外骨骼综述讲解
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一、研究意义
随着科学技术地不断进步和飞速发展，机器也随之变得更具现代化、人性化、智能化。在人类工作生活中发挥出了越来越大的作用。外骨骼(Exoskeleton的概念源自于生物学，指的是能为生物提供保护和支持的坚硬的外部结构，起着支撑身体，保护重要器官，运动辅助，感知环境等重要功能。而人体外骨骼是一种模仿生物界的外骨骼而开发出来的新型机电一体化装置，可以穿戴在人体外部，为穿戴者提供更强的机体能力。可以为残疾人和老年人提供身体支撑、运动辅助、信息融合的功能，使其可以获得走路，起坐，上下楼梯等小范围的生活自理能力，减轻家人的照顾负担。 二、研究现状
由于人体外骨骼能够极大的方便老年人和残疾人的自主行动，改善生活质量，国内外有诸多高校和研究机构进行研究，其发展非常迅速。 1、 美国伯克利大学的BLEEX外骨骼机器人 2、 日本筑波大学的HAL外骨骼机器人
3、 中科院合肥智能机械所的外骨骼助力机器人。 4、 浙江大学的助力与康复外骨骼下肢机器人 三、系统设计
1、 机械设计
人体外骨骼的机械设计应该充分考虑人机工程学的要求，做到可靠，轻便，可穿戴这几个要求。在人体外骨骼的机械设计中应该做到尺寸可以在一定范围内可调节，一适应大多数穿戴者的使用要求，使其具有较广的适用面，为此，分别在大腿外骨骼和小腿外骨骼分为两段杆件，设置为可以通过伸缩的方式调节下肢外骨骼的长度。初步设定为适应150cm~180cm身高的人群使用。人体外骨骼系统每个下肢均具有4个自由度，分别为髋关节屈伸自由度（主动），髋关节内旋外旋自由度（被动），膝关节屈伸自由度（主动）和踝关节屈伸自由度（被动）。而每个关节又保证有一定的柔性，可以适应人体微调的需要。控制器和电池放置于人体的腰部，通过硬质腰带的形式固定于人体上。操作面板为触摸式操作，位于腹部，采用翻盖式设计，可以合上，保护人机交互的触摸屏，方便操作。
可靠性：人体外骨骼作为人体辅助医疗器械，对可靠性有很高的要求，必须保证其连接的牢固可靠。人体关节的活动范围有角度限制。在最大的角度处需要有机械的限位装置，保证不会发生伤害使用人的事故的发生。髋关节：-30~120，膝关节：
0~150，踝关节：-40~20度。
轻便性：考虑外骨骼的轻便性，应使用密度小刚度大的材料，如铝合金，碳纤维，钛合金等。电机使用maxon的扁平电机，减小尺寸和重量。电池使用放电电流大，质能比高的锂电池。
可穿戴：外骨骼与身体的连接处使用弹性布料，保证和身体的柔性牢靠连接。分为内外两层，中间固定外骨骼，内外层可以分离，方便换洗。脚部关节和腿部柔性连接，构成整体。 2、 传感器设计
传感器由以下几种组成：
1、 脚底压力传感器：FlexPressure压力传感器，用来检测脚底压力，前脚掌，后脚掌各一个。0~40kg量程。该压力传感器在电路中等效为压敏电阻，当压力传感器无外界负载时，电路处于高阻状态，当外界压力施加到传感器上时，电阻随之减小。压敏电阻的大小与外界压力大小成反比关系。传感器为柔性印刷电路，厚度仅0.1mm，可以非常方便的设计在鞋垫中，作为可穿戴式的脚底压力检测系统。
2、
腿部位姿传感器：检测腿部和地面所成的夹角，小腿和大腿各一个。采用MPU050芯片设计，集成了三轴加速度计和三轴陀螺仪，在模块内部集成了卡尔曼滤波的数据融合算法，串口输出RPY三个角度信息和三轴角速度信息。能够在动态情况下准确输出模块姿态信息，测量精度达到0.01°，数据输出频率高达100Hz，完全能够满足人体外骨骼测量腿部姿态的要求。
3、
编码器：检测外骨骼关节之间的角度，髋关节和膝关节各一个。因为旋转角度范围较小，不超过360度，可以选用绝对式编码器，从而省去校正零点的过程，而且再断电之后仍然能够记录角度的变化，方便使用。
4、
力传感器：检测外骨骼和人体下肢之间的相互作用力（可选，目前没有做好选型）
3、 执行器设计
电机和减速器的选型。 髋关节电机的选择：
图 行走过程中髋关节转矩和角速度图（蓝色为角速度）
行走过程中最大转矩是92.93Nm，髋关节最大转速为27.45r/m
图 行走过程中髋关节角度和功率图（蓝色为角度）
图 起蹲过程中髋关节角度和功率图（蓝色为角度）
由上可知，髋关节的最大瞬时功率约为0.409kW，最大转速为27.45r/m，最大转矩为92.93Nm。
可选择maxon的ec-90 电机，参数如下： 额定功率：90W 额定电压：24V 额定转矩：0.444Nm 额定转速：2590rpm 堵转转矩：4.94Nm 空转转速：3190rmp 直径90mm
图 Maxon EC-90电机实物图（左）harmonic公司的CSD谐波减速器实物图（右） 当配备1:100速比的减速器时，空载时转速可以达到31.9rmp；按3倍过载来计算，转矩可以达到133Nm，如果考虑减速器的效率为0.7，仍然有93.1Nm，能够满足要
求。由于过载时间较短，呈现周期性的变化，电机可以允许短时间的过载运行，所选电机能够满足要求。
根据所需的驱动力矩和速比，选择减速器。可以选择harmonic公司的CSD谐波减速器，这种减速器呈扁平状，方便安装。具体型号为CSD20-100。转速比为100，最大瞬时允许转矩为95Nm，可以满足要求。允许平均输入转速为3500rmp，满足所选电机的输出转速。
膝关节电机的选择：
图 行走状态下膝关节转矩、角速度图（蓝色为角速度）
图 行走过程中膝关节角度和功率图（蓝色为角度）
图 起蹲过程中髋关节角度和功率图（蓝色为角度）
由上可知膝关节在行走过程中功率较小，其在起蹲过程中功率较大，如果考虑起蹲的情况，应该按照最大功率为0.1847kW来计算。最大转速为70.61r/m，最大转矩为30.38Nm。
如果以3倍过载来计算，可以选择70W的电机。选用maxon的ec-45的电机。 参数如下： 额定功率：70W 额定电压：24V 额定转矩：0.128Nm 额定转速：4860rpm 堵转转矩：1.46Nm 空转转速：6110rmp 直径45mm 相应的谐波减速器的减速比也应该减小，可以选择减速比为1:50的谐波减速器。 于是在额定转速下的输出转速为97.2rpm，大于最大转速70.6rpm，可以满足要求。 再计算最大输出扭矩，为1.46*50=73。考虑减速器是损耗，则输出最大扭矩为73*0.7=51.1Nm，大于最大转矩30.38Nm，可以满足要求。
4、 控制算法设计
角度，角速度，角加速度人机系统模型驱动力模糊控制电机控制器外骨骼角度，角速度PD控制器人体角度角速度辨识运动趋势脚底压力图 外骨骼控制框图
控制算法是外骨骼系统的核心部分，负责对传感器数据的采集和处理，基于采集到的数据做出数据融合，综合分析，从而决定步态的规划，控制电机的运动，实现对人体的助力功能。
整个控制系统采用分层控制的思想，共有两层层，分别为 行走规划层——数据融合，分析预测，生成控制指令 