论文部分内容阅读
【摘 要】外骨骼机器人实质上是一种可穿戴机器人，它将人的智能与外部机械动力装置的机械能量结合在一起，它可以辅助人承受负载，可以给人提供额外的动力或能力，增强人体机能。无线控制型外骨骼机器人是外骨骼机器人一种，它以Arduino为控制核心，通过无线模块来传输控制信号，从而将人的灵活控制能力传递给智能机器人，应用于人类不能直接到达且控制极为复杂的机器人领域。
【关键词】机器人；外骨骼；无线；控制型；勘察救灾；能量辅助；发展趋势
0.引言
外骨骼技术是人类迫切希望提升个体能力的产物，它源于生物学中的外骨骼概念，如软体动物的介壳，虾、蟹等的甲壳等。人类受此启发便开始了人体机械外骨骼的仿生学研究，并逐步研制出了外骨骼机器人。外骨骼机器人就是一种人工外骨骼，也是一种机械结构，穿戴在操作者的身体外部，为操作者提供了诸如保护、身体支撑等功能，同时又融合了传感、控制、驱动、信息融合等机器人技术，使得外骨骼能够在操作者的控制下完成一定的功能和任务。外骨骼机器人的的研究最早始于20世纪60年代，1966年美国通用公司提出了哈德曼助力机器人的设想，该装置主要采用电机驱动控制，可以轻而易举的举起几十千克的重物。目前，外骨骼机器人系统大致可以分为两类，一类是控制型，一类是增力型。本文研究的是控制型外骨骼机器人，控制型外骨骼主要将人的灵活控制能力传递给智能机器人，应用于人类不能直接到达且控制极为复杂的机器人控制领域，例如：对核反应堆的操作，对空间机器人的人机耦合控制，对深海机器人的控制等极端环境下的控制等，具有很好的发展前景。
1.背景
外骨骼技术研制始于1960年的美国，最早的研究成果是美国通用公司研发的Hardiman外骨骼系统，其主要采用电机驱动控制，可以轻易举起重物。虽然由于科技的限制，Hardiman的研究最终停止，但是它对后来外骨骼系统技术的研究与发展起到了重要的指导作用。
2.外骨骼机器人现状
美国伯克利大学军方合作项目-外骨骼助力机器人士兵服，该装置名为伯克利低位肢体外骨骼，是高级防御研究工程机构设计出来的，尝试将自动机械支柱与人的双腿相连，以降低负重，从而使步兵能够在负载更重的情况下行进更长的路程。这套设备主要由燃料供给及发动机系统、控制及检测系统、液压传动系统及外骨骼机构，使用这种装置的人要通过传动带将自身的腿与机械外骨骼的腿相连，背上要背一个装有发动机、控制系统的大背包，背包中同时还留有承载有效載荷的空间。
日本外骨骼机器人HAL3它由筑波大学研发，功能为：帮助人行走、起立、坐下等下肢动作的动力辅助机器“机器人套装”HAL（Habrid Assist Legs），该机器人主要由无线LAN（局域网）系统、电池组、电机及减速器、传感器（地板反应力传感器、表面肌电传感器、角度传感器）、执行机构等组成，总重约17千克，设备较重，动力传动采用电机-减速器-外骨骼机构的方法。能够根据人体的动作意愿自动调整装置的助力大小。市场规划：将主要面向高龄护理、残疾人辅助、消防及警察等危险作业的用途，并且加强运动娱乐用途市场的开发力度，将针对各种用途进行HAL的设计生产。
无线控制型外骨骼机器人包括一个外骨骼动作捕捉衣和一台仿人机器人，是一种新型的外骨骼式主从机器人无线操作系统，主要应用于极限环境下的场合作业，例如核能、海洋、空间、防灾、扫雷以及航空航天等。
