1 外骨骼機器人應用需求

　　通俗來講，外骨骼機器人是一種人類可穿戴的增強設 備，可以增強人類穿戴者的身體能力。通過智能控制將人類 的智慧創(chuàng)造與機器的高強度耐久性相結(jié)合，創(chuàng)造出適用于多 種領域的外骨骼機器人，例如用于醫(yī)學康復、運動輔助或者 工業(yè)搬運當中。

　　開發(fā)實用且性價比高的外骨骼機器人是一項令人興奮的 技術(shù)挑戰(zhàn)。自20世紀90年代以來諸多機器人先驅(qū)者一直在積 極研究這項技術(shù)，現(xiàn)在來跟隨Celera Motion賽洛拉一起， 來了解我們的精密運動控制產(chǎn)品是如何助力于外骨骼機器人 應用。

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

　　2 精密運動控制解決方案

　　這款機器人是一種具有12個自由度的自平衡外骨骼，總 共裝載了12個電機，依靠動態(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，還可以依靠動態(tài)行走算法模 擬人的行走動作，并根據(jù)穿戴者的體型姿態(tài)，調(diào)整步伐和進 行定制化的練習，外骨骼機器人對患者的康復訓練可以起到 良好的輔助作用。

　　這12個電機分布在機器人的三個關節(jié)處，6個位于臀部 髖關節(jié)，2個位于膝蓋膝關節(jié)處，4個位于腳踝關節(jié)處。在外

　　骨骼機器人的這12個運動關節(jié)中，其中有8個軸均配備了我 們的Omni Plus系列無框電機，電機外徑為100mm，內(nèi)徑為 60mm(圖1)。

　　在談到為何選擇這款無框電機，用戶的工程師表示首先 是Omni Plus系列電機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系列電機最突出的特 點。另外電機具有出色的內(nèi)徑外徑結(jié)構(gòu)比例，電機大中空孔 徑的設計，使得用戶可以更靈活的在緊湊的空間中安裝我們 的電機，以及完成復雜的布線。

　　并且電機的熱損耗小，相比其他品牌的電機，在同等的功率 輸出下，我們的Omni Plus電機產(chǎn)生的熱量更少，這一點是十分重 要的，因為外骨骼機器人的高安全性和穩(wěn)定性的要求，人們希望外 骨骼機器人能在電池供電的情況下盡可能的長時間運行，這意味著 發(fā)熱可能是一個問題，機器人內(nèi)部的電子元器件會不可避免地發(fā) 熱，使得機器人本體溫度會升高。根據(jù)可穿戴設備的設計要求，任 何外骨骼機器人的溫度都應盡可能低。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。事實證明，我們的電機是介于扭 矩和散熱之間的最佳方案。

　　了解完電機，接下來我們進入到機器人的“大腦”，也就是 伺服驅(qū)動器，在這款外骨骼機器人的所有的12個軸的運動控制，均

　　配備了我們的最新一代伺服驅(qū)動器Everest S!

　　Everest S 伺服驅(qū)動器的產(chǎn)品特點包括：

　　? 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，并支持雙絕對值編碼器反饋 (Endat / SSI / BISS-C)。

　　外骨骼機器人，無論是在康復醫(yī)療應用中還是運動輔助應用 中，其目的都是為了提高穿戴者的機動性，所以大多數(shù)的外骨骼機 器人都配備了移動便攜式電源。

　　外骨骼機器人需要經(jīng)常移動并盡可能長時間運行。這意味著 工作效率是尤其重要的，這一特點在伺服驅(qū)動器上同樣適用。使用 具有低待機功耗和高工作效率的伺服驅(qū)動器對于延長外骨骼機器人 的工作續(xù)航時間起到至關重要的作用。Everest S高達99%的工作效 率的特性，尤其適用于外骨骼機器人這種對工作效率有嚴苛要求的 場合。

　　3 小結(jié)

　　產(chǎn)品輕量化，靈活化是開發(fā)外骨骼機器人的另一個重大挑 戰(zhàn)，在機器人內(nèi)部緊湊的空間內(nèi)安裝電機、伺服驅(qū)動器和傳感 器絕非易事。Everest S伺服驅(qū)動器的出現(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)動器輕松集成到緊湊且有限的安裝空間 內(nèi)，同時我們驅(qū)動器支持定制開發(fā)，可讀取多種傳感器數(shù)據(jù)， 例如安裝在外骨骼機器人中的IMU(慣性測量單元)，確保伺 服驅(qū)動器實時了解當前機器人的姿態(tài)，保證安全可靠性，例如 在沒有安全帶的保護下，外骨骼機器人也不應該在任何環(huán)境下 跌倒，即使是有人去嘗試推倒外骨骼機器人。