动力助力机械的发展文献翻译.doc

东 北 电 力 大 学 本 科 外 文 翻 译动力助力机械的发展development of power assisting suit动力助力机械的发展Keijiro YAMAMOTO*,Mineo ISHII*,Kazuhito HYODO*,Toshihiro YOSHIMITSU*And Takash MATSUO*摘要：为了设计一个可穿戴的动力助力机械帮护士搬运病人,这个动力和控制系统必须都要小型化,并且他们一定要无线无管道.新的可穿戴机械由肩、手臂、后背、腰和腿等单元组成。这些部位要和护士的身体配合。手臂、腰和腿安装有新的气动旋转驱动器直接由便携式镍-镉电池供电的微空气泵驱动。肌肉的力量通过一个新的使用传感尖端力传感膜设备的肌肉硬度传感器检测。一个嵌入式微机用于控制控制信号的计算。新的可穿戴机械被用在人体和一系列的运动试验中，包括举起和放下重物。每个单元都会直接传送助力扭矩到每个关节以验证它的实用性。关键词： 人机界面、控制装置、测量、动力协助机械、可穿戴、直接驱动气动执行机构、微型空气泵、嵌入式微机、主机及从机系统一体化、肌肉硬度传感器1、引言福利机能够满足老年人的需求，它的发展对于中国人口老龄化是个很重要的工程。关于搬运病人的机器人的研究最早开始于1970年，MEL-Kong是个具有代表性的例子。一个基于主从机控制系统的行动机器人Nurcy被研发出来。然而机器人的效率不高。近年来,致力于解决这个问题的研究已经启动.能够支撑病人运动的装置和能够手动搬运病人的装置结构被提出.这种设备目的在于减少护理人员腰部的负担.我们用橡胶管执行机构做动力臂,然后做能够被护士穿戴的腰部和腿部的机械装置.接着,我们开发一个由同心圆框轨道组成的气动旋转驱动器,这个使用旋转驱动器的助力机械会高质量的,流畅的,平稳的完成搬运工作,但是,他有固体摩擦和重量较重的缺点.为了克服这些缺点,我们使用了利用压力袖口的新的气动旋转驱动器.为了实现一个助力机械让护士在搬运病人上下时能够顺利的平稳的进行手臂，腰部和腿部运动,需要能够协调手臂、腰和腿的必要的协助检测系统。一开始，为了检测手臂、腰和腿的运动，传感器采用导电橡胶或者压电装置，放到单元和肌肉之间。然后，我们提出一个新的检测肌肉力量的方式，通过观察肌肉的硬度。由橡胶膜片上接触投影组成的新型的肌肉硬度检测传感器被开发出来。但是，这个新的肌肉传感器对肌肉的温度比较敏感。为了克服这个缺点，我们用电桥似的肌肉硬度传感器。为了实现这个可穿戴的助力机械，需要大量的小型化电源和控制系统。在本次研究中，电源和控制系统都是小型化的，即空气源和管道被微型空气泵代替，电源和电线被镍-镉电池取代，并且使用了嵌入式的微机。在这个论文中，我们给出了这个新的助力机械的设计和特点，并且证明了他被实际应用的可能性。2、助力机械助力机械的基本设计概念由四点组成，如下：1） 绝对安全系统。即，这个安全系统必须时刻为紧急情况做准备。这通过护士身上的可控装置来保证，助力系统由主从系统组成。除此之外，当电源断掉，空气泵和排气阀阻止气体从执行机构排出，机械保持原态。2） 在装置的前端没有机械部件。这样可以使护士在搬运病人的时候可以用手和胸直接和病人接触，这样可以增强病人和护士之间的熟悉感。3） 柔性接头。通过使用压力袖口气动旋转驱动器来实现。在关节处使用气动驱动器能够给护士的手臂、腰和腿舒适的感觉。4） 助力和必要的力量结合起来，使关节能够弯曲和伸展。这一项，通过检测驱动关节施加在肌肉上的力来实现。通过这个感应系统，手臂、腰和腿部的机械部件的流畅运动会成为可能。除此之外，作为一个备份和故障安全系统，为了实现某个运动的必要的关节转矩需要从静态人体关节角度的力学方程推导出来。设计的可穿戴的助力机械的架构如图1.助力机械由动力臂、腰和腿组成。肘关节、腰和膝关节通过由镍-镉电池供电的微型气泵驱动气动旋转驱动器来实现转动。一个嵌入式的微机和PWM线路安装在背面。手提的镍镉电池固定在腿部。这些单元都用铝合金制作。当护士直立时，机械的全部重量有腿部单元支撑，当护士弯曲腰或者膝盖时，腰和手臂单元的重量由驱动器支撑。助力机械的传感器和控制系统如图2.护士的手臂、腰和腿部发力时，会被安装在护士上臂，大腿和背部的肌肉硬度传感器检测到。传感器的输出信号被输入到嵌入式微机中。