外骨骼机器人

外骨骼机器人技术第三组课件制作：陈强资料提供：李治友、田鹏琪、陈小勇、张红英、徐义都、郭章飞、赵云江、庹顺德视频提供：邓进浪、冯志钦从生物学的角度上来讲，一般是把虾、蟹、昆虫等节肢动物体表坚韧的几丁质的骨骼称为外骨骼，它有保护和支持作用。有时也指软体动物的贝壳和棘皮动物石灰质的板和棘。节肢动物的体表覆盖着坚硬的体壁。体壁由三部分组成：表皮细胞层，基膜和角质层。表皮细胞层由一层活细胞组成，它向内分泌形成一层薄膜，叫做基膜，向外分泌形成厚的角质层。角质层除了能防止体内水分蒸发和保护内部构造外，还能与内壁所附着的肌肉共同完成各种运动，跟脊椎动物体内的骨骼有相似的作用，因此被叫做外骨骼。《钢铁侠》中的可穿戴装甲电影《阿凡达》中的机甲战士《未来警察》中的人形装甲电影《特种部队之眼镜蛇的崛起》中的加速装甲外骨骼机器人概念：外骨骼本指昆虫或甲壳类动物身体外表的骨骼，具有支撑和保护作用，而军工企业却因此受到启发，根据仿生学原理，利用特殊材料制成机械化装置套在士兵身体上，以增强士兵的负重、机动和打击能力。一旦佩戴外骨骼机器人，将成为一名“超级”士兵，力量将放大10几倍，可携载更多的武器装备，武器威力增强，防护水平提高，同时可克服任何障碍，高速前进，不会让士兵产生疲劳感。外骨骼机器人的设计要求：1、可穿戴性：外骨骼要具有良好的可穿戴性。不需要经过专业训练即可非常容易、顺利而快速地穿脱。2、可调节性：外骨骼应能适应各种身材的士兵穿着，其长度及宽度方向都应能调节以适应高、矮、胖、瘦不同的士兵。3、相互干扰小：尽量减小对人体数据的测量，减小人与外骨骼的直接接触面，减小之间的相互干扰，从而减小对人体各方面的限制。4、轻巧：要求外骨骼尽量轻巧、舒适，减小总体质量，节省能源。5、鲁棒性：包括以下几个方面：①外骨骼材料要坚固使其能足以负担重物。②各执行机构与控制算法要有好的性能，确保外骨骼各项功能准确、可靠、及时地实现。③机构强度要足以应付士兵的任何战术动作带来的冲击载荷。6、柔顺、舒适性：下肢外骨骼的运动与人腿的运动要具有很好的协调性。其结构、自由度的配置要与人体结构与自由度相匹配。使穿着者感觉柔顺自然，不会有大的干扰，外骨骼脚落地时的冲击要小，尽量让穿着者感觉舒适。7、待机时间：要保证能长时间地提供外骨骼运动的能源供应，能源装置要尽量的轻便，确保士兵长距离行军。8、降低成本：在能够实现功能的情况下尽量降低产品成本。外骨骼机器人的设计结构外骨骼机器人在人的控制下负重行走,人提供思维、判断、决策和控制能力;外骨骼发挥其强劲的承载能力,人机合一,协调合作,共同完成行军、侦察、单兵作战等任务。因此,它包括外骨骼脚、行走跨步的两条腿、实现转身的腰部、托放行李的后背架,以及能量控制单元等部分(右图为下肢外骨骼总体结构)。外骨骼设计结构示意图外骨骼机器机器人系统下肢控制原理：其机械结构由与人类同步行走的两条金属的腿、将重力传递到地面的脚、能够实现转身动作的腰部以及放置重物的后背托架四部分组成，其中包括传感、动力输出装置及执行元件、控制系统以及能源系统等都是实现外骨骼与士兵共同完成负重行军任务所不可缺少的。外骨骼系统工作原理装备外骨骼的士兵在此套系统的帮助下能够轻松实现负重长途行军，跋涉于车辆不易行驶的路面，完成侦察、作战等任务。外骨骼与士兵人机合一，人提供智慧，外骨骼提供承载能力，即所谓的“人在回路中”，充分发挥人与机器各自的优势。外骨骼全身布置了传感器，通过安装在各部位的传感器获得各项数据（包括各种能量及角度以及扭矩等）并传递到中央控制处理器，中央控制处理器经过计算来调整外骨骼的动作，通过驱动装置使其完成与士兵相同的一系列下肢动作。下肢外骨骼工作原理如下图：外骨骼控制方法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（ManinLoop）”，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是使人和机器能够协调地工作。