1 外骨骼機(jī)器人應(yīng)用需求

　　通俗來講，外骨骼機(jī)器人是一種人類可穿戴的增強(qiáng)設(shè) 備，可以增強(qiáng)人類穿戴者的身體能力。通過智能控制將人類 的智慧創(chuàng)造與機(jī)器的高強(qiáng)度耐久性相結(jié)合，創(chuàng)造出適用于多 種領(lǐng)域的外骨骼機(jī)器人，例如用于醫(yī)學(xué)康復(fù)、運(yùn)動(dòng)輔助或者 工業(yè)搬運(yùn)當(dāng)中。

　　開發(fā)實(shí)用且性價(jià)比高的外骨骼機(jī)器人是一項(xiàng)令人興奮的 技術(shù)挑戰(zhàn)。自20世紀(jì)90年代以來諸多機(jī)器人先驅(qū)者一直在積 極研究這項(xiàng)技術(shù)，現(xiàn)在來跟隨Celera Motion賽洛拉一起， 來了解我們的精密運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品是如何助力于外骨骼機(jī)器人 應(yīng)用。

　　在外骨骼機(jī)器人的所有組件中，我們認(rèn)為伺服驅(qū)動(dòng)器是 最重要的，  如果我們比作電機(jī)是外骨骼機(jī)器人的肌肉組織， 那么伺服驅(qū)動(dòng)器就是機(jī)器人的“大腦”，  因此，伺服驅(qū)動(dòng)負(fù) 責(zé)整套機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。伺服驅(qū)動(dòng)通過諸多反饋傳感器， 接收到位置、速度或電流的指令信號(hào)，相應(yīng)地調(diào)整施加到電 機(jī)的電壓和電流，確保外骨骼機(jī)器人整套系統(tǒng)的精密運(yùn)動(dòng)， 以及高效可靠的工作。Celera Motion給一家專注于外骨骼 機(jī)器人的公司提供了精密運(yùn)動(dòng)控制解決方案，這家公司研發(fā) 的外骨骼機(jī)器人，定位于幫助殘障人士，  讓外骨骼穿戴者達(dá) 到身體平衡，并且可以像正常人一樣自由行走。

　　2 精密運(yùn)動(dòng)控制解決方案

　　這款機(jī)器人是一種具有12個(gè)自由度的自平衡外骨骼，總 共裝載了12個(gè)電機(jī)，依靠動(dòng)態(tài)算法來確定用戶的步態(tài)。它能 夠?qū)崿F(xiàn)自平衡，幫助病人站立，還可以依靠動(dòng)態(tài)行走算法模 擬人的行走動(dòng)作，并根據(jù)穿戴者的體型姿態(tài)，調(diào)整步伐和進(jìn) 行定制化的練習(xí)，外骨骼機(jī)器人對(duì)患者的康復(fù)訓(xùn)練可以起到 良好的輔助作用。

　　這12個(gè)電機(jī)分布在機(jī)器人的三個(gè)關(guān)節(jié)處，6個(gè)位于臀部 髖關(guān)節(jié)，2個(gè)位于膝蓋膝關(guān)節(jié)處，4個(gè)位于腳踝關(guān)節(jié)處。在外

　　骨骼機(jī)器人的這12個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)中，其中有8個(gè)軸均配備了我 們的Omni Plus系列無框電機(jī)，電機(jī)外徑為100mm，內(nèi)徑為 60mm(圖1)。

　　在談到為何選擇這款無框電機(jī)，用戶的工程師表示首先 是Omni Plus系列電機(jī)的出色的功率密度和超低的齒槽力吸 引了他，高功率密度是我們Omni Plus系列電機(jī)最突出的特 點(diǎn)。另外電機(jī)具有出色的內(nèi)徑外徑結(jié)構(gòu)比例，電機(jī)大中空孔 徑的設(shè)計(jì)，使得用戶可以更靈活的在緊湊的空間中安裝我們 的電機(jī)，以及完成復(fù)雜的布線。