嵌入式微机通过静态人体力学方程计算出实现关节扭转角度的必须的关节转矩，之后计算出的转矩和肌肉传感器输出信号一起作为控制信号输入到PWM驱动电路中。然后气泵按照关节需要的力矩向袖口提供气体。3、肌肉硬度传感器我们开发了一种新型的肌肉传感器感应肌肉硬度，这相当于在肌肉中产生的力量。如图3。肌肉传感器由在力传感膜设备上形成的天然橡胶做成的接触投影组成，并且这个投影是贴在肌肉上的，当力传感膜薄膜器件的电阻由于投影凹陷变化时，肌肉硬度就可以被测出来。4、气动旋转驱动器在手肘，膝关节和腰部处的气动旋转驱动器如图4.这些旋转驱动器由在两个薄片之间压力气囊组成，薄板腰部关节的一端连接在执行机构上，这些薄板延伸开，产生扭矩，然后驱动器产生旋转运动。在这个情况中，手肘和膝关节的末端是蜿蜒地连接在一起的。当向这些压力袖口提供给气压时，这些薄片会向圆弧一样延伸开，这样驱动器就产生了旋转运动。膝关节的驱动器有许多的袖口，这样，当护士伸腿事腿部单元的气体就会不足。为了弥补这个缺点，在薄板之间安装钢板弹簧，这样弹簧中的储存的能量就会释放帮助伸展腿部。这些压力袖口直接由微型空气泵驱动，气体通过微型电磁阀排出。在这个部分用到了两个手提镍镉电池（12v，直径30mm，长300mm）。5、助力手部单元手部结构如图5.肩部有两个关节，一个前后摆动，一个左右摆动。和假肢相像，肘单元有两个旋转轴，这样这部分就能随着手臂的弯曲进行弯曲了。肌肉传感器安装于护士的上臂，当护士举起他的手臂时候，他的上臂的肌肉硬度增加，传感器的输出信号增加。输出信号的增加转化成为空气泵的电压的增加，通过计算机和PWM驱动电路的出气阀流量减少，这样，供气量就增加了。接着，旋转驱动器产生额外的扭矩驱动手肘关节并且帮助提升护士的手臂。6、助力腰部单元腰部单元的机构如图6.旋转驱动器产生的力被传送到对应的躯体上。一个肌肉传感器放在护士的背部。当护士直立时候，背部肌肉硬度增加，并且传感器输出的信号增加。输出信号的增加转化为空气泵的电压增加，并且流经计算机和PWM驱动电路的排气阀的流量减少，这样，供应的气体增加。然后，旋转驱动器产生的额外扭矩驱动这部分帮助护士直立。7、助力机械腿部单元助力机械腿部单元结构如图7.驱动器的钢板弹簧弥补了在伸腿是空气不足导致乏力的缺点。肌肉传感器安装在护士大腿部分。当护士伸腿时，腿部肌肉硬度增加，这样输出信号增加。增加的信号被放大并且使空气阀的电压增大，排气阀流量减少，从而增加空气供应。增加的空气流量产生的额外扭矩帮助伸腿。8、实验结果8.1肌肉硬度传感器肌肉硬度传感器在手臂、腰和腿部的肌肉屈伸运动中的特性如图8.肌肉传感器的输出电压是力-电转换器的输出电压。零度对应的手臂、腰和腿部完全伸展时的状态。负载由两个手部的杠铃提供。用在护士肱二头肌上的肌肉传感器的输出信号与肘关节弯曲的角度成比例。通过对轻重负载的滞后性比较得出了对重负载有的足够的敏感度的结论。另一方面，用在护士腰部的竖脊肌上的传感器输出的信号显示了与腰部弯曲角度的线性关系，并且带有明显的盲区和对轻负载的滞后性。输出信号显示出了对重负载的明显的敏感度。用在护士大腿部的肌肉传感器输出的信号显示与膝关节弯曲角度呈现线性关系。输出信号对重负载敏感度高。这些特点显示了肌肉传感器的可用性，因为在重负载时滞后性较小并且可以被计算机软件线性平衡掉。8.2旋转驱动器图表9显示了在这些传感器被安装在各自单元里的手肘、手腕和膝盖驱动器的输出转矩和压力特点。输出扭矩通过在于各单位的运动成直角作为力臂的弹簧秤测出。零度的关节角度对应的是袖口崩溃的状况。相互的关系为带有滞后性的线性关系。肘关节和膝关节的旋转驱动器有同样的特征。驱动器的转化率主要依靠关节的转角。这是由于驱动器本身的结构特点，即这些薄板在尾部蜿蜒地连接方式，所以这些薄片延伸成为一个弧。然而，另一方面，由于腰部的驱动器结构，薄片在一端被连成一体，所以看起来很有趣。8.3运行特点运行特点大部分都是通过应用助力机械穿戴在人身上，将30公斤的物体举起放下来测量的，即模拟搬运病人。每个单元所需要的助力转矩被设定为举重物时的计算关节扭矩的一半加上与肌肉硬度传感器输出相对应的额外扭矩。额外转矩被限制在按照静态学人体力学计算扭矩的正负20%内。PID控制被用于控制袖口的压力。8.3.1助力机械手臂单元手臂单元的操作特性如图10.在这个图表中，驱动器的供给压力，肌肉传感器的输出电压和肘关节的旋转角度之间的关系能够表示出来。