现在世界各国研制的外骨骼机器人控制方法如下：1、操作者控制有些外骨骼中是用于康复中心的，它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。这些装置的命令信号一般来自于健康的肢体。例如，由Yano设计的外骨骼中使用了一个开关和地面反作用力传感器，通过操作者的控制，驱动髋关节运动，改变脚底离开地面的距离。这种方法的缺点是，操作者的上肢只能用来发布命令，而不能进行其他的活动，并且操作者必须连续不停地发布命令，不仅浪费了体力，而且操作者的运动也变得很不自然。2、肌电控制1851年法国科学家Dubois-Reymond首次提出肌肉传感的问题，如今，肌电信号（electromyograms，EMGs）模型已经从线性模型发展到非线性模型，广泛应用到肌电传感器的设计和应用中。Rosen研究了基于EMG信号驱动的手臂外骨骼系统。试验表明操作者可以用很小的力就可以操作外部负载。下肢外骨骼中最成功的应用EMG信号的是日本的HAL，HAL采用EMG信号来辨识人的运动意识，它考虑了人腿具有的粘性特性和弹性特性，基于阻抗控制方法研究了HAL的粘性特性的控制，对肌肉的粘弹性特性进行了深入的分析，使得穿上HAL的操作者运动起来感觉非常舒适。肌电传感有其自身的优点和缺点。传感器每次都要贴到人体表面，使用不方便。3、预编程控制有些外骨骼装置通过预先编好的程序来运行，操作者只能进行有限的干预。下肢运动矫正装置用来帮助瘫痪者恢复运动能力。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。有源步态矫正装置是针对那些腿部受到物理损伤的患者设计的，通过预先编好的程序，控制机械关节模拟正常人的行走步态，带动患者运动，帮助患者进行行走训练的康复装置设计了一些预先编好程序的运动，同时，通过安装在脚底的力传感器来计算应该分配在每个关节上的力矩。Colombo的步态矫正器同样是一个位置控制装置，程序控制参数（如步幅、速度）可以根据患者的不同进行调节。所有这些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，而且现的运动形式也十分有限。4、主从控制主从控制一般用于远程机器人操作系统，目的是令远方的机器模拟操作者的动作。为了能连续不断地捕获人体的运动，操作者必须穿戴一套主外骨骼装置。这种方法的目标是通过反馈，控制机器的关节角度跟踪相应的人体的关节角度。这种控制方法不仅要控制终端的位置和方向，而且要控制整个装置的姿态。Hardiman采用的就是主从控制方法，具有30个自由度，用于增强人的负荷能力。内部的外骨骼是“主”，由操作者控制，为外部的“从”外骨骼提供命令。在主从控制方法中，人必须能从初始位置移动到一个期望的位置才能带动外骨骼运动。因此，必须有两个外骨骼：一个是主外骨骼，穿戴在人身上用于记录人的关节角度和肢体环节的位置和方向；一个是外部的从外骨骼，用来模仿人的运动，同时背负负荷。使得系统的设计变得相当复杂。5、直接力反馈控制在机器人力控制系统中可以采用力传感器的反馈信息将机器与其周围环境之间的力维持在一个预先定义的水平。在外骨骼系统中，操作者和外骨骼之间的力也可以被控制，使操作者不会感受到外骨骼的存在。Kazerooni和Hayashibara分别采用了直接力反馈控制方法来控制用于增强人的举重能力的上肢能量辅助臂。控制的目标不是控制人和机器在接触点上的力达到一个预先设定的值，而是控制人施加在负荷上的力成比例的减小。在这种控制方法中，机器用来承载负荷，人则感受到一个成比例下降的负荷。在力反馈控制方法中，人和机器的所有接触点都必须通过力传感器来测量，但实际上却很难实现，因此，力传感器的安装数量和位置就必须经过仔细验证。例如，传感器的数量必须要大于或者等于外骨骼的最大自由度数。传感器的安装位置应该是人们习惯于感受接触力的部位。