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丽莎老师讲机器人之几款外骨骼技术方案。
首先介绍增强型外骨骼,再介绍康复类外骨骼。
1 MIT Exoskeleton增强型外骨骼
这是一个美国军方和MIT的合作项目,设计目的是用于增强士兵的运动忍耐力(按照项目名称翻译的)。可以看出这副外骨骼是用来增强人体负重能力的,目标很清晰。并且极具特点的是它只设计了一个主动驱动的关节:臀部驱动器,其他膝关节和脚踝用的是阻尼器和弹簧,也就是说是一个欠驱动的外骨骼方案,这样大大降低了外骨骼的整体质量和复杂度,而且实现了主要设计目标,不得不佩服他们的思路,而且关键指标性能很好。
下面分别从整机设计、驱动器(机构)设计、控制策略等方面介绍和评价一下这款外骨骼机器人。
整机设计方案:
这款机器人设计目的是把人体的负重传递到地面上,系统设计了足够多的自由度保证穿戴者感觉不到太多的机械约束,同时整机设计最小化了末端的质量。唯一的一个臀部动力机构需要在运动时辅助运动者和外骨骼。
系统的每条腿设计了7个自由度,臀部设计了3个,膝关节设计1个,踝关节2个,脚上1个,主动驱动器只有臀部安装了,膝关节安装了阻尼器,踝关节安装了弹簧。比较有特点的是在臀部设计了一个凸轮机构,能够保证在运动时适应人腿和外骨骼的距离变化,这个变化会影响人腿和外骨骼运动的轴心位置,考虑的就很完善。
在与人连接的部分采用了肩带、腰带、大腿捆绑、鞋子固定的方式,这样的连接能让外骨骼被动的跟踪人的腿部运动,另外这款外骨骼是搭配美军Alice背包使用的,这是一款美军的经典背包。
这款背包是自带框架背负系统的,也就是中间的钢管部分。因此只要把钢管部分和外骨骼连接起来,就能把重量直接传递到地面上去。
系统中唯一的一个驱动器的设计方案,使用了RE40电机、减速带、弹簧作为动力输出链路,也就是SEA方案,作为系统中唯一一个动力部件,它的性能设计的很不错,如果固定末端的话力输出带宽可以达到35HZ,如果末端使用质量块测试的话带宽可以达到40HZ。
考虑到人腿平时运动的速度应该在5HZ以内,然后他们增加测试了一个1600N幅值5HZ的跟随性能,可以看出末端稍有超调,其他曲线吻合的很好。
由于高性能的外骨骼必须有高性能的驱动器支持,相信大家肯定都看过Boston动力的机器人大狗,它的机械腿的带宽肯定很高,否则无法实现灵巧的抗摔倒动作(踹不倒的那个响应动作动作)。
MIT的研究者有个非常好的习惯就是从原始研究出发,比如他们在制定策略之前就先研究了人走路的实际情况。即人正常速度走路的时候什么时候需要做正功,什么时候做负功,这样就能给出策略,决定系统什么时候提供能量,什么时候吸收(存储)/消耗能量。
小结:经过测试,证明这套系统可以将90%的负载重量传递到地面,认为这套控制策略也可以用于残疾人的外骨骼控制。
2 Body Extender增强型外骨骼
这种看起来浮夸的东西,其实也蛮有用的,比如在帮飞机挂载导弹,就不用液压推车了,抱起来就可以直接安装,或者还有别的民用用途比如说搬砖z在工地上高强度工作(国外很多建房工程由于很多是house,所以有很多人力需要干的重载工作)。
这是个意大利军方与意大利PERCRO实验室的合作项目,其主要目的就是跟随操作者的运动,并放大操作者的力。下图是这款外骨骼的外观。
整机共计22个自由度,每个自由度有一个直流有刷电机驱动。在人和机器人固连的5个部位安装了5个六维力传感器(手,脚,躯干)来检测人的运动意图,手部爪子部分安装了2个1维力传感器来检测人手期望的输出力。
这款外骨骼设计思路很中规中矩,思路就是用5个6维力传感器来控制机器人的运动,对人力进行放大。在运动稳定性和安全性方面没有考虑太多,因为仅仅靠固连部位的几个力传感器未必能控制人体不倒下。这款外骨骼控制方面基本上就是正常的机器人力控制和运动控制。
3 XoR康复型外骨骼
它的设计很有特点,驱动器采用了混合动力-气动肌肉和电机,其中气动肌肉用于补偿重力,电机用于快速控制。电机力矩小但是响应快,气动肌肉力矩大但是响应慢,两者结合就得到了很棒的阶跃响应曲线。气动肌肉买的是FESTO的商业化产品,电机就是学术界标配maxon RE40。
他的单腿设计分别在膝关节和踝关节安装了气动肌肉。
同时这款机器人采用了多传感器融合的技术,使用了EMG、EEG、NIRS 信号来尝试控制外骨骼,也在系统中安装了IMU(惯性测量单元),足底负载压力传感器。
4 ReWalk-More Than Walking
必须介绍著名的以色列外骨骼公司ReWalk,由Amit Goffer博士主导设计。1997年他因车祸导致四肢瘫痪 ,亲身经历激发出产品灵感,2001年主导成立 ReWalk的前身Argo医疗科技公司。ReWalk在2014年拿到FDA批准,是第一个获得FDA批准的外骨骼机器人产品,ReWalk深耕外骨骼领域十几年,他的发展路径很值得借鉴,即在目前技术有局限的情况下如何让一个外骨骼公司能够盈利。他们采取两种产品线的方式:一种是个人产品,一种是康复产品。下图是ReWalk的康复训练中心。
ReWalk公司最近发布的个人产品是NewReWalk? Personal 6.0,可以让使用者在家和社区使用整天,也可以在户外使用,甚至爬楼梯,并且可结合患者身高等参数定制产品。
而ReWalk?Rehabilitation能够提供康复机器人的功能,由于体积小,能够提供家庭康复和社区康复,同时由于患者先体验过了产品,也能够有助于他们采购个人产品。将外骨骼产品做成全系列的康复产品是个很棒的思路:即用ReWalk? Rehabilitation先做康复,然后用ReWalk? Personal作为后续销售给个人的,能够拓展活动范围的外骨骼产品。这种康复训练中心就有了体验店的感觉。
引用Dr. Goffer来评价产品:ReWalk能够完全的被使用者操控,无论是站立、行走、坐下,机器人能够清晰的执行指令(即完全的可操控性,Jose L. Pons提出的观点)。ReWalk高管Jeff Dykan从另外一个角度阐述了ReWalk的重要性:从此那些轮椅上的人能够站起来走路,能够平等的看着其他人,能够拥抱别人也被别人拥抱。
这就是情怀啊,一个伟大的公司必须有切实有用并且被认可的情怀。