关节式机器人怎么分类?

  机器人的控制方法,根据控制量、控制算法的不同分为多种类型。下面分别针对不同的类型,介绍常用的机器人控制方法。

  一、根据控制量分类

  按照控制量所处空间的不同,机器人控制可以分为关节空间的控制和笛卡尔空间的控制。对于串联式多关节机器人,关节空间的控制是针对机器人各个关节的变量进行的控制,笛卡尔空间控制是针对机器人末端的变量进行的控制。按照控制量的不同,机器人控制可以分为:位置控制、速度控制、加速度控制、力控制、力位混合控制等。这些控制可以是关节空间的控制,也可以是末端笛卡尔空间的控制。

  位置控制的目标是使被控机器人的关节或末端达到期望的位置。下面以关节空间位置控制为例,说明机器人的位置控制。如图1-1所示,关节位置给定值与当前值比较得到的误差作为位置控制器的输入量,经过位置控制器的运算后,其输出作为关节速度控制的给定值。关节位置控制器常采用PID算法,也可以采用模糊控制算法。

  图1-1 关节位置控制示意图

  在图1-1中,去掉位置外环,即为机器人的关节速度控制框图。通常,在目标跟踪任务中,采用机器人的速度控制。此外,对于机器人末端笛卡尔空间的位置、速度控制,其基本原理与关节空间的位置和速度控制类似。

  图1-2 加速度控制示意图

  图1-2所示为分解加速度运动控制示意图。首先,计算出末端工具的控制加速度。然后,根据末端的位置,速度和加速度期望值,以及当前的末端位置、关节位置与速度,分解出各关节相应的加速度,再利用动力学方程计算出控制力矩分解加速度控制,需要针对各个关节进行力矩控制。

  图1-3 关节力/力矩控制示意图

  图1-3为关节的力/力矩控制框图。由于关节力/力矩不易直接测量,而关节电机的电流又能够较好的反映关节电机的力矩,所以常采用关节电机的电流表示当前关节力/力矩的测量值。力控制器根据力/力矩的期望值与测量值之间的偏差,控制关节电机,使之表现出期望的力/力矩特性。

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  使用康复机器人的目的究竟是代替受伤的部位,还是使受伤的部位恢复呢?市面上开发出了很多可以补偿、代替受伤部位的康复机器人,比如膳食辅助机器人,为先天性身体残疾者、脊髓损伤者和肌肉萎缩症患者等等,保持患者的正常进食,正常生活,还有电动移动机器人与排泄物护理机器人等等,这些都是作为一种代替,来替患者完成不能完成的动作。

  另一类康复训练机器人是为了使患者受伤部位恢复而开发出来的一款康复机器人。依据神经可塑性理论,开发出了修复受损部位的康复机器人,主要提供给那些因为脑中风或脊髓损伤等无法行走的患者进行康复训练使用。在患者进行步态活动时由关节活动带动全身肌肉运动,从而逐渐激活全身运动系统,是可以帮助受伤部位复原的康复训练机器人。

  修复受损部位的下肢康复机器人现在大体上可以分为两种类型,为外骨骼机器人-踏板式(Exoskeleton type)以及末端执行器型-阶梯式(End Effector type),外骨骼机器人是作用在双腿,为没有站立能力的脑损伤患者帮助他们实现坐、站、行走、上下楼梯等基本功能;末端执行器型-是作用在足部,通过足部关节的运动带动患者的全身肌肉恢复运动。

  韩国保生科技公司在2011年开发了医疗用下肢康复训练机器人“Walkbot”是属于Exoskeleton type外骨骼机器人-踏板式,在患者踝关节上采用电动驱动装置,带动髋关节和胯部,引发一系列的身体活动,主要提供给那些因为脑中风或脊髓损伤等无法行走的患者进行康复训练使用。另外其他公司也有开发出的外骨骼机器人。

  其他公司生产的End Effector type末端执行器型康复机器人是作用在足部,来依靠步态运动带动身体运动系统的恢复

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