外骨骼助力机器人多维力传感器设计与分析

0 前言

    外骨骼机器人是一种扩展四肢运动能力的助力装置，通过人体运动行为意识控制机器人各关节角度、速度值，达到机器人与人体的协调运动并提供助力，降低人在负重或长时间行走情况下的运动能力，广泛应用于科研、工业生产、太空或深海探索、娱乐、运动康复和日常生活中。近几年来国内外相关领域的技术研究和相关产品开发表明，柔性外骨骼人机智能系统具有极大的基础科学研究意义和应用前景。在国外,典型的代表包括：日本筑波大学(Tsukuba University)研制开发了机器人装混合助力腿(hybrid assistive limb，HAL)，机械外骨骼绑缚在手臂和腿的两侧，利用贴在腿部皮肤上的EMG传感器检测肌肉的电流，控制电动马达驱动机械外骨骼运动以辅助腿部的动作；美国加州大学伯克利分校机器人和人体工程实验室研制出美军“伯克利下肢外骨骼”(Berkeley lower extremity exoskeleton，BLE—EX)，机械系统采用了与类人形结构相似的设计，背包式外架能够使操纵者携带一定载荷，其有效作用力不经过穿戴者而直接经由外骨骼传至地面；洛克希德?马丁公司推出的“人类负重外骨骼”（简称HULC），是一种能够通过提供外力来满足士兵对机动性和支撑性需要的机器人技术装备。HULC模仿人体结构特点设计的外穿型机械骨骼，内部配备有液压传动装置和可像关节一样弯曲的结构设计，不但能够直立行进，还可完成下蹲和匍匐等多种相对复杂的动作；代表外骨骼机器人最高水平的是美国雷神公司最新版的Sarcos XOS2军用外骨骼机器人，该机器人能将操作者的能力将大幅强化提升，搬运炮弹，为军机加挂弹药等，适用于进行繁重体力劳动的后勤部队。国内一些机器人研究机构和部分高等院校相继开展了外骨骼助力机器人的研究工作,如中国科技技术大学、浙江大学和西北工业大学等都在外骨骼助力机器人方面做了大量的工作。

    本文结合外骨骼助力机器人足部特征，设计一种新型的用于获取人体下肢和机器人外骨骼之间的接触力的传感器，给出一种适合机器人多维力传感器结构及其工作原理，并运用有限元分析方法对传感器弹性体进行静态、动态特性分析，探讨了该弹性体结构与尺寸的合理性。

1 工作原理

    1.1 外骨骼助力机器人工作原理

    外骨骼助力机器人由动力部分，控制部分，检测部分等构成。动力部分是由伺服电机驱动液压泵来为机器人腿的驱动器提供高压液压油，液压缸驱动器来提供各个关节的动力。执行器的高压液压缸由两个伺服阀调节，同时，每个驱动器都有一个传感器来反馈关节位置和力量大小；控制部分采用嵌入式系统控制机器人的行为，处理传感器反馈的信息,并管理与远程操作者的沟通。机器人的惯性传感器测量身体的加速度和位置，而关节力传感器测量动作和执行器工作时在关节处的力量。

    1.2 测力原理

    外骨骼助力机器人通过与人肢体运动关节紧密地物理耦合，可实现与操作者肢体作为一个整体的协调运动的高度自动化的人机系统。系统要实时地获得使用者的运动趋势和运动。由于受到空间的限制，采用传统的运动图像采集或光电运动检测系统难以满足测量要求。肌电信号检测受表面电极放置位置、皮下脂肪厚度、体温变化以及人体汗液等不确定因素的影响，人往往会对环境信息感知不全，有时还会出现明显偏差和失误。为了弥补以上的不足，利用智能传感器对人的感知进行补充，辅助人进行控制。因此，本文设计一种新型的外骨骼助力机器人传感器，该传感器用于获取人体下肢和机器人外骨骼之间的接触力，利用这些力信息和关节角度信息控制机器人外骨骼以实现对人体下肢运动的助力。

    二维力传感器是用于测量机器人外骨骼和人体之间的接触力大小的传感器，其测量的准确性和稳定性对助力机器人的控制有重要的意义。腿部力传感器主要是由2个二维力传感器组成，用于测量人体大、小腿与机器人外骨骼之间的接触力，该接触力包括沿人体腿部的力(X方向)和垂直腿部的力(Y方向)。弹性体的设计是多维传感器设计中的关键。本文在利用有限元分析方法对传感器弹性体的静态和动态特性仿真分析的基础上，设计一种基于E型膜片的弹性体结构，这种结构的传感器具有结构简单、灵敏度高、维间耦合小、容易标定的特点。

    图1 外骨骼机器人下肢力测量示意图 

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