目前，国内外现有的搜救机器人、扫雷机器人和太空机器人等应用于极限环境作业的机器人大多都存在通用性差和操作复杂等问题。增加机器人的自由度，是解决通用性问题的有效途径，但仅仅采用现有的摇杆和按键的控制方式已经无法满足多自由度机器人的控制要求。因此，无线控制型外骨骼机器人将是解决以上两个问题的最佳选择，它是一种可以实时跟随人体肢体运动的多自由度仿人机器人系统。无线控制型外骨骼式主从机器人系统，利用一套束缚在人的身体上的连杆式的外骨骼动作捕风衣，可以使穿戴者的肢体动作在多自由度机器人身上实时再现出来。这种控制方式具有同步性强，操作者更接近于直接作业形态和操控简便等优点，是一种可行的解决当前问题的有效方案。
无线控制型外骨骼机器人是包括单元和从控单元两个部分。操控者需穿戴外骨骼动作捕捉衣，即主控单元，能实现实时主控采集人体肢体多个关节运动信息的功能。仿人机器人，即从控单元，具有多个自由度，装有人体姿态采集系统，能实现实时跟随主控单元运动的功能。主控单元与从控单元通过无线Arduino控制技术相互通信。操作者穿戴外骨骼动作捕捉衣后，采集人体动作信息，并传递给机器人。机器人接收到信息后，执行还原人体动作操作，并将动作通过视觉系统进行反馈。操作者得到反馈信息后，进行相应的动作修正操作。实验表明，无线控制型外骨骼主从式机器人系统可以成功的跟随人体肢体运动，延迟时间在300ms以内。同时该系统的机器人和操作者之间的运动动作相似度较高，在舞刀、拿东西、传递物品和拆弹等实际操作实验中，系统展现出了较高的精准度和灵活性。
3.发展趋势分析
无线控制型外骨骼机器人技术涉及到机械、电子、控制、计算机、传感器等学科领域，是多种高薪科技的集成。随着科技的不断创新与进步，无线控制型外骨骼系统的智能化、人机耦合、模块化和微机化的程度也越来越高，功能也越来越强大。
无线控制型外骨骼机器人的智能化，它是一种和人紧密联系的人机结合的机械动力系统，其中运用了大量的各种传感器。随着传感器技术的不断创新，外骨骼系统对外界环境的感知判断能力和对操作者动作意识的判断将会更加快速、准确，使其智能化水平进一步提供。
无线控制型外骨骼机器人的人机耦合技术，人机耦合技术是实现人机智能系统的关键技术之一。人机耦合技术的发展，将会使人机配合更加准确密切，有利于操作者顺利方便地完成动作。
无线控制型外骨骼机器人的模块化，目前几乎所有外骨骼系统都采取模块化设计理念，通过采用这种方法，设计者可以在各个不同时代，运用当时最新的科技针对某个功能模块而不是整体进行重新设计和升级。
无线控制型外骨骼机器人的微型化，现在正在研制和开发的外骨骼系统都比较庞大笨重，不利于操作和携带。借助于计算机和传感器等技术越来越小型化，未来的外骨骼系统也会趋向微型化。
4.结论
无线控制型外骨骼机器人是一个复杂的人机耦合的一体化系统。有着很广泛的应用范围：勘察救灾、航空航天、扫雷等等。无线控制型外骨骼技术在国际上发展迅速，而在我国还处于起步阶段，急需开展先期的基础研究工作，解决一批关键技术，以迅速开发成熟的产品，跟上国际发展步伐。本文对已有的无线控制型外骨骼机器人的发展趋势和控制技术进行了分析，为广大研究者提供参考。
【参考文献】
[1]蔡兆云，肖湘江等.外骨骼机器人技术研究综述国防科技尖端科技，2007.12.
[2]张佳帆等.基于柔性外骨骼人机智能系统基础理论及应用技术研究[D].杭州，浙江大学，2009.
[3]杨智勇等.外骨骼机器人控制方法综述[J].海军航空工程学院学报，2009.
