù)上，取得了極大的進(jìn)步。以康復(fù)醫(yī)療為例，上肢外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)協(xié)同運(yùn)動(dòng)力學(xué)、控制論、圖文圖像處理技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)技術(shù)，尤其是通過自適應(yīng)阻抗控制和試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，在人表面肌電阻抗調(diào)節(jié)和關(guān)節(jié)實(shí)驗(yàn)中，被證實(shí)為科學(xué)、有效的控制方法。本文探討了上肢外骨骼機(jī)器人的控制現(xiàn)狀、進(jìn)一步分析了其阻抗控制效能，分析了關(guān)節(jié)試驗(yàn)的效果，以為上肢骨骨骼機(jī)器人的自適應(yīng)控制提供可行性借鑒。

關(guān)鍵詞：上肢外骨骼機(jī)器人;阻抗控制;關(guān)節(jié)試驗(yàn)

0、引言

隨著21世紀(jì)智能化時(shí)代的到來，人類在物質(zhì)生活領(lǐng)域的進(jìn)步，疾病種類和類型也呈增加化趨勢(shì)。以腦卒中后偏癱為例，對(duì)家庭和社會(huì)造成了極大的負(fù)擔(dān)和壓力[1]?？祻?fù)醫(yī)學(xué)為此，通過簡單器械配合專業(yè)醫(yī)師指導(dǎo)以滿足智能化需求的發(fā)展，已不足以滿足康復(fù)患者的需求;由此上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人自適應(yīng)控制系統(tǒng)以達(dá)到阻抗控制和關(guān)節(jié)試驗(yàn)安全性效果的研究，為機(jī)器人的控制奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)就上肢外骨骼機(jī)器人的阻抗控制及關(guān)節(jié)試驗(yàn)分析如下：

1、上肢外骨骼機(jī)器人的控制現(xiàn)狀

當(dāng)前的大多數(shù)上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人主要基于位置控制，如搬運(yùn)機(jī)器人在規(guī)定位置的倉庫搬運(yùn)、制定地點(diǎn)裝貨、設(shè)計(jì)路線卸貨等。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，該類機(jī)器人多以位置控制、速度控制、加速度控制等來完成搬運(yùn)、焊接、噴漆等工作[2]。從康復(fù)醫(yī)學(xué)器械的改進(jìn)來看，將有效地控制力的輸出，實(shí)現(xiàn)引入力控的阻抗控制，在動(dòng)態(tài)化分析機(jī)械臂末端與環(huán)境間的動(dòng)態(tài)關(guān)系上，對(duì)實(shí)現(xiàn)力控制和位置控制的作用效果較為明顯;即通過構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)使得執(zhí)行器（機(jī)械臂）能同時(shí)控制力/位置。

2、阻抗控制效能

阻抗控制原理和電工電子學(xué)中的阻抗概念范疇不同，但本質(zhì)相同。以機(jī)器人物理系統(tǒng)為例，可通過對(duì)任意自由度機(jī)器人來施加一個(gè)力或位移速度，來實(shí)現(xiàn)互相耦合的效果。機(jī)器人與外界的動(dòng)態(tài)作用調(diào)節(jié)為阻抗控制的目標(biāo)，通過外界環(huán)境系統(tǒng)的干擾，來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人受外界力而偏離既定運(yùn)動(dòng)的擾動(dòng)響應(yīng)[3]。具體如圖1所示：

注：Md—質(zhì)量，變大以對(duì)環(huán)境產(chǎn)生沖擊運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致軌跡誤差大，系統(tǒng)響應(yīng)慢。

Bd—阻尼=摩擦，變大減小響應(yīng)力超調(diào)，系統(tǒng)響應(yīng)慢，能量損耗大。

Kd—彈簧作用，距離中心位置越遠(yuǎn)，受彈力越大。越小表明彈簧剛度系數(shù)越小，力控制穩(wěn)態(tài)誤差越小，系統(tǒng)響應(yīng)越慢。

在上肢外骨骼機(jī)器人的阻抗控制中，環(huán)境剛度大，則阻抗剛度小;環(huán)境剛度小，阻抗剛度大，控制的順應(yīng)性越好。

以機(jī)器人和機(jī)電一體化研究所（DLR Institute of Robotics and Mechatronics）研發(fā)的機(jī)械臂的DLR為例，系統(tǒng)主要包括機(jī)械臂本體、機(jī)器人控制柜（KUKA Sunrise Cabinet）、示教器（KUKA smartPAD）、安裝KUKA Sunrise.Workbench 的開發(fā)計(jì)算機(jī)四大組件。在設(shè)計(jì)層面，整體增加了機(jī)器人觸覺，在插孔動(dòng)作控制上更人性化[4]。具體控制實(shí)現(xiàn)方法為—通過增加連桿端的編碼器傳感器、關(guān)節(jié)力矩傳感器：測(cè)量機(jī)械臂振動(dòng)，主動(dòng)阻尼減震，大幅度提高了機(jī)器人的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)性能;最短速度檢測(cè)出與環(huán)境的碰撞情況。

3、關(guān)節(jié)試驗(yàn)效果

阻抗控制可首先檢測(cè)出不安全碰撞，將關(guān)節(jié)力矩傳感器精度控制在±2% of the maximum torque，比之無力傳感器協(xié)作機(jī)器人，該機(jī)器人的各關(guān)節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下如下表1所示。

鑒于冗余自由度加良好的折疊性及較短的腕部軸使得機(jī)器人更加靈巧，以單薄的身體實(shí)現(xiàn)12公斤的負(fù)載，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料、控制方面更具比較優(yōu)勢(shì)。

結(jié)束語：

通過分析上肢外骨骼機(jī)器人阻抗控制和關(guān)節(jié)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了力控、力控機(jī)械臂、各種應(yīng)用的梯隊(duì)位置，在后續(xù)的康復(fù)治療患者中，更具自適應(yīng)控制優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉冰，李寧，于鵬， 等.上肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人控制方法進(jìn)展研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，49（5）：641-651.

[2]孫定陽，沈浩，郭朝， 等.繩驅(qū)動(dòng)柔性上肢外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制[J].機(jī)器人，2019，41（6）：834-841.

[3]孫超，苑明海，周灼， 等.外骨骼上肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真研究[J].機(jī)電工程，2019，36（4）：383-386.

[4]王峰，喻洪流，李新偉， 等.一種輪椅平臺(tái)的上肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的研究[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，2019，34（7）：819-823.

作者簡介：

楊錚芃（1999-），男（漢族），福建漳州人，本科，就讀于吉林建筑大學(xué)? 學(xué)生，研究方向：工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

張忠松（1977-），男（漢族），吉林長春人，博士，任職于吉林建筑大學(xué) 講師，研究方向：工程機(jī)械結(jié)構(gòu)分析、智能工藝決策。

楊樹慶（1997-），男（漢族），甘肅靖遠(yuǎn)人，本科，就讀于吉林建筑大學(xué)? 學(xué)生，研究方向：工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

許壯壯（1997-），男（漢族），河南蘭考人，本科，就讀于吉林建筑大學(xué)? 學(xué)生，研究方向：工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

王博（1998-），男（漢族），吉林集安人，本科，就讀于吉林建筑大學(xué)? 學(xué)生，研究方向：工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（吉林建筑大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)? ?吉林? 長春? 130118）