6、地面反作用力控制广义的地面反作用力（GRF）控制是一种区别于传统的机器人控制方法的控制策略（作用在一点上的广义力包含作用在这个点上的力和通过这个点作用在环节上的力矩）。从直观上来说，在步态过程中，除了重力之外，GRF是惟一一个作用在人身上的外力和力矩，并且这个广义力是在运动过程中推动系统质心移动的惟一力。这使我们联想到是否可以通过控制外骨骼的GRF来控制外骨骼。由于外骨骼的质量特性与人的质量特性相似，所以如果外骨骼的地面反作用力与人的地面反作用力相似，则外骨骼就可以与人同步行走。应用GRF控制律必须测量人的地面反作用力和外骨骼的地面反作用力。且系统所有的运动特性都需要被测量，并且必须精确的知道人和外骨骼的动态模型，这些都是比较困难的。7、ZMP控制新加坡南洋理工大学采用下肢轨迹跟踪和零力矩点ZMP（ZeroMomentPoint）控制的方法设计了一套下肢能量增强外骨骼。通过在人腿上安装的角度传感器测量人体的位置信号，控制外骨骼的腿跟踪人腿的运动轨迹，然后，通过控制外骨骼的ZMP保持外骨骼的稳定。在行走过程中，只有ZMP的轨迹保持在支撑区域，才能保持步态的稳定。在一个完整的步态中，处于单支撑阶段时，支撑脚的GCP就是外骨骼的ZMP，在双支撑阶段时，ZMP的位置是两个支撑脚的位置的函数。在控制过程中通过测量人的ZMP，作为外骨骼的ZMP的参考输入，控制外骨骼的ZMP跟踪人的ZMP。一旦外骨骼的ZMP的偏离人的ZMP，就通过髋关节处的驱动器，控制外骨骼的躯干对外骨骼的ZMP进行补偿，保持其与人的ZMP的一致。缺点是，必须在人体上安装角度传感器，作为外骨骼的位置参考，使用起来不方便。8、灵敏度放大控制传统的骨骼服机器人需要在操作者和骨骼服之间安置大量的传感器来测量人机之间的交互信息，大大降低了操作者的舒适度。灵敏度放大控制（SensitivityAmplificationControl，SAC）方法则不需要在人机之间安装任何传感器，同时又能控制骨骼服跟随操作者的运动。该方法中，将人施加的力到外骨骼输出的传递函数定义为灵敏度函数，控制的目标就是通过控制器的设计使得该灵敏度函数最大化，则可以实现用很小的力就能改变外骨骼的位置。但是，灵敏度控制方法严格依赖于系统的动态模型，而骨骼服是一个多刚体、多自由度的非线性系统，想要建立其准确的数学模型十分困难。起源：外骨骼机器人的技术起源于美国1966年的哈德曼助力机器人的设想及研发。但是直到今天这项技术仍处于研发阶段，并没有装备军队。其中有些技术还没有完善。例如：能源供给装置以及高度符合人体动作的复杂、敏捷及准确要求的控制系统和力的传递装置等。目前世界各国都在大力研发和试验该项技术。世界各国外骨骼的发展状况勇士-21外骨骼系统，是俄罗斯可穿戴式外骨骼机械作战服。2009年10月27日，俄国防部第3中央研究所所长弗拉基米尔·博伊科宣布，他们将斥资3500万美元在2015年前开发出“勇士-21”可穿戴式外骨骼机械作战服，它能让步兵在携带重物的情况下高速飞奔，在动力耗尽时快速脱下。这将有效提高传统步兵的战斗力，并给俄陆军带来革命性转变。XOS外骨骼系统是SteveJacobsen博士的得意之作，是为了创造出超人的士兵，而由美国国防部高等研究计划局提供了1000万美元的军事研究预算，经过7年秘密研发出来的，代表了机械外骨骼领域最尖端的技术。这项研究在高级研究计划署的资金支持下开始迅速发展。XOS的控制思想同伯克利低位肢体外骨骼(BLEEX)一样，控制系统通过检测系统和微机系统判断人的下个动作，从而决定加给人体多大的助力及速度，并且也是通过液压系统将力传给外骨骼机构，但它是全身武装的外骨骼，利用附在身体上的传感器，可以毫不延迟地反应身体的动作，输出强大的力量。但目前“XOS”有一个重大缺陷，就是XOS还要拖着一条电线才行，而自带的电池只能使用40分钟，如果解决这个问题，相信很快就可以实用化。HULC外骨骼机器人：美国防务巨头洛克希德·马丁公司测试新一代“人类负重外骨骼”（HULC）系统。该系统是一种模仿人体结构特点设计的外穿型机