[4]归丽华，李晓明等.可穿戴型助力机器人技术研究[D].合肥：中国科学技术大学，2007.
[5]张令瑜，王岚，等.基于多传感器的实时步态检测研究[J].哈尔滨工程大学学报，2007（02）.
【关键词】机器人；外骨骼；无线；控制型；勘察救灾；能量辅助；发展趋势
0.引言
外骨骼技术是人类迫切希望提升个体能力的产物，它源于生物学中的外骨骼概念，如软体动物的介壳，虾、蟹等的甲壳等。人类受此启发便开始了人体机械外骨骼的仿生学研究，并逐步研制出了外骨骼机器人。外骨骼机器人就是一种人工外骨骼，也是一种机械结构，穿戴在操作者的身体外部，为操作者提供了诸如保护、身体支撑等功能，同时又融合了传感、控制、驱动、信息融合等机器人技术，使得外骨骼能够在操作者的控制下完成一定的功能和任务。外骨骼机器人的的研究最早始于20世纪60年代，1966年美国通用公司提出了哈德曼助力机器人的设想，该装置主要采用电机驱动控制，可以轻而易举的举起几十千克的重物。目前，外骨骼机器人系统大致可以分为两类，一类是控制型，一类是增力型。本文研究的是控制型外骨骼机器人，控制型外骨骼主要将人的灵活控制能力传递给智能机器人，应用于人类不能直接到达且控制极为复杂的机器人控制领域，例如：对核反应堆的操作，对空间机器人的人机耦合控制，对深海机器人的控制等极端环境下的控制等，具有很好的发展前景。
1.背景
外骨骼技术研制始于1960年的美国，最早的研究成果是美国通用公司研发的Hardiman外骨骼系统，其主要采用电机驱动控制，可以轻易举起重物。虽然由于科技的限制，Hardiman的研究最终停止，但是它对后来外骨骼系统技术的研究与发展起到了重要的指导作用。
2.外骨骼机器人现状
美国伯克利大学军方合作项目-外骨骼助力机器人士兵服，该装置名为伯克利低位肢体外骨骼，是高级防御研究工程机构设计出来的，尝试将自动机械支柱与人的双腿相连，以降低负重，从而使步兵能够在负载更重的情况下行进更长的路程。这套设备主要由燃料供给及发动机系统、控制及检测系统、液压传动系统及外骨骼机构，使用这种装置的人要通过传动带将自身的腿与机械外骨骼的腿相连，背上要背一个装有发动机、控制系统的大背包，背包中同时还留有承载有效載荷的空间。
日本外骨骼机器人HAL3它由筑波大学研发，功能为：帮助人行走、起立、坐下等下肢动作的动力辅助机器“机器人套装”HAL（Habrid Assist Legs），该机器人主要由无线LAN（局域网）系统、电池组、电机及减速器、传感器（地板反应力传感器、表面肌电传感器、角度传感器）、执行机构等组成，总重约17千克，设备较重，动力传动采用电机-减速器-外骨骼机构的方法。能够根据人体的动作意愿自动调整装置的助力大小。市场规划：将主要面向高龄护理、残疾人辅助、消防及警察等危险作业的用途，并且加强运动娱乐用途市场的开发力度，将针对各种用途进行HAL的设计生产。
无线控制型外骨骼机器人包括一个外骨骼动作捕捉衣和一台仿人机器人，是一种新型的外骨骼式主从机器人无线操作系统，主要应用于极限环境下的场合作业，例如核能、海洋、空间、防灾、扫雷以及航空航天等。