零度对应的是肘关节的完全展开。正如图表所展示的那样，手臂肌肉的硬度可以被传感器检测出来，这样，驱动器的供给压力可以根据必要的转矩改变，并且手臂单元的肘关节可以平滑的跟随人手臂的上下运动。谈到手肘执行机构的特点，据估计，手臂单元产生的最大的扭矩在10牛顿*米左右。这个数值大约是通过人体力学估算出的必要转矩22牛顿*米的一半。8.3.2助力机械腰部单元助力机械的腰部单元的操作特性如图11.零度对应腰部完全展开。驱动腰部的背肌的硬度可以被肌肉传感器检测出来。然后根据必要的扭矩，支撑动力改变，腰部单元关节随着人体腰部的运动平滑的转动。据估计,腰部单元能够产生的最大扭矩在30牛顿*米左右.这个数值大约在由通过人体力学估算出来的必要转矩65牛顿*米的一半左右.8.3.3助力机械腿部单元腿部单元的运动特性如图12.零度与膝盖完全伸展相对应.腿部肌肉的硬度可以被安装在腿前部的肌肉传感器检测出来.尽管提供的压力不能在伸腿时随着肌肉传感器的输出电压改变,但是腿部单元的关节可以随着护士的腿弯曲和伸展平滑的转动.这是由于弹簧钢板有储存的能量.因为空气泵不能弥补由于在伸展腿部时压力袖口膨胀导致的吸附效应造成的空气供应不足的缺点,所以在膝关节伸展开时,会导致提供的气压不足.相关的腿部驱动器的特点,据估计,能够提供的最大扭矩是大约45牛顿*米.这个数值大约是由身体力学估计出的必要扭矩80牛顿*米的一半.9.结语一款新的可穿戴助力机械通过使动力供应系统与控制系统的小型化被开发出来了.其中,动力供应系统通过开发一种以由可携带式镍-镉电池供电的微型空气泵驱动的一个新型的气动旋转驱动器实现了小型化.控制系统通过使用嵌入式微机实现了小型化.新开发出来的可穿戴助力机械几乎都是通过安装在人体上,并且做了一系列的实验得到的,实验的内容是在手臂上搬运30公斤的重物,做举起和放下的动作.可穿戴机械的每个单元都可以直接传递助力扭矩到任何一个关节,以此来验证它的实用性.现在,我们还需要改善的有以下几个问题:1) 减低由许多具有足够强度的零件组成的机械结构的重量.2) 被用来填充薄板和袖口之间空间用来提高线性度的驱动器.3) 用来弥补腿部单元供气不足缺点的高功率空气泵.4) 能够使机械转弯和跪下来的移动机制.5) 能够给肩部关节提供动力扭矩的肩部动力协助单元.参考文献略.假肢,外骨骼和康复摘要：在不久的将来,对辅助机器人设备的需求会增加.在20世纪50年代,只有世界4.9%的人口年龄在65岁以上.现在,几乎有20%人口超过了65岁,并且这个数据到2050年预计会超过35%.世界人口的机构变化对将来的身体健康伴随着年龄问题会产生很大的负担.机器人方案将会帮助解决这些问题,并且使老年人重拾他们独立生活和实现丰富和充满意义的生活方式.机器人工程的意义不仅仅局限于人体健康方面.应用这些技术在军事方面,可以使战士们搬运更多的物资并且走的更远.然而,现在战争的方式对机器人又提出除了额外的需要:当死亡人数显著减少,6%的受伤战士需要截肢,20%的受伤战士在他们的余生里需要永久的照顾.机器人系统在援助和复原方面注重于提供失去的运动部分,感觉,创造更安全的环境,并且提供更简单更快速的回复运动的能力.假肢和外骨骼将提供灵活的运动和截肢或瘫痪肢体的触觉.个别承受髋关节或者膝关节痛苦的人可以使用智能助行器或者轮椅以帮助他们避免滑到这样的一般的事故.最后,机械复原治疗不仅仅提供连贯并且有效地治疗,而且他还有超越医生能力的提高治愈机会的可能性.当这一领域发展到顶峰的时候,对社会的帮助将会是巨大的.我们将有可能用假肢完全的代替肢体,并且精确地复制人体的生物功能,投射出自然地外观并且需要最小的维护.在一个安全和智能的机器复原单元的帮助下,患者可以更快速的恢复并且能够自然地,没有抗拒感觉的重复锻炼并且不用住院.这些既不是梦也不是说大话,而是我们奋斗的目标.然而,这些目标不解决掉摆在面前的技术困难是不能实现的.作为一个机器人研究团体,许多在假肢领域的挑战性问题都和其他的人机领域有共同之处:动力,尺寸,重量和安全性.当使用者是残疾或者老年人的时候,这些挑战就会更加的严俊.此外摆在面前的最大的最独特的挑战就是要和神经科,运动学紧密联系起来,和临床医学紧密联系起来,这样,更多的自然控制就能够实现了.所有面向于机器人方案的努力都会被应用于医疗实践.参考文献：略