　　并且電機(jī)的熱損耗小，相比其他品牌的電機(jī)，在同等的功率 輸出下，我們的Omni Plus電機(jī)產(chǎn)生的熱量更少，這一點(diǎn)是十分重 要的，因?yàn)橥夤趋罊C(jī)器人的高安全性和穩(wěn)定性的要求，人們希望外 骨骼機(jī)器人能在電池供電的情況下盡可能的長時(shí)間運(yùn)行，這意味著 發(fā)熱可能是一個(gè)問題，機(jī)器人內(nèi)部的電子元器件會(huì)不可避免地發(fā) 熱，使得機(jī)器人本體溫度會(huì)升高。根據(jù)可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)要求，任 何外骨骼機(jī)器人的溫度都應(yīng)盡可能低。這既是為了減少能量損耗， 也是為了用戶的舒適感和安全性。事實(shí)證明，我們的電機(jī)是介于扭 矩和散熱之間的最佳方案。

　　了解完電機(jī)，接下來我們進(jìn)入到機(jī)器人的“大腦”，也就是 伺服驅(qū)動(dòng)器，在這款外骨骼機(jī)器人的所有的12個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)控制，均

　　配備了我們的最新一代伺服驅(qū)動(dòng)器Everest S!

　　Everest S 伺服驅(qū)動(dòng)器的產(chǎn)品特點(diǎn)包括：

　　? 持續(xù)電流45A;

　　? 峰值電流60A;

　　? 供電范圍8VDC-80VDC;

　　? 支持EtherCAT和CANopen通訊;

　　? 支持PWM頻率范圍10 kHz ~ 100 kHz;

　　? 16-bit ADC高分辨率電流采樣;

　　? 支持多種反饋接口編碼器，并支持雙絕對(duì)值編碼器反饋 (Endat / SSI / BISS-C)。

　　外骨骼機(jī)器人，無論是在康復(fù)醫(yī)療應(yīng)用中還是運(yùn)動(dòng)輔助應(yīng)用 中，其目的都是為了提高穿戴者的機(jī)動(dòng)性，所以大多數(shù)的外骨骼機(jī) 器人都配備了移動(dòng)便攜式電源。

　　外骨骼機(jī)器人需要經(jīng)常移動(dòng)并盡可能長時(shí)間運(yùn)行。這意味著 工作效率是尤其重要的，這一特點(diǎn)在伺服驅(qū)動(dòng)器上同樣適用。使用 具有低待機(jī)功耗和高工作效率的伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)于延長外骨骼機(jī)器人 的工作續(xù)航時(shí)間起到至關(guān)重要的作用。Everest S高達(dá)99%的工作效 率的特性，尤其適用于外骨骼機(jī)器人這種對(duì)工作效率有嚴(yán)苛要求的 場(chǎng)合。

　　3 小結(jié)

　　產(chǎn)品輕量化，靈活化是開發(fā)外骨骼機(jī)器人的另一個(gè)重大挑 戰(zhàn)，在機(jī)器人內(nèi)部緊湊的空間內(nèi)安裝電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器和傳感 器絕非易事。Everest S伺服驅(qū)動(dòng)器的出現(xiàn)，其大小僅僅只有 26mm*35mm*10mm，重量最低僅為18g(嵌入式版本)，意 味著用戶可將我們的驅(qū)動(dòng)器輕松集成到緊湊且有限的安裝空間 內(nèi)，同時(shí)我們驅(qū)動(dòng)器支持定制開發(fā)，可讀取多種傳感器數(shù)據(jù)， 例如安裝在外骨骼機(jī)器人中的IMU(慣性測(cè)量單元)，確保伺 服驅(qū)動(dòng)器實(shí)時(shí)了解當(dāng)前機(jī)器人的姿態(tài)，保證安全可靠性，例如 在沒有安全帶的保護(hù)下，外骨骼機(jī)器人也不應(yīng)該在任何環(huán)境下 跌倒，即使是有人去嘗試推倒外骨骼機(jī)器人。