目前，国内外现有的搜救机器人、扫雷机器人和太空机器人等应用于极限环境作业的机器人大多都存在通用性差和操作复杂等问题。增加机器人的自由度，是解决通用性问题的有效途径，但仅仅采用现有的摇杆和按键的控制方式已经无法满足多自由度机器人的控制要求。因此，无线控制型外骨骼机器人将是解决以上两个问题的最佳选择，它是一种可以实时跟随人体肢体运动的多自由度仿人机器人系统。无线控制型外骨骼式主从机器人系统，利用一套束缚在人的身体上的连杆式的外骨骼动作捕风衣，可以使穿戴者的肢体动作在多自由度机器人身上实时再现出来。这种控制方式具有同步性强，操作者更接近于直接作业形态和操控简便等优点，是一种可行的解决当前问题的有效方案。
无线控制型外骨骼机器人是包括单元和从控单元两个部分。操控者需穿戴外骨骼动作捕捉衣，即主控单元，能实现实时主控采集人体肢体多个关节运动信息的功能。仿人机器人，即从控单元，具有多个自由度，装有人体姿态采集系统，能实现实时跟随主控单元运动的功能。主控单元与从控单元通过无线Arduino控制技术相互通信。操作者穿戴外骨骼动作捕捉衣后，采集人体动作信息，并传递给机器人。机器人接收到信息后，执行还原人体动作操作，并将动作通过视觉系统进行反馈。操作者得到反馈信息后，进行相应的动作修正操作。实验表明，无线控制型外骨骼主从式机器人系统可以成功的跟随人体肢体运动，延迟时间在300ms以内。同时该系统的机器人和操作者之间的运动动作相似度较高，在舞刀、拿东西、传递物品和拆弹等实际操作实验中，系统展现出了较高的精准度和灵活性。
3.发展趋势分析
无线控制型外骨骼机器人技术涉及到机械、电子、控制、计算机、传感器等学科领域，是多种高薪科技的集成。随着科技的不断创新与进步，无线控制型外骨骼系统的智能化、人机耦合、模块化和微机化的程度也越来越高，功能也越来越强大。
无线控制型外骨骼机器人的智能化，它是一种和人紧密联系的人机结合的机械动力系统，其中运用了大量的各种传感器。随着传感器技术的不断创新，外骨骼系统对外界环境的感知判断能力和对操作者动作意识的判断将会更加快速、准确，使其智能化水平进一步提供。
无线控制型外骨骼机器人的人机耦合技术，人机耦合技术是实现人机智能系统的关键技术之一。人机耦合技术的发展，将会使人机配合更加准确密切，有利于操作者顺利方便地完成动作。
无线控制型外骨骼机器人的模块化，目前几乎所有外骨骼系统都采取模块化设计理念，通过采用这种方法，设计者可以在各个不同时代，运用当时最新的科技针对某个功能模块而不是整体进行重新设计和升级。
无线控制型外骨骼机器人的微型化，现在正在研制和开发的外骨骼系统都比较庞大笨重，不利于操作和携带。借助于计算机和传感器等技术越来越小型化，未来的外骨骼系统也会趋向微型化。
4.结论
无线控制型外骨骼机器人是一个复杂的人机耦合的一体化系统。有着很广泛的应用范围：勘察救灾、航空航天、扫雷等等。无线控制型外骨骼技术在国际上发展迅速，而在我国还处于起步阶段，急需开展先期的基础研究工作，解决一批关键技术，以迅速开发成熟的产品，跟上国际发展步伐。本文对已有的无线控制型外骨骼机器人的发展趋势和控制技术进行了分析，为广大研究者提供参考。
【参考文献】
[1]蔡兆云，肖湘江等.外骨骼机器人技术研究综述国防科技尖端科技，2007.12.
[2]张佳帆等.基于柔性外骨骼人机智能系统基础理论及应用技术研究[D].杭州，浙江大学，2009.
[3]杨智勇等.外骨骼机器人控制方法综述[J].海军航空工程学院学报，2009.
[4]归丽华，李晓明等.可穿戴型助力机器人技术研究[D].合肥：中国科学技术大学，2007.
[5]张令瑜，王岚，等.基于多传感器的实时步态检测研究[J].哈尔滨工程大学学报，